杜芳莉 鐘 平 解臣臣 楊 杰 吳淑怡

一種運(yùn)動(dòng)自發(fā)電節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的研究

杜芳莉 鐘 平 解臣臣 楊 杰 吳淑怡

（西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院 西安 710077）

隨著人們生活水平的提高，運(yùn)動(dòng)成為生活中不可缺少的一部分，健身逐漸成為時(shí)尚，健身環(huán)境的舒適性、健康性更是受到人民的普遍關(guān)注。利用人們運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生動(dòng)能進(jìn)行自發(fā)電，用于空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并將引射原理用于蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，大幅度減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗，同時(shí)充分利用新風(fēng)有效降低CO2濃度，有效改善健身房中的空氣品質(zhì)。

運(yùn)動(dòng)發(fā)電；蒸發(fā)冷卻；空調(diào)裝置；節(jié)能；全新風(fēng)

0 引言

隨著人們生活水平的提高，以及飲食攝入高糖高脂類的食物和生活方式的不規(guī)律，人們的健康問(wèn)題日益顯現(xiàn)，因此，關(guān)注健康的人也越來(lái)越多，運(yùn)動(dòng)成為生活中不可或缺的一部分，健身逐漸成為時(shí)尚，打造一個(gè)舒適、健康的運(yùn)動(dòng)環(huán)境成為了重點(diǎn)[1]。但是健身房的環(huán)境質(zhì)量不容忽視，傳統(tǒng)空調(diào)一般將表面式空冷器作為空氣降溫除濕設(shè)備，容易造成處理后的空氣接近飽和狀態(tài)，空氣相對(duì)濕度較大，不利于健身者的身心健康；此外，傳統(tǒng)的健身房中的空調(diào)系統(tǒng)因考慮運(yùn)行費(fèi)用及節(jié)能等因素，在空氣處理中采用大量回風(fēng)，從而導(dǎo)致健身房中空氣污濁、室內(nèi)環(huán)境條件較差。因此，現(xiàn)有健身房中空調(diào)系統(tǒng)存在新風(fēng)量不足、除濕能力有限、空調(diào)運(yùn)行能耗高、室內(nèi)CO2濃度大等缺點(diǎn)，不能給健身者提供清新、健康、舒適的健身環(huán)境[2]。為此，針對(duì)健身房中空氣現(xiàn)狀提出一種運(yùn)動(dòng)自發(fā)電的健身房節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)人員劇烈運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，并將引射原理用于蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，大幅度地減少空調(diào)系統(tǒng)能耗，改善健身房的空氣質(zhì)量。這一健康空調(diào)系統(tǒng)既節(jié)能又環(huán)保，吻合了當(dāng)前能源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的總趨勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)思路

健身房中，由于運(yùn)動(dòng)人員的劇烈運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量的動(dòng)能，如能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)，并將引射原理用于蒸發(fā)冷卻全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，將大幅度地減少空調(diào)系統(tǒng)能耗[3]，且有效降低CO2濃度，從而改善健身房的空氣品質(zhì)，提高人們的健身質(zhì)量。

圖1 運(yùn)動(dòng)自發(fā)電健身房節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)原理圖

運(yùn)動(dòng)自發(fā)電健身房節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)[4]，利用“無(wú)用”的健身動(dòng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)，使用全新風(fēng)運(yùn)行；采用文丘里管的引射原理代替水泵，對(duì)健身房空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行全新風(fēng)降溫、除濕運(yùn)行，使房間的能源消耗少，空氣品質(zhì)佳。相比于傳統(tǒng)的空調(diào)降溫和自然通風(fēng)來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)更節(jié)能，更溫和，更舒適，且有全新風(fēng)供給，更為健康。該運(yùn)動(dòng)自發(fā)電健身房節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)是由動(dòng)感單車自發(fā)電系統(tǒng)，蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)，轉(zhuǎn)輪除濕再生系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)四部分組成，其工作原理如圖1所示。具體工作過(guò)程為：動(dòng)感單車自發(fā)電系統(tǒng)是將健身者運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能通過(guò)發(fā)電裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒋鎯?chǔ)在蓄電池中；蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)在送風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下，利用文丘里管的引射原理將儲(chǔ)水池中的水吸入風(fēng)管，對(duì)新風(fēng)進(jìn)行蒸發(fā)冷卻，并經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)和半導(dǎo)體制冷片將新風(fēng)處理成低溫低濕的空氣送入健身房中；轉(zhuǎn)輪除濕再生系統(tǒng)用于提供轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)再生所需的再生空氣；蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)用于給蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)提供水源。

2 運(yùn)動(dòng)自發(fā)電系統(tǒng)

