孫鐵柱 黃 翔 賀紅霞 常 江 舒 揚

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一種公交站用太陽能降溫濕簾的設(shè)計方案

孫鐵柱1,2黃 翔1賀紅霞1常 江1舒 揚3

（1.西安工程大學(xué) 西安 710048；2.西安交通大學(xué) 西安 710049；3.西安地鐵運營分公司 西安 710016）

為了改善公交站臺開放式空間的舒適度，并且有效利用炎炎夏日的太陽能，研究提出一種在公交站臺用降溫裝置方案，并以西安為例對降溫裝置進行了設(shè)計計算，分別計算了填料厚度、林水量、水箱大小以及太陽能板大小。

公交站；濕簾；設(shè)計計算；填料

0 引言

隨著時代的進步,人類歷史的發(fā)展不斷地把自身物質(zhì)文明與精神文明推向一個又一個新的階段,在現(xiàn)代社會中的人們對城市生活方式、城市形態(tài)和城市空間有了越來越高的要求。炎炎夏日人們也逐漸開始對公共場所的溫濕度有了較高要求。比如有些公園、景點等在人員流動密集地方裝了高壓噴霧系統(tǒng)改善局部溫濕度，提高人員舒適度。

最近幾年許多城市夏季高溫持續(xù)不斷，許多市民不得不冒著酷暑去乘公交車，而有些市民因酷熱天氣不愿乘公交車轉(zhuǎn)而開私家車出門，不僅造成交通擁堵而且能源浪費嚴重。所以本文研究提出一種在公交站臺用降溫裝置方案，以人性化的服務(wù)來改善市民出行舒適度。本研究將風(fēng)機濕簾裝置設(shè)置于公交站臺，運用太陽能集熱板供電，雨水收集器加綠化帶澆水系統(tǒng)供蒸發(fā)冷卻用水，可以有效的提高人員舒適度，還具有過濾凈化空氣的作用，以改善公交站臺開放式空間的舒適度。

1 基本方案設(shè)計

1.1 風(fēng)機濕簾工作原理

有部分南方城市在公交站臺采用過高壓噴霧方式降溫，這個方式主要是水不能循環(huán)，耗水量較大，而且噴頭對水質(zhì)要求較高。本方案采用直接蒸發(fā)冷卻技術(shù)中的滴淋式-填料降溫方式，將水滴淋在填料上與空氣冷卻降溫后再送到人員活動區(qū)。其原理如圖1所示。

圖1 直接蒸發(fā)冷卻原理示意圖

1—填料；2—供水管；3—循環(huán)水泵；4—步水系統(tǒng)；5—補水管；6—排水管；7—浮球；8—溢流管

1.2 整體系統(tǒng)方案設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)工作原理

（a）側(cè)視圖

（b）正視圖

圖2 西安某公交站臺

Fig.2 A bus stop in Xi 'an

以西安某公交站為例，如圖2所示。公交站臺用風(fēng)機濕簾裝置系統(tǒng)布置如圖3所示，由風(fēng)機濕簾供水裝置供給直接蒸發(fā)用循環(huán)水，經(jīng)布水系統(tǒng)噴淋到填料與空氣熱濕交換降溫，然后經(jīng)過風(fēng)機送到人員候車區(qū)。淋入填料下部水槽的水經(jīng)回水管流入雨水收集裝置進行過濾后供給供水箱使用，這樣可以對循環(huán)水不斷過濾，以保證循環(huán)水的質(zhì)量。

圖3 公交站臺用風(fēng)機濕簾裝置布置示意圖

1—公交站臺；2—風(fēng)機濕簾裝置；3—布水系統(tǒng)；4—風(fēng)機濕簾用填料；5—軸流式風(fēng)機；6—匯流管；7—排水管；8—供水管；9—城市給水管網(wǎng)接口；10—雨水收集裝置；11—風(fēng)機濕簾供水裝置；12—水泵

1.2.2 公交站臺風(fēng)機濕簾的放置位置

（a）正視圖

（b）左視圖

（c）俯視圖

公交站臺的尺寸如圖4所示。根據(jù)公交站臺廣告牌上部支柱的位置，設(shè)計風(fēng)機濕簾的位置如圖4（c）俯視圖，支柱間距離為1.2m，進風(fēng)口與送風(fēng)口長度分別為1m和1.5m，等腰梯形的中線是1.25m，所以風(fēng)機濕簾中線的位置要靠前于廣告牌中間支柱0.05m。根據(jù)公交站臺廣告牌上部到頂棚的距離0.4m，我們設(shè)計風(fēng)機濕簾高300mm。這樣的設(shè)計在不影響公交站臺本身結(jié)構(gòu)的同時可以達到很好的送風(fēng)效果。

