童 蕾,涂文平

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系,廣州510515;2.佳士峰機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司,廣州510660)

0 引言

工業(yè)廠房的特點(diǎn)是空間大,一般有內(nèi)熱源存在,生產(chǎn)過(guò)程中有的還會(huì)產(chǎn)生一些有毒、有害氣體,其中溫度對(duì)操作的安全和精度有很大影響,據(jù)統(tǒng)計(jì),在17～23℃的穩(wěn)定環(huán)境里所產(chǎn)生的工傷事故和作業(yè)失誤指數(shù)最低。隨著GBZ1-2002《工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GBZ2-2002《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),采用自然通風(fēng)降溫的方法已很難達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求,采用傳統(tǒng)機(jī)械制冷空調(diào)則存在投資大、運(yùn)行費(fèi)用高,空氣質(zhì)量差等缺點(diǎn)。而蒸發(fā)式冷氣機(jī)與傳統(tǒng)壓縮式空調(diào)機(jī)原理、結(jié)構(gòu)都不同,在衛(wèi)生、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安裝運(yùn)行等方面都有顯著的優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)90年代末在我國(guó)蘭州、呼和浩特、銀川、烏魯木齊和吐魯番等西北地區(qū)以及江蘇、浙江、福建和廣東沿海地區(qū)的企業(yè)廠房作為通風(fēng)降溫設(shè)備大量的應(yīng)用和推廣,目前,國(guó)內(nèi)蒸發(fā)式冷氣機(jī)生產(chǎn)廠家160家左右,蒸發(fā)冷卻設(shè)備產(chǎn)品年產(chǎn)量40萬(wàn)臺(tái)左右,應(yīng)用廣泛,節(jié)能效應(yīng)非常顯著。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)利用自然界可再生干空氣中干球溫度與濕球溫度的溫差作為驅(qū)動(dòng)勢(shì),采用水作為制冷劑,通過(guò)水分蒸發(fā)吸熱來(lái)制冷。其核心就是空氣和水的熱質(zhì)交換,蒸發(fā)冷卻過(guò)程中的熱量、質(zhì)量傳遞推動(dòng)勢(shì)相對(duì)較小,因此屬于低品位能源利用技術(shù),基本上不消耗或消耗極少一次能源,且對(duì)環(huán)境無(wú)破壞作用。

相關(guān)高校實(shí)驗(yàn)研究表明,室外平均溫度為29℃,干濕球溫度差為5℃時(shí),干球溫度可以下降4℃左右,蒸發(fā)冷卻效率可達(dá)79.5%,相對(duì)濕度可以提高22%。室外平均溫度為31.2℃,干濕球溫度差為7℃時(shí),干球溫度可以下降6℃左右,蒸發(fā)冷卻效率可達(dá) 84.1%,相對(duì)濕度可以提高32%。干濕球溫差越大,冷卻的效果越顯著[1]。

表1是某品牌蒸發(fā)式冷氣機(jī)在廣州測(cè)得的幾種實(shí)際試驗(yàn)情況。由表可知,在中國(guó)南部地區(qū),以廣州為例,夏季實(shí)際使用環(huán)境通常是室內(nèi)溫度30℃,濕度85%,對(duì)這樣較高溫度和濕度條件下的環(huán)境舒適性,國(guó)內(nèi)學(xué)者早已有了相關(guān)的研究,認(rèn)為適當(dāng)提高室內(nèi)空氣的流速 (風(fēng)速達(dá)到0.8m/s以上),再加上每1～2分鐘室內(nèi)空氣被更換一遍,可達(dá)到舒適、健康、節(jié)能的目的[2]。

表1 某品牌蒸發(fā)式冷氣機(jī)送風(fēng)溫度試驗(yàn)

2 蒸發(fā)式冷氣機(jī)