在健身房中，人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)[5]，運(yùn)動(dòng)自發(fā)電系統(tǒng)作為節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，是整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能源核心，該裝置是由動(dòng)感單車11、發(fā)電裝置12、整流器13、蓄電池14、逆變器15組成。其中自發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池14設(shè)有兩個(gè)接口，蓄電池接口16與半導(dǎo)體制冷片相連；蓄電池接口17則連接逆變器15，并將一部分直流電轉(zhuǎn)換為交流電，分別與運(yùn)動(dòng)自發(fā)電節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)原理圖1中的電機(jī)27、再生風(fēng)機(jī)36、送風(fēng)機(jī)210及輔助電加熱器33相連。

運(yùn)動(dòng)自發(fā)電系統(tǒng)的工作過(guò)程為：通過(guò)人騎動(dòng)感單車所產(chǎn)生的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電裝置進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電，后經(jīng)整流器整流后，存貯于蓄電池，蓄電池將一部分直流電通過(guò)接口16提供給半導(dǎo)體制冷片；通過(guò)接口17連接逆變器將蓄電池另一部分直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)、送風(fēng)機(jī)、輔助電加熱器、再生風(fēng)機(jī)提供電能。其工作原理如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)自發(fā)電系統(tǒng)原理圖

3 蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)

圖3 蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)是運(yùn)動(dòng)自發(fā)電節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行熱濕處理的核心，通過(guò)它可以將送入房間的新鮮空氣進(jìn)行降溫、除濕及凈化處理[6-8]，以滿足健身人員對(duì)空氣品質(zhì)的要求。本裝置是由新風(fēng)引入口21、空氣過(guò)濾器22、文丘里管23、喉部吸管24、填料25、轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)26、電機(jī)27、半導(dǎo)體制冷片冷端28、擋水板29、送風(fēng)機(jī)210、出風(fēng)口211組成，如圖3所示。

蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)處理過(guò)程為：動(dòng)感單車房需要處理的室外空氣（干球溫度為30.7℃，相對(duì)濕度為70.8%）在送風(fēng)機(jī)210的作用下，經(jīng)新風(fēng)引入口21進(jìn)入過(guò)濾器22，新風(fēng)被凈化。凈化后的新風(fēng)進(jìn)入文丘里管23形成高速氣流（風(fēng)速為8.64m/s），在送風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用下，高速氣流在文丘里管23的喉部吸管利用引射原理將儲(chǔ)水池中的水吸入風(fēng)道中，從而在風(fēng)管內(nèi)實(shí)現(xiàn)新風(fēng)與水充分混合和熱濕交換，混合后的新風(fēng)流過(guò)設(shè)置在管道中的Glasdek填料25處進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻與凈化，處理后的低溫高濕的空氣（溫度為25.8℃，相對(duì)濕度為94.6%）通過(guò)轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)26進(jìn)行升溫除濕（溫度為34.6℃，相對(duì)濕度為52.3%），再進(jìn)入半導(dǎo)體制冷片28的冷空間進(jìn)行等濕降溫（溫度為21.4℃，相對(duì)濕度為52.3%），后經(jīng)擋水板29分離出空氣中攜帶的小水滴，最后低溫干燥（溫度為21.4℃，相對(duì)濕度為50.1%）的新風(fēng)經(jīng)送風(fēng)機(jī)210通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入健身房中。

4 轉(zhuǎn)輪除濕再生系統(tǒng)

本空調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪除濕再生系統(tǒng)是由室內(nèi)回風(fēng)口31、回風(fēng)預(yù)熱區(qū)32、輔助電加熱器33、分隔34、再生風(fēng)機(jī)36和排風(fēng)口37組成，如圖3所示。其中回風(fēng)預(yù)熱區(qū)設(shè)置在半導(dǎo)體制冷片的熱端上部，而分隔板的底部設(shè)置有位于轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)頂部的轉(zhuǎn)輪再生區(qū)；轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)分為轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)26和轉(zhuǎn)輪再生區(qū)35兩部分。蒸發(fā)冷卻后的新風(fēng)經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕區(qū)26除濕后在電機(jī)27作用下移動(dòng)到轉(zhuǎn)輪再生區(qū)35，同時(shí)再生空氣先通過(guò)回風(fēng)預(yù)熱區(qū)32加熱，再通過(guò)輔助電加熱器33進(jìn)一步加熱，從而產(chǎn)生溫度較高的再生空氣。其中分隔板34的作用是確保經(jīng)加熱后的再生空氣全部進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)35，并使轉(zhuǎn)輪再生區(qū)35的大部分水分被驅(qū)除獲得再生，再在電機(jī)27作用下移動(dòng)到除濕區(qū)26，從而使得再生與除濕持續(xù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)除濕過(guò)程。

