衛(wèi)晨 黃翔 孫哲 范坤

西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

0 引言

玻璃制造業(yè)車間的內(nèi)熱源主要由工藝生產(chǎn)工程中熔制池窯、退火爐等輻射熱源構(gòu)成，附近工作區(qū)人員的輻射得熱非常大[1]。為改善工作人員的勞動(dòng)環(huán)境，必須采取有效的降溫和通風(fēng)措施。以往，在高溫車間多采用開天窗、加排氣風(fēng)帽等自然通風(fēng)或者設(shè)置排風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行通風(fēng)換氣。這些措施雖然能滿足通風(fēng)要求，但是降溫效果卻不理想，尤其是在散熱源附近的工作區(qū)，采用通風(fēng)措施很難滿足對(duì)工作人員周圍環(huán)境溫度的要求。對(duì)于像玻璃制造車間這類含有輻射熱源的場(chǎng)合，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有十分明顯的效果[2]。

1 蒸發(fā)冷卻技術(shù)原理介紹及其優(yōu)勢(shì)

1.1 直接蒸發(fā)冷卻（DEC）

直接蒸發(fā)冷卻是利用淋水填料層（噴水室噴水、冷卻塔噴水或其它絕熱加濕設(shè)備）直接與待處理的空氣接觸來(lái)冷卻空氣的。這時(shí)由于水的蒸發(fā)，空氣將會(huì)因不斷地把自身的顯熱傳遞給水而得以降溫，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，空氣既得以降溫，又實(shí)現(xiàn)了含濕量的增加，這是一個(gè)絕熱、降溫、加濕過(guò)程[3]。直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程在焓濕圖上如圖1所示。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程

1.2 間接蒸發(fā)冷卻（IEC）

間接蒸發(fā)冷卻是利用一股輔助氣流（二次空氣）先經(jīng)噴淋水（循環(huán)水）直接蒸發(fā)冷卻，溫度降低后，再通過(guò)空氣—空氣換熱器來(lái)冷卻待處理空氣（一次空氣），并使之溫度降低。由此可見，待處理空氣通過(guò)間接蒸發(fā)冷卻所實(shí)現(xiàn)的便不再是等焓降溫過(guò)程，而是等濕降溫過(guò)程，從而避免由于加濕而把過(guò)多濕量帶入室內(nèi)[3]。間接蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)既可設(shè)計(jì)為一級(jí)的，也可設(shè)置為多級(jí)的使得降溫幅度加大。間接蒸發(fā)冷卻過(guò)程在焓濕圖上如圖2所示。

圖2 間接蒸發(fā)冷卻過(guò)程

1.3 蒸發(fā)式冷氣機(jī)

蒸發(fā)式冷氣機(jī)就是采用蒸發(fā)冷卻原理，采用全空氣運(yùn)行方式，用循環(huán)水泵不間斷地把水箱內(nèi)的水抽出，并通過(guò)布水系統(tǒng)均勻地噴淋在填料層上，室外空氣經(jīng)過(guò)填料層被等焓降溫，再由送風(fēng)機(jī)將被處理過(guò)的空氣強(qiáng)制送入室內(nèi)，室內(nèi)污濁的熱空氣通過(guò)敞開的門窗或者由機(jī)械排風(fēng)方式排出室外，如圖3所示[4]。蒸發(fā)式冷氣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊且可做成上出風(fēng)、側(cè)出風(fēng)、下出風(fēng)等多種形式。

圖3 蒸發(fā)式冷氣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

與傳統(tǒng)的機(jī)械制冷空調(diào)相比較，蒸發(fā)式冷氣機(jī)具有通風(fēng)換氣、加濕、降溫、凈化、除味于一體的功效；能徹底地改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，將室外新鮮的空氣送入室內(nèi)，保持室內(nèi)空氣的含氧量與污染物濃度；并且具有投資運(yùn)行費(fèi)用、降溫效果明顯、安裝維護(hù)方便快捷；除此之外蒸發(fā)冷卻空調(diào)在處理空氣的過(guò)程中，直接使用水作為制冷劑，而不是CFCs，因此對(duì)大氣環(huán)境無(wú)污染，特別環(huán)?！，F(xiàn)如今有關(guān)的蒸發(fā)型冷氣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布[5]。