圖5 風(fēng)機濕簾立體圖

風(fēng)機濕簾送風(fēng)口采用單層百葉送風(fēng)，如圖5所示，通過改變豎相的俯角來調(diào)節(jié)吹風(fēng)感，達到舒適的效果。

2 設(shè)備設(shè)計計算

2.1 風(fēng)機濕簾風(fēng)量計算

2.1.1 確定夏季室外計算參數(shù)

以西安為例，選取夏季通風(fēng)室外計算干球溫度30.7℃，夏季通風(fēng)室外計算相對濕度54%。

2.1.2 風(fēng)機濕簾熱工性能

根據(jù)《蒸發(fā)冷卻通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與安裝》[7]規(guī)定，局部送風(fēng)降溫時，人員工作崗位空氣計算參數(shù)如表1所示。

表1 人員工作崗位空氣計算參數(shù)

這種降溫濕簾在西安地區(qū)交警崗?fù)ぷ鲞^測試，在測試條件下，直接蒸發(fā)冷卻的出風(fēng)溫度一般在23～25℃，相對濕度在90%～95%[1-4,9-12]。

送風(fēng)射流情況，選擇固定矩形百葉符合本設(shè)計的送風(fēng)形式，擴散角21°選取紊流系數(shù)=0.1129[2]。

2.1.3 送風(fēng)量的計算

根據(jù)崗位送風(fēng)量公式（1）[7]計算出不同設(shè)計溫度要求下的送風(fēng)量。

式中：為崗位送風(fēng)量，m3/h；為工作崗位風(fēng)速，m/s；為進風(fēng)口紊流系數(shù)；為進風(fēng)口與崗位距離，m；Δ0為出風(fēng)口溫度與周圍空氣溫度之差，℃；Δ為工作崗位設(shè)計溫度與周圍空氣溫度之差，℃。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究分析，崗位設(shè)計溫度與崗位設(shè)計風(fēng)速關(guān)系如表2所示。

表2 崗位設(shè)計溫度與崗位設(shè)計關(guān)系

風(fēng)口具體參數(shù)見表3。

表3 風(fēng)量計算具體設(shè)計參數(shù)

表4 崗位送風(fēng)風(fēng)量值

根據(jù)公式求得崗位送風(fēng)量如表4所示。公交站臺是全開放空間，采用局部送風(fēng)，空氣擾流較為明顯，崗位額定風(fēng)量取最大值為3325.8m3/h。

送風(fēng)口、進風(fēng)口面積計算：

=（2）

式中：為額定風(fēng)量，m3/s；為風(fēng)口面積，m2；為風(fēng)口速度，m/s。

對填料冷卻效率和公交站臺實際尺寸綜合考慮，填料的迎面設(shè)計風(fēng)速取3m/s，可以得到所需填料面積為0.3m2，所以設(shè)計的進風(fēng)口尺寸為1000mm×300mm。計算結(jié)果如表5所示。

表5 送風(fēng)口面積

填料厚度計算：

進風(fēng)干球溫度為30.7℃，出風(fēng)干球溫度為25℃，迎面風(fēng)速為3m/s。直接蒸發(fā)冷卻填料效率取80%，填料比表面積取440m2/m3，根據(jù)公式（3）計算可知填料厚度為45mm。

2.2 風(fēng)機濕簾用水量計算

目前直接蒸發(fā)冷卻器的耗水量的計算是按照冷卻塔的水耗損失進行類比計算，由理論可知直接蒸發(fā)冷卻耗水量由蒸發(fā)水損失、吹風(fēng)損失和排污損失三部分組成，其中蒸發(fā)水損失占據(jù)整個耗水量的一大部分。

計算直接蒸發(fā)冷卻的耗水量的方法主要有兩種：

根據(jù)公式（4）中空氣的參數(shù)為依據(jù)計算耗水量，公式中所涉及的參數(shù)整理如表6所示，將表中數(shù)據(jù)代入公式（4）進行計算。

=（1－2） （4）

式中：為耗水量，kg/h；為降溫濕簾的進風(fēng)量，kg/h；1為進口空氣含濕量，g/kg；2為出口空氣含濕量，g/kg；

常溫常壓下，空氣的密度為1.29kg/m3。忽略空氣實際壓力與標準大氣壓的差，則：立方米每小時=1.29千克每小時，3325.8m3/h=4290.3kg/h。

風(fēng)機濕簾的耗水量如表6所示。

表6 風(fēng)機濕簾的耗水量

經(jīng)計算，風(fēng)機濕簾耗水量為6.0kg/h，設(shè)計運行時間從上午11:00—17:00共6個小時，總耗水量36kg，水箱容積0.036m3，先假定水箱尺寸500mm×270mm×270mm。

水箱除去用水體積還要算水泵的占用空間，為符合公交站臺設(shè)計，地面到廣告牌的距離是600mm，所以水箱高度定為600mm，最終體積為500mm×270mm×600mm。