采用水直接蒸發(fā)冷卻方式接近于等焓加濕過(guò)程,室外室氣經(jīng)加濕降溫后送入室內(nèi)。這種方式結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,成本及耗電極低,目前99%的水蒸發(fā)冷氣機(jī)是采用此原理。其中外掛式冷氣機(jī)用于工廠有很大優(yōu)勢(shì),冷氣機(jī)外掛后對(duì)室內(nèi)噪音影響小,且墻洞窗洞尺寸也小。圖1為一種常用在工廠的四面濕簾、頂部或底部出風(fēng)的方形正壓式冷風(fēng)機(jī)。主要由風(fēng)機(jī)、水循環(huán)系統(tǒng)、濾網(wǎng)及外殼等部件組成,其過(guò)濾網(wǎng) (換熱器)一般是由高纖維波紋片經(jīng)交錯(cuò)疊合設(shè)計(jì)制成。水泵電機(jī)、風(fēng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)力,對(duì)于蒸發(fā)制冷空調(diào)的電機(jī),最重要的就是要防潮效果好。

對(duì)蒸發(fā)式冷氣機(jī)一般有工作的基本條件、風(fēng)量測(cè)試、蒸發(fā)效率試、制冷量的計(jì)算、蒸發(fā)量、能效比、噪聲以及安全8個(gè)方面的要求。如使用條件,即周?chē)h(huán)境空氣相對(duì)濕度低于95%。規(guī)定一定的出口余壓,既保證了蒸發(fā)式冷氣機(jī)冷卻空氣水分與空氣熱濕交換必需空氣流速要求,又保證了被處理的空氣的輸送過(guò)程中克服阻力的需要[3]。

蒸發(fā)式冷氣機(jī)風(fēng)量的測(cè)量應(yīng)在一定的機(jī)外余壓下進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)配置為1.1kW上下、18000m3/h左右風(fēng)量,出風(fēng)接風(fēng)管或直接裝電動(dòng)百葉送風(fēng),主風(fēng)管出口風(fēng)速13m/s。

圖1 蒸發(fā)式冷氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意

3 廠房采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)通風(fēng)降溫的設(shè)計(jì)與安裝

蒸發(fā)式冷氣機(jī)能夠直接輸送自然風(fēng)及輸送經(jīng)降溫后的涼風(fēng),將室內(nèi)帶有氣味、粉塵和混濁悶熱的空氣排出室外,同時(shí)兼顧換氣、降溫及增加空氣含氧量等多種效果,特別適用于高溫及人群密集的場(chǎng)所,如塑膠包裝車(chē)間、紡織車(chē)間及食品飲料車(chē)間等。下面結(jié)合工程實(shí)例就外掛式冷氣機(jī)的設(shè)計(jì)安裝進(jìn)行分析歸納。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)前關(guān)健的一環(huán)是需要了解車(chē)間的工作環(huán)境,如車(chē)間的屬性,主要生產(chǎn)什么,生產(chǎn)中的產(chǎn)熱量及降溫范圍,工位是如何布置,對(duì)風(fēng)管及風(fēng)咀的走向及安裝有什么特別要求等。還需了解室外的環(huán)境,如空調(diào)機(jī)可安裝位置的調(diào)查及客戶對(duì)安裝有什么特別要求等。選擇參數(shù)主要有換風(fēng)次數(shù)、工位送風(fēng)量、排風(fēng)率。

換風(fēng)次數(shù) (次/小時(shí))=每小時(shí)總送風(fēng)量/目標(biāo)空間體積,目的就是在特定空間里,保持供風(fēng)與排風(fēng)的體積相對(duì)平衡。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)當(dāng)換氣次數(shù)從40次增加到60次,設(shè)備臺(tái)數(shù)及初投資將增加50%,但此時(shí)溫度可能只低1℃,因此換氣次數(shù)建議不超過(guò)40次。對(duì)于高大廠房設(shè)計(jì)時(shí)送風(fēng)口一般盡量在2.5米以下,原則是冷空氣在底層流動(dòng)以滿足人員及設(shè)備需要即可,盡量不去攏動(dòng)車(chē)間上層熱空氣。此時(shí)高廠房按5米的高度計(jì)算換氣次數(shù)即可。

如果采用了工位送風(fēng),需要考慮的因素就是要依據(jù)環(huán)境設(shè)計(jì)直接吹到某工人或一組工人身上的定點(diǎn)風(fēng)量,也稱(chēng)工位送風(fēng)量。