2 蒸發(fā)冷卻在玻璃制造車間的應(yīng)用案例及效果分析

2.1 工程概況

西安某玻璃制品有限公司，生產(chǎn)車間面積30m×70m，熔制、成形和退火工藝工程主要集中在車間中間區(qū)域進(jìn)行，車間內(nèi)工作人員活動(dòng)范圍也主要集中在車間中部，見圖4。

圖4 生產(chǎn)車間空調(diào)系統(tǒng)平面圖

由于在玻璃生產(chǎn)過(guò)程中，熔窯的溫度可達(dá)到1300～1600℃，而成形和退火工序也需要在較高的溫度下完成，所以在這附近的工人輻射得熱特別大，工作環(huán)境溫度在夏天可高達(dá)45℃以上，十分惡劣。工人在這樣的環(huán)境下工作經(jīng)常產(chǎn)生胸悶、乏力、精神疲憊等不良反應(yīng)，體內(nèi)溫度全靠汗液來(lái)調(diào)節(jié)，消耗體內(nèi)大量的水分和鹽分，心臟負(fù)擔(dān)增加，容易發(fā)生脫水和中暑現(xiàn)象，嚴(yán)重影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。該企業(yè)曾采取自然通風(fēng)和機(jī)械排風(fēng)等多種方法，均不能取得良好的效果。對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械制冷空調(diào)，由于初投資和運(yùn)行費(fèi)用均過(guò)于龐大，在此車間內(nèi)也無(wú)法得到有效地運(yùn)用。

2.2 應(yīng)用蒸發(fā)式冷氣機(jī)的可行性分析

由于夏季車間內(nèi)工作環(huán)境炎熱且衛(wèi)生條件差，采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)全新風(fēng)運(yùn)行，可有效地將室外新鮮空氣進(jìn)行降溫后送入室內(nèi)，從而使工人的工作環(huán)境空氣涼爽、衛(wèi)生、潔凈。

查閱《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析氣象數(shù)據(jù)集》可得西安的氣象資料：夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度tw=35.1℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度ts=25.8℃。

根據(jù)西安市氣象條件，蒸發(fā)式冷氣機(jī)按85%的直接蒸發(fā)冷卻效率計(jì)算，夏季出風(fēng)口溫降（冷氣機(jī)進(jìn)出口溫差）：△t=(tw-ts)×η=(35.1-25.8)×85%=7.9℃。則出風(fēng)口溫度約為t2=27.2℃。以上的溫降幅度和出風(fēng)溫度均可以滿足車間的生產(chǎn)工作要求[6～7]。

2.3 空調(diào)方案的確定

選用某公司生產(chǎn)的蒸發(fā)式冷氣機(jī)2臺(tái)，每臺(tái)送風(fēng)量約為30000m3/h，總送風(fēng)量約為60000m3/h。

該系統(tǒng)采用側(cè)送風(fēng)方式在車間相對(duì)的兩面長(zhǎng)墻上開孔各設(shè)置一臺(tái)蒸發(fā)式冷氣機(jī)，冷氣機(jī)選取上出風(fēng)式接送風(fēng)彎管進(jìn)入車間，風(fēng)管標(biāo)高3m。由于該車間內(nèi)熱源和人員工作區(qū)域相對(duì)比較接近、集中，所以采用工位送風(fēng)的方式將被處理的新風(fēng)送到工作人員頭頂向下吹出，以便達(dá)到更好的降溫效果。具體施工過(guò)程中根據(jù)生產(chǎn)工藝和工作區(qū)實(shí)際需要開設(shè)送風(fēng)口的位置，送風(fēng)口標(biāo)高2～2.3m。如圖5所示。

