健身房用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)的研究

杜芳莉 宋祥龍 俱鵬陽 郭 歡 朱永飛

健身房用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)的研究

杜芳莉 宋祥龍 俱鵬陽 郭 歡 朱永飛

（西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

隨著生活水平的提高，越來越多的人們走進健身房。利用人們在騎動感單車時本身的能量消耗所產(chǎn)生的機械動能轉(zhuǎn)化為電能為主，外部電源為輔來驅(qū)動蒸發(fā)冷卻裝置，并運用引射原理將水吸入風道實現(xiàn)對新風的熱濕處理，從而提供給健身房需要的新風量與冷量，保證健身者的熱舒適性要求，彌補現(xiàn)代健身房自然通風與普通空調(diào)的不足。

健身房；機械發(fā)電；蒸發(fā)冷卻；引射原理；全新風系統(tǒng)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，健身逐漸成為時尚。健身房由于人員密度高、勞動強度大，需要大量的新風，這就使得傳統(tǒng)空調(diào)能耗偏高[1]。考慮當今世界能源資源日益短缺，同時環(huán)境問題越來越受到人們的關注。開發(fā)利用新能源和可再生能源成為世界能源可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，同時也是大多數(shù)發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家21世紀能源開發(fā)的基本選擇。一種動感單車用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，它利用健身者自身能量消耗所產(chǎn)生的機械“無用”動能驅(qū)動，不采用制冷劑，吻合了當前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢。

1 設計意義

健身房的環(huán)境質(zhì)量不容忽視，根據(jù)國家對健身房室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價標準可知，標準健身房中CO2的含量應為0.15%以下[2]。通過大量調(diào)研健身房的相關工作人員發(fā)現(xiàn)，單車房場地面積一般約40m2左右，健身期間每節(jié)課總共容納20個人，人均面積2m2，整個動感單車課程從開始到結(jié)束長達一個小時，此項運動強調(diào)的是力量與耐力，全程強度大且無休息。而在健身房這樣勞動強度大、人流密集的情況下，CO2濃度會迅速升高，影響健身房室內(nèi)空氣品質(zhì)[3]。而CO2是空氣的組成成分之一，在正常空氣中含量約為0.03%～0.05%，由于動感單車房門窗都相對封閉，空氣流動小，導致室內(nèi)CO2的擴散作用減弱，加之健身人群進行運動，較平靜時吸氧量增加，呼出的CO2也隨之增加，隨著運動時間的延長而逐漸超出國家標準，在這樣的環(huán)境下開展運動鍛煉會直接影響到健身人群的身體健康[4]。如何解決動感單車房內(nèi)新風量不足、CO2含量嚴重超標是目前健身房空氣品質(zhì)最大的挑戰(zhàn)。動感單車用無動力蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)符合要求，它采用直流式全新風供給、空氣齡小、室內(nèi)氣體駐留時間短，從而能實現(xiàn)節(jié)能健康、舒適的健身環(huán)境，并可使健身房內(nèi)的PMV值保持在推薦值-0.5～+0.5之間，對于解決動感單車房內(nèi)CO2濃度過高的問題可起到積極作用[5]。

2 設計思路

作為健身房的節(jié)能環(huán)保無動力蒸發(fā)冷卻降溫裝置，它能提供健身者在健身房內(nèi)熱舒適性所需要新風量及冷量，從而保證健身者在健身房內(nèi)的空氣品質(zhì)與熱舒適感覺。本裝置主要由動感單車機械能蓄電系統(tǒng)、蒸發(fā)冷卻無泵降溫凈化系統(tǒng)、排風系統(tǒng)三個部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蒸發(fā)冷卻無動力降溫裝置結(jié)構(gòu)圖