轉(zhuǎn)輪除濕再生系統(tǒng)的具體工作過(guò)程為：室內(nèi)回風(fēng)從室內(nèi)回風(fēng)口31進(jìn)入回風(fēng)預(yù)熱區(qū)32，經(jīng)半導(dǎo)體制冷片28的熱端對(duì)回風(fēng)進(jìn)行加熱，再經(jīng)過(guò)輔助電加熱器33進(jìn)行輔助加熱，在分隔板34的作用下使回風(fēng)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)35，使轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)26獲得持續(xù)除濕能力，釋放熱量后的回風(fēng)再在再生風(fēng)機(jī)36的作用下經(jīng)排風(fēng)口37排出室外。

5 蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)

該運(yùn)動(dòng)自發(fā)電節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)是由儲(chǔ)水池41、回水管42、補(bǔ)水管43、浮球閥補(bǔ)水裝置48、泄水管46、溢水管47、文丘管里管的喉部吸管24組成，如圖4所示：其中儲(chǔ)水池41是蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的主體。蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)的具體工作過(guò)程為：當(dāng)浮球閥補(bǔ)水裝置48檢測(cè)到儲(chǔ)水池41內(nèi)的水位低于預(yù)設(shè)水位值時(shí)，通過(guò)補(bǔ)水管43提供水進(jìn)入儲(chǔ)水池41，并通過(guò)喉部吸管24供給蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)，蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)的填料25處產(chǎn)生的水進(jìn)入第一接水盤212內(nèi)，并通過(guò)第一回水管214進(jìn)入回水輸送管42，再進(jìn)入儲(chǔ)水池41；蒸發(fā)冷卻無(wú)泵降溫凈化系統(tǒng)的擋水板29處產(chǎn)生的水進(jìn)入第二接水盤213內(nèi)，并通過(guò)第二回水管215進(jìn)入回水輸送管42，再進(jìn)入儲(chǔ)水池41；當(dāng)儲(chǔ)水池41內(nèi)的水位高于預(yù)設(shè)水位值時(shí)，通過(guò)溢水管47溢出，當(dāng)儲(chǔ)水池41內(nèi)的水不需要時(shí)，通過(guò)泄水管45排除。

圖4 蒸發(fā)冷卻自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)論

綜上所述，運(yùn)動(dòng)自發(fā)電健身房節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)可以很好滿足健身房降溫除濕及對(duì)新風(fēng)量的要求，該系統(tǒng)不但降溫除濕能力強(qiáng)，而且充分利用人騎動(dòng)感單車時(shí)的動(dòng)能資源，并且采用全新風(fēng)蒸發(fā)冷卻凈化降溫技術(shù)及文丘管里管的引射原理進(jìn)行無(wú)泵供水，達(dá)到了節(jié)能、舒適和環(huán)保的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，健身人流量越大，自動(dòng)發(fā)電量就越多，節(jié)能效果越明顯；健身房中新風(fēng)需求量越大，降溫除濕效果越明顯，空氣品質(zhì)就越好。本系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）系統(tǒng)巧妙利用人騎動(dòng)感單車的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，解決了空調(diào)系統(tǒng)耗電量大的問(wèn)題；

（2）本系統(tǒng)所用的蒸發(fā)冷卻供水系統(tǒng)利用文丘里管的引射原理吸水，無(wú)泵消耗，節(jié)省成本，系統(tǒng)運(yùn)行能耗降低；

（3）本系統(tǒng)設(shè)有除濕量大的轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)，解決了蒸發(fā)冷卻技術(shù)除濕難題，因此具有舒適性高的優(yōu)點(diǎn)；

（4）本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體制冷片，其冷端用于轉(zhuǎn)輪除濕后的降溫，其熱端可對(duì)回風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)進(jìn)行再生；

（5）本空調(diào)系統(tǒng)采用直送直排的全新風(fēng)系統(tǒng)，可有效降低健身房中的CO2濃度，保證室內(nèi)空氣健康、溫和、舒適；

（6）本系統(tǒng)無(wú)需制冷劑、操作方便、維修簡(jiǎn)單，具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

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Research on an Energy-saving Air conditioning system for Motion self-Power Generation

Du Fangli Zhong Ping Xie Chenchen Yang Jie Wu Shuyi

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

With the improvement of people's living standards, The movement is an indispensable part of life, Fitness has gradually become a fashion, The comfort and health of the body-building environment are more and more popular with the people. In this paper, the kinetic energy generated by human motion is used to generate self-power, which is used for the dynamic drive of air conditioning system. and the injection principle of Venturi tube is used for evaporating and cooling the whole fresh air air-conditioning system, This scheme greatly reduces the operation energy consumption of air conditioning system, at the same time, the fresh air is fully utilized to effectively reduce the CO2concentration, and the air quality in the gym is effectively improved.

Sports power generation; evaporative cooling; air conditioning equipment; energy conservation; New wind system

G710

A

1671-6612（2020）03-340-04

西安航空學(xué)院校級(jí)科研基金（2019KY1223）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（20191736002）

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

2019-08-01