圖5 工作區(qū)送風(fēng)口示意圖

車間的排風(fēng)通過(guò)敞開的門窗借助冷氣機(jī)送風(fēng)產(chǎn)生的車間內(nèi)正壓實(shí)現(xiàn)，有效地將車間內(nèi)渾濁空氣排出，同時(shí)省去了設(shè)置排風(fēng)機(jī)的投資和運(yùn)行費(fèi)用。

2.4 蒸發(fā)式冷氣機(jī)運(yùn)行后的實(shí)測(cè)資料和分析

在2012年6月下旬一天中午對(duì)該車間進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。測(cè)試儀器：testo480多功能測(cè)量?jī)x一臺(tái)，溫度測(cè)量范圍-20～70℃，精度±0.5℃；風(fēng)速測(cè)量范圍0～+20m/s，精度±（0.03m/s+4%測(cè)量值）；相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100%RH，精度±（1.8%RH+0.7%測(cè)量值）。

圖6 被污染后的填料實(shí)物

現(xiàn)場(chǎng)為兩臺(tái)30000m3/h風(fēng)量上送風(fēng)的蒸發(fā)式冷氣機(jī)，風(fēng)管沿工作區(qū)的工作道布置進(jìn)行局部工位送風(fēng)。在測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)車間周圍的空氣含粉塵較多，很容易使填料污染、結(jié)垢、堵塞，影響冷氣機(jī)的運(yùn)行效果（圖6）。為此該企業(yè)在蒸發(fā)式冷氣機(jī)四周的進(jìn)風(fēng)面上加裝了一層過(guò)濾網(wǎng)來(lái)減輕粉塵對(duì)冷氣機(jī)中填料的污染，即使如此填料的平均使用壽命仍在一年左右，需要每年就更換一次填料，所花費(fèi)用較高。筆者認(rèn)為，在類似周圍環(huán)境粉塵含量較高的工業(yè)場(chǎng)合使用蒸發(fā)式冷氣機(jī)，可對(duì)其中的填料進(jìn)行分層，采用兩層填料布置，上游區(qū)的填料較薄，下游區(qū)的填料較厚。這樣大多數(shù)粉塵在上游區(qū)填料就被吸附攔截下來(lái)，對(duì)下游區(qū)的填料起到保護(hù)的作用，而且每次只需更換上游區(qū)被污染嚴(yán)重的填料即可，節(jié)省更換填料的費(fèi)用。

測(cè)試時(shí)，當(dāng)天室外的氣象參數(shù)：tg=34℃，φ=33.8%，測(cè)試具體數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 玻璃生產(chǎn)車間六月某天測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)圖7可以看出，使用蒸發(fā)式冷氣機(jī)對(duì)工作區(qū)進(jìn)行工位送風(fēng)，送風(fēng)溫度在27℃左右，可維持工作區(qū)的平均溫度在31℃左右。隨著中午室外溫度的升高，工作區(qū)仍然能保持較低的溫度，降溫效果明顯。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，送風(fēng)口的風(fēng)速在5～6m/s之間，送達(dá)接觸人體時(shí)風(fēng)速約在4m/s左右，在較高的迎面風(fēng)速條件下，雖然工作區(qū)溫度高于30℃，但依然不會(huì)使工作人員感到難受[8]，滿足相關(guān)規(guī)范的工業(yè)車間人體熱舒適性要求。測(cè)試得車間內(nèi)工作區(qū)相對(duì)濕度為48.6%，對(duì)于玻璃生產(chǎn)車間這種高溫場(chǎng)所，空氣相對(duì)濕度較低，非常干燥，采用蒸發(fā)式冷氣機(jī)工位送風(fēng)可對(duì)工作區(qū)起到加濕作用，滿足人體熱舒適對(duì)相對(duì)濕度的要求。