其工作原理是：該裝置充分利用人在騎動感單車時所產(chǎn)生的機械動能作為主要驅(qū)動動力源為風機提供動力，將室外的新風引入室內(nèi)的風管中，并通過漸縮風管使進入室內(nèi)的新風形成高速氣流，從而使新風系統(tǒng)的靜壓減小，動壓增大，在喉管處與空氣大氣壓產(chǎn)生壓差，形成引射效應，將水池中的水提升到風管中，并與風管的新風混合經(jīng)噴淋濕膜對新風進行蒸發(fā)冷卻，然后經(jīng)過管道及風口送到動感單車的對應工位，同時在異側(cè)外墻的下部設置排風機，實現(xiàn)直送直排的全新風系統(tǒng)，從而使健身者始終沐浴在良好空氣環(huán)境之中[6]。蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)工作原理如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖

3 實驗臺搭建

蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)實驗裝置的設備明細如下表1所示。

表1 蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)實驗裝置設備明細表

蒸發(fā)冷卻空調(diào)裝置實驗臺搭建如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)冷卻空調(diào)裝置實驗臺

3.1 機械蓄電系統(tǒng)

該裝置的機械蓄電系統(tǒng)是利用動感單車的旋轉(zhuǎn)機械能，通過機械傳遞發(fā)電，最后控制和逆變，存儲于蓄電池中。它是由發(fā)電機、逆變器及蓄電池組成。已知送風機功率為120W，取抽風機的功率為120×0.8=96W，總功率需要120+96=216W。已知一個動感單車的發(fā)電功率為一小時20W～30W，20個動感單車同時使用時可達到400～600W，多余的電量儲存在蓄電池內(nèi)或做其他用途，動感單車發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 動感單車發(fā)電系統(tǒng)示意圖

3.2 蒸發(fā)冷卻降溫系統(tǒng)

在風機的負壓作用下，利用引射原理吸水，于風管內(nèi)實現(xiàn)汽水混合和蒸發(fā)冷卻，并在風口的填料處實現(xiàn)擋水與凈化。它是由進風口、喉管、軟連接、填料及風機組成。動感單車蒸發(fā)冷卻降溫系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)冷卻降溫系統(tǒng)示意圖

3.3 送排風系統(tǒng)

在健身房外墻的兩側(cè)分別設置新風口和排風機，采用全新風供給健身房，空氣齡小，室內(nèi)氣體駐留時間短，從而實現(xiàn)直送直排的全新風系統(tǒng)，完全可以解決動感單車房內(nèi)二氧化碳濃度過高及室內(nèi)空氣品質(zhì)的問題[7]。該系統(tǒng)是由新風采集口、送風管路、送風機、送風口、排風機組成。送排風系統(tǒng)模型如圖6所示。

圖6 送排風系統(tǒng)管路示意圖

4 設計模型

本產(chǎn)品充分利用人驅(qū)動動感單車的旋轉(zhuǎn)機械能，通過機械傳遞發(fā)電，帶動風機旋轉(zhuǎn)，并在風道中形成高速氣流；同時在風機的負壓作用下，利用引射原理吸水，在風管內(nèi)實現(xiàn)汽水的混合和熱濕交換，熱濕交換后的空氣攜帶部分水滴通過噴淋濕膜進一步降溫和過濾，從而在填料處實現(xiàn)擋水與凈化，保證空氣品質(zhì)，進行蒸發(fā)冷卻，未蒸發(fā)的水通過帶有一定坡度的水管回流到水箱過濾后重復使用，使蒸發(fā)冷卻不斷循環(huán)；另外，設置在健身房外墻處的排風機不斷運轉(zhuǎn)，將室內(nèi)的污濁空氣排向室外，從而使新風源源不斷送入室內(nèi)，達到實現(xiàn)直送直排的全新風系統(tǒng)。該項目通過對實物模型多次測試實驗，并與目前健身房健身體驗進行對比，發(fā)現(xiàn)此裝置確實能夠有效改善健身房空氣環(huán)境，增強健身者的舒適體驗[8]。動感單車用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)模型如圖7所示。