溫度和濕度是影響人體舒適感的兩大重要因素,表2為某品牌蒸發(fā)式冷氣機(jī)在外界干球溫度28～37℃,相對(duì)濕度50%～85%的熱帶、亞熱帶氣候條件下經(jīng)驗(yàn)推薦的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表2 某品牌推薦給不同工業(yè)廠房的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(部分?jǐn)?shù)據(jù))

蒸發(fā)式冷氣機(jī)在廠房中應(yīng)用是整體通風(fēng)降溫系統(tǒng),必須全面考慮的因素還包括冷風(fēng)效果、風(fēng)咀位置和型號(hào),與供風(fēng)系統(tǒng)配套的排風(fēng)方式等。

傳統(tǒng)中央空調(diào)使用場(chǎng)合必須緊閉門(mén)窗,隔絕冷氣的流失才能達(dá)到降溫效果。而蒸發(fā)式冷氣機(jī)是將室外的新鮮空氣經(jīng)過(guò)降溫、過(guò)濾后送入車(chē)間,使車(chē)間產(chǎn)生一定的正壓將熱空氣和渾濁有害氣體排出室外。因此使用冷氣機(jī)必須敞開(kāi)門(mén)窗,或加裝負(fù)壓排風(fēng)扇才能達(dá)到使用效果。排風(fēng)率=總排風(fēng)量/總供風(fēng)量,一般推薦值為90%。

設(shè)計(jì)步驟:確定換風(fēng)次數(shù)→計(jì)算空間體積→計(jì)算總換風(fēng)量→選擇冷氣機(jī)型號(hào)及臺(tái)數(shù)→確定工位送風(fēng)量→確定排風(fēng)量。

3.2 系統(tǒng)布置及安裝方式

為最大限度地保證正常作業(yè)時(shí)有充裕的清新空氣送入送風(fēng)區(qū)域,蒸發(fā)式冷氣機(jī)應(yīng)安裝在室外,用全新風(fēng)運(yùn)行。安裝環(huán)境要有通暢的清新空氣供應(yīng),不要讓空調(diào)機(jī)在封閉區(qū)域內(nèi)送風(fēng)工作,如果沒(méi)有足夠敞開(kāi)的門(mén)或窗,就要加裝百葉窗,建造新風(fēng)閣安裝[4]。常見(jiàn)的室外安裝方式有外墻、窗外安裝和穿屋頂安裝。環(huán)境是決定冷氣機(jī)的安裝方式基本因素,而工廠的特性則是重點(diǎn)。因冷氣機(jī)是針對(duì)性的區(qū)域降溫,在基本環(huán)境特許的情況下,優(yōu)先從廠房?jī)?nèi)不同工位布置選擇其安裝方式。圖2為某紡織廠冷氣機(jī)安裝示意,須安裝冷氣的紡織車(chē)間處于三樓,為盡量不破壞樓層結(jié)構(gòu),為最大限度地使每工位送風(fēng)到位,因此環(huán)?？照{(diào)機(jī)應(yīng)選擇如圖所示墻位安裝效果最佳。圖3為某食品車(chē)間冷氣機(jī)安裝示意,須安裝空調(diào)機(jī)的區(qū)域?yàn)槭称窙龇砰g,單層鋅瓦棚結(jié)構(gòu),工位布局不規(guī)則,須送風(fēng)區(qū)域約110平方米,使送風(fēng)區(qū)域風(fēng)量均勻到位,選擇穿鋅瓦頂安裝,采用六面送風(fēng),送風(fēng)距離可達(dá)10米特制風(fēng)咀,該安裝方式不僅安裝施工方便縮短工期且降低造價(jià)。

3.3 存在問(wèn)題分析

對(duì)上述2個(gè)工程進(jìn)行了跟蹤調(diào)研,存在問(wèn)題主要有兩點(diǎn):

(1)冷氣機(jī)采取不同的安裝方式的影響

食品車(chē)間屋頂安裝,不利的是在空氣不流動(dòng)的夏季里,空氣溫度有時(shí)超出57℃,這樣使進(jìn)口空氣溫度急劇升高。紡織廠采取了墻位安裝,相較屋頂安裝降低了進(jìn)風(fēng)溫度,然而犧牲了部分自然采光,需用梯子來(lái)維護(hù),增加了費(fèi)用。