另一方面，由于采用全新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行，不斷地送入室外新風(fēng)，能有效地排除工作區(qū)被污染的渾濁空氣，使得車間空氣質(zhì)量良好，工人工作的舒適性、積極性顯著提高，企業(yè)的生產(chǎn)效率也隨之得以提升。

此系統(tǒng)運(yùn)行模式也可靈活多變的調(diào)節(jié)：春秋季可作為通風(fēng)系統(tǒng)（關(guān)閉相關(guān)供水系統(tǒng)），對(duì)車間內(nèi)進(jìn)行換氣；冬季時(shí)由于車間內(nèi)含有輻射熱源，此系統(tǒng)可作為加濕通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)車間進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訚瘢３质覂?nèi)人員良好的舒適性。

3 結(jié)論

通過(guò)相關(guān)的測(cè)試與分析得知，對(duì)于此高溫生產(chǎn)車間，由于輻射熱很大，僅運(yùn)用自然通風(fēng)達(dá)不到對(duì)工作區(qū)域的降溫要求，滿足不了其中人員的舒適性和健康要求。在這種情況下應(yīng)用蒸發(fā)冷卻技術(shù)結(jié)合工位送風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)[9]具有以下的優(yōu)勢(shì)與效果。

1）初投資少，運(yùn)行費(fèi)用低。與傳統(tǒng)空調(diào)相比，蒸發(fā)式冷氣機(jī)制冷設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的輔助設(shè)施和管路系統(tǒng)，而且由于采用工位送風(fēng)，只需對(duì)工作區(qū)的空氣進(jìn)行處理，其設(shè)備身價(jià)和安裝費(fèi)約為傳統(tǒng)空調(diào)的1/3，運(yùn)行耗電量約為傳統(tǒng)空調(diào)的1/8，節(jié)能效果十分出眾。

2）空氣品質(zhì)高。由于采用全新風(fēng)運(yùn)行方式，能有效地降級(jí)車間污染物濃度，保證車間人員的衛(wèi)生健康狀態(tài)。

3）利于環(huán)保。由于蒸發(fā)冷卻利用水的相變潛熱來(lái)制冷，沒(méi)有使用CFCs，因此對(duì)大氣環(huán)境沒(méi)有任何破壞與污染。

此外，本研究并非僅針對(duì)非潮濕地區(qū)玻璃生產(chǎn)車間，對(duì)于類似的含有大顯熱熱源，熱濕比較大的工業(yè)車間，采用蒸發(fā)冷卻空調(diào)技術(shù)都可達(dá)到良好的降溫通風(fēng)效果，把節(jié)能、環(huán)保諸多優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來(lái)[10]。

[1]王承遇.玻璃制造工藝[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

[2]檀志恒,強(qiáng)天偉,沈恒根.蒸發(fā)冷卻空調(diào)在工業(yè)廠房的應(yīng)用研究[J].制冷與空調(diào),2006,(2):63-66

[3]黃翔.空調(diào)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

[4]蒸發(fā)式冷氣機(jī)(GB/T 25860-2010)[S].2010

[5]汪超,黃翔,張明圣,等.《商業(yè)或工業(yè)用的蒸發(fā)型冷氣機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)制定的若干問(wèn)題探討[J].暖通空調(diào),2009,39(9):20-23

[6]工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GBZ1-2002)[S].2002

[7]工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸極限(GBZ2-2002)[S].2002

[8]田元媛,許為全.熱濕環(huán)境下人體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].暖通空調(diào),2003,27(2):27-30

[9]堯德華,黃翔,吳志湘.蒸發(fā)冷卻與工位-環(huán)境送風(fēng)相結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].制冷空調(diào)與電力機(jī)械,2009,127(30):69-71

[10]強(qiáng)天偉.通風(fēng)空調(diào)設(shè)備用蒸發(fā)冷卻節(jié)能技術(shù)的研究[D].上海:東華大學(xué),2006