圖7 動感單車用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)系統(tǒng)模型

5 結(jié)論

本作品利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)健身房中的空調(diào)系統(tǒng)，利用健身者本身的能量消耗作為驅(qū)動動感單車用蒸發(fā)冷卻無動力空調(diào)的能源動力，并配合引射原理吸水及全新風等代替高檔健身房中的普通空調(diào)系統(tǒng)與小型健身房中的自然通風，從而實現(xiàn)節(jié)能健康、舒適的健身環(huán)境。本裝置創(chuàng)新點體現(xiàn)在：

（1）節(jié)能低碳：無動力蒸發(fā)冷卻制冷是一種以動能為驅(qū)動力的綠色制冷技術(shù)，與傳統(tǒng)蒸汽壓縮式相比，省去了兩大耗電量大的動力裝置壓縮機與水泵；

（2）無泵降溫：利用引射原理，使水自動提升，再進行蒸發(fā)冷卻，且無氟利昂類制冷劑，具有臭氧消耗系數(shù)（ODP）和溫室效應系數(shù)（GWP）均為零的環(huán)保優(yōu)點；

（3）舒適健康：動感單車無動力蒸發(fā)冷卻空調(diào)采用直流式全新風，直送直排，正好滿足健身房人員密集度高，室內(nèi)空氣二氧化碳濃度高，需要大量新風保證舒適性的特點。

（4）高效冷卻：本創(chuàng)新作品充分利用填料特點，過風阻水，延長蒸發(fā)冷卻時長，并且讓新風在填料中進行一次濕過濾，保證新風數(shù)量及新風質(zhì)量。

（5）工位送風：冷量損耗小，更舒適。

[1] 杜芳莉,魏朝暉.健身房有效通風氣流組織的研究[J].制冷與空調(diào),2017,31(3):336-340.

[2] 申長軍,黃翔,宋祥龍,等.蒸發(fā)冷卻空調(diào)與風光互補發(fā)電結(jié)合使用的可行性分析[J].制冷與空調(diào),2014,14(9): 50-53.

[3] 湯珍,都經(jīng)杰.巢湖市動感單車現(xiàn)狀的調(diào)查分析[J].宿州教育學院學報,2012,15(2):154-157.

[4] 陸大江,沈逸蕾.健身房運動環(huán)境的研究與分析[J].體育與科學,2012,33(3):9-17.

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[6] 孫燕.高大中庭空調(diào)氣流組織的數(shù)值模擬研究[D].濟南:山東建筑大學,2013.

[7] 姚林,彭小勇,劉振昊.不同氣流組織下空調(diào)客房熱舒適性的數(shù)值模擬[J].制冷與空調(diào),2012,26(1):101-106.

[8] 高志明.體育館空調(diào)氣流組織數(shù)值模擬及節(jié)能優(yōu)化研究[D].廣州:華南理工大學

Research on Evaporative Cooling System for Gymnasium

Du Fangli Song Xianglong Ju Pengyang Guo Huan Zhu Yongfei

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the improvement of the living standard, More and more people walk into the gymnasium. In this paper, the mechanical kinetic energy generated by the energy consumption of people riding a motorized bicycle is converted into electric energy. The external power supply is supplemented to drive the evaporative cooling device. The principle of ejection is applied to realize the hot and wet treatment of fresh air. And this system provide the amount of fresh air and cold that the gymnasium needs. in order to ensure Thermal comfort of Fitness, This paper can also make up for the deficiency of natural ventilation and ordinary air conditioning in modern gymnasium.

gymnasium; Mechanical power generation; evaporative cooling; siphon principle; New wind system

G710

A

1671-6612（2019）05-478-03

西安航空學院自然科學研究基金項目（編號：2019KY1223）；國家級大創(chuàng)項目（編號：20191736002）

杜芳莉（1975.5-），女，碩士研究生，副教授，E-mail：972339919@qq.com

2018-09-11