2.3 雨水收集器設(shè)計計算

2.3.1 尺寸計算

雨水收集器收集頂棚上方的雨水，在頂棚邊緣接水槽通過匯流管道接到地面的蓄水箱。匯流管和循環(huán)回水用三通相連，在沒有雨水收集的情況下只有回水進入蓄水箱。蓄水箱體積與供水箱體積相等，為500mm×270mm×600mm，蓄水箱中包括有棄流過濾裝置和浮球閥，可以將收集的雨水和噴淋過的循環(huán)回水進行過濾后送入供水箱，再次噴淋，供水箱上部放置水泵，下部是水箱箱體，由水箱箱體連接的供水管通到填料上部的布水系統(tǒng)進行噴淋。

水箱盛水量計算：

=0.5×0.27×0.6=0.081m3（5）

經(jīng)計算：蓄水箱中的水加上供水箱中的水可以提供風(fēng)機濕簾三天的用水量，減輕人為加水的負擔。

以西安為例，夏季6—9月份降雨量如表7所示。

表7 夏季6—9月份降雨量降雨天數(shù)

由表7可以看出，西安市夏季每月降水天數(shù)在10天左右，假設(shè)不會連續(xù)降雨的話水箱的水量則不需要人為補水。

2.3.2 補水措施

如果雨水收集器不能滿足用水時，需要補水也可以有很多措施：（1）隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，目前公交站臺附近都有綠化帶，且綠化帶建設(shè)趨于完善，花草的澆灌都是用自動噴水灌溉，所用水便是由城市給水管網(wǎng)提供，則公交站臺的用水也可以利用城市給水管網(wǎng)；（2）西安夏天炎熱，灑水車幾乎每天都會灑水降溫，可以通過灑水車進行補水。

2.4 太陽能電池板設(shè)計計算

太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組成。如果輸入電壓為交流電則需要配置逆變器，本設(shè)計采用直流電，不配置逆變器。

西安市地處34.3°N、海拔397.5m、常年大氣壓約97029Pa，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，太陽能資源屬于第三區(qū)，一年中在5～8月份太陽輻射量較強，峰值日照時數(shù)為3.59h[5-9]；在6—8月份干濕球溫差較大，干空氣能富足。得出太陽能與干空氣能富集重合在6—8月份，也正值用電高峰季節(jié)。功率總計為0.2kW，蒸發(fā)冷卻空調(diào)功率為150W。

根據(jù)負載功率200W，輸入電壓24V，連續(xù)工作2個工作日，每天工作6小時，平均光照時數(shù)按5小時算，依據(jù)公式（6）可以得出太陽能電池板和蓄電池的配置瓦數(shù)。

太陽能板功率=負載功率*工作時間/損耗0.6/平均有效光照

200×6÷0.6÷5=400W （6）

蓄電池容量=負載功率*工作時間*連續(xù)陰雨天/電池電壓/充放電系數(shù)

蓄電池需要每天保持在20%以內(nèi)的放電量。

200×6×2÷24÷0.2=500Ah （7）

通過對太陽能電池板的查閱，選擇2個200W/12V的太陽能電池板并聯(lián)。蓄電池選擇12V，500Ah。

3 結(jié)論

（1）本裝置公交站臺用風(fēng)機濕簾通過獨特的設(shè)計，在不改變原有公交站臺本身結(jié)構(gòu)的同時滿足對周圍空氣的降溫凈化，從而達到滿足市民舒適性要求。本裝置利用蒸發(fā)冷卻技術(shù)不對大氣造成污染，充分利用太陽能資源，節(jié)能環(huán)保。公交站臺的人性化是城市化建設(shè)的必然要求，而蒸發(fā)冷卻技術(shù)又是低碳環(huán)保的首選，所以本裝置的可行性極高。

（2）以西安為例對本設(shè)計方案進行了設(shè)計計算，為方案設(shè)計提供一定的設(shè)計理論基礎(chǔ)。

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The Design Scheme for a Evaporative Cooling Pad for a Bus Station

Sun Tiezhu1,2Huang Xiang1He Hongxia1Chang Jiang1Shu Yang3

( 1.Xi’an University of Polytechnic, Xi’an, 710048; 2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049;3.Xi 'an Metro operations branch, Xi’an, 710016 )

In order to improve the comfort of bus station open space and effective use of solar sorching summer, the Evaporative Cooling Pad for a Bus Station is proposed in the paper, the design and calculation of a case in Xi'an is done. The thickness of packing, lin water, the size of the tank, and solar panel size is respectively calculated.

bus station; wetted pad; design calculation; filler

TH137.8；TU831.4

A

孫鐵柱（1986-），男，在職博士，講師，Email：suntiezhu66@163.com

2017-11-06

1671-6612（2018）05-515-05