(2)出風(fēng)分布目標(biāo)設(shè)計(jì)對(duì)舒適、節(jié)能的影響

冷氣機(jī)安裝在室外,不需回風(fēng)管,風(fēng)管系統(tǒng)比機(jī)械制冷方式的要簡(jiǎn)單得多。風(fēng)管 (含出風(fēng)口)的設(shè)計(jì)主要影響出風(fēng)分布目標(biāo),這與空調(diào)效果 (舒適性)密切相關(guān),也是空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵所在。

廣東屬于濕度較高的地區(qū),在工人崗位周?chē)纬奢^高的空氣流速是受歡迎的,夏季紡織廠室內(nèi)送風(fēng)采用了定點(diǎn)供冷模式,以較高的速度吹過(guò)人體。將空氣吹向人體在2個(gè)條件下可以得到降溫,一是低于人體皮膚的溫度34.4℃,二是足夠干燥可除去皮膚表面的濕氣[4]。當(dāng)然第一條更重要,第二條也不容忽視。我們?cè)诩徔棌S送風(fēng)管末端進(jìn)行了改進(jìn)實(shí)驗(yàn),當(dāng)時(shí)室內(nèi)平均溫度30℃左右,從冷風(fēng)機(jī)出來(lái)的空氣28℃左右,改進(jìn)的末端涼風(fēng)首先吹向車(chē)間墻壁吸收熱量,此時(shí)涼風(fēng)溫度比室內(nèi)平均溫度低約1℃,然后再以較高速度吹向工人,反映舒適性提高。分析認(rèn)為沖刷得熱面吸收顯熱降低了相對(duì)濕度,然后再吹向人體,提高了空氣除去人體皮膚潛熱的能力。

經(jīng)冷氣機(jī)處理后的空氣流過(guò)室內(nèi),吸收室內(nèi)熱量,設(shè)計(jì)推薦溫升3.9～5℃之間 (比室外空氣溫度約低2℃)排向室外,同時(shí)帶走沒(méi)有被利用的冷量。用于空間的凈供冷量小于冷氣機(jī)的輸出冷量,造成了能源的浪費(fèi)。為了節(jié)能,空調(diào)與通風(fēng)互相協(xié)調(diào)特別重要,整體通風(fēng)與局部通風(fēng)并用,對(duì)操作者則提供定點(diǎn)供冷的模式較有成效。

該紡織廠的紡織車(chē)間原在四周的外墻離地面1米高處安裝了一定數(shù)量自然通風(fēng)窗和機(jī)械排風(fēng)機(jī),初始安裝冷氣機(jī)時(shí)沒(méi)有按冷氣機(jī)工程公司提出的排風(fēng)配置方案,空調(diào)運(yùn)行測(cè)定排氣溫度較出口溫度上升3.5℃左右?？紤]到:①排氣溫度還有上升空間;②紡織車(chē)間工藝特殊性——高濕度使棉線強(qiáng)度更高,不易拽斷;③車(chē)間除日照得熱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲熱外,車(chē)間內(nèi)還有電動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量,內(nèi)部空氣相對(duì)濕度較低,提出了改進(jìn)方案:建議原自然通風(fēng)窗用于采光,增加1倍數(shù)量的機(jī)械排風(fēng)量,排風(fēng)機(jī)穿墻盡高安裝。方案采納并實(shí)施后,排風(fēng)溫升上升到5℃左右,工人也無(wú)不舒適感。

4 結(jié)束語(yǔ)

蒸發(fā)冷卻技術(shù)集通風(fēng)、換氣、防塵、除味、降溫于一身,用水作為制冷劑,不產(chǎn)生任何有害人體和污染環(huán)境的氣體,初投資運(yùn)行費(fèi)均比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)低,統(tǒng)計(jì)表明初投成本僅為傳統(tǒng)空調(diào)的1/3,使用成本僅為傳統(tǒng)空調(diào)的1/8,非常符合國(guó)家乃至世界節(jié)能減排政策[5-9]。隨著技術(shù)的進(jìn)步,與通風(fēng)降溫工程設(shè)計(jì)、安裝等環(huán)節(jié)結(jié)合,必成為應(yīng)用廣泛的空調(diào)系統(tǒng)。

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