蒸发式冷气机在西安某大空间汽车厂房的应用

雷梦娜，黄 翔，武以闯，王文博，褚俊杰

(西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

近年来厂房逐步趋向发展为大空间联合厂房,即多工种按生产流程从进料到成品在一个厂房完成,但在某些工艺过程中会产生大量的热与粉尘颗粒等污染物[1],如:玻璃铸造工艺、焊接工艺的操作等,由此针对这类厂房的空调系统多采用直流方式,现有研究主要集中在针对不同厂房空调系统选取依据分析[1],气流组织模拟[2]、各种空调技术应用效果[3],空调节能[4]、洁净厂房空调系统设计[5-6]等方面,而且由于蒸发冷却空调系统符合数据机房空调要求,做了很多应用与节能性改造方面的研究[7],但对蒸发冷却这种不要压缩机、节能环保的空调技术[8]在大空间联合厂房的实测研究较少．

本文通过对西安某大空间联合厂房应用蒸发式冷气机的降温效果进行实测与理论分析,论证蒸发冷却空调系统在大空间联合厂房的运行效果及存在问题,为直接蒸发冷却空调系统在大空间联合厂房应用的科学设计和有效运行提供依据.

1 测试概况

在西安某汽车公司的汽车空调生产厂房进行测试.该厂房位于陕西省西安市某工业园区内,占地29 980 m2,维护结构以轻钢为骨架,以夹芯板为围护材料,主要分为汽车管道加工区域、焊接区域,采用蒸发式冷气机共97台.其中型号为AW18-ZX31A 45台,AW18-ZS31A 6台,设计送风风量为18 000 m3/h.冷气机型号AZL22-ZX32A 22台,AZL22-ZS32A 24台,设计送风量为22 000 m3/h.车间风管布置如图1所示.

图2为测点布置图,从图2可以看出，在蒸发式冷气机每一个进风面均匀布置2个测点,共布置8个测点,在风管的末端风口布置1个测点,在垂直方向上距离地面1.5 m处布置4个测点,测试工作区气流温湿度变化规律.所有的温、湿度数据每隔1 min自动记录1组数据,每10 min读取1组数据.干球温度和相对湿度采用Testo174H型温湿度记录仪测量,温度传感器精度为±0.5 ℃,测量范围为-20～70 ℃,湿度传感器精度为±30%RH;气流速度采用转轮风速仪,测量范围为0.4～30 m/s,测量精度为±30%.

图 1 加工车间风管布置示意图 图 2 测点布置示意图 Fig.1 Layout of duct in the processing workshop Fig.2 Layout of the measuring point layout

2 结果与讨论

2.1 厂房降温效果

将蒸发式冷气机运行期间(12∶00～15∶30)的室外空气温度、送风口温度及厂房内工作区温度(同一时刻各测点的算数平均值)进行统计,即可得出室外空气状况及室内降温幅度(室内外温度差),厂房温降效果见表1．

表 1 厂房温降效果

2.2 厂房各工作区温度分布

厂房内汽车管道加工区和焊接区的蒸发式冷气机在运行工作时间内送风口和工作区温湿度测试结果如图3～4所示.

图 3 温湿度变化对比情况 图 4 温湿度变化对比情况 Fig.3 Comparison of temperature and humidity changes Fig.4 Comparison of temperature and humidity changes

图 5 温湿度变化对比情况Fig.5 Comparison of temperature and humidity changes

从图3可以看出，使用蒸发冷气机后,工作区域温度稳定保持在30 ℃左右,测试送风口风速在8.9～10.0 m/s左右.效果良好.从图4可以看出，焊接工作区平均温度保持在31 ℃左右,相对湿度保持在45%左右;焊接区是高显热场所,空气湿度较低,非常干燥[9],使用蒸发式冷气机不但降温,也为空气加湿且有较高的迎面风速,满足热舒适性要求.

汽车管道区与焊接工作区温湿度变化如图5所示,安装蒸发式冷气机后,焊接工作区的温度明显高出汽车管道生产工作区的温度2 ℃左右,相对湿度明显低于汽车管道生产工作区的湿度10%左右,因为焊接区属于高显热车间,焊接温度达到1 000 ℃以上,致使焊接区温度常年炎热干燥,因此焊接区的热负荷明显高于汽车管道车间,空气中水蒸汽蒸发的速度更快[10].蒸发式冷气机采用全新风运行模式,不断送入室外新风,将室内炎热污浊的空气排向室外,在降温的同时改善工作区域环境,提高了工人工作效率.

《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定[11]当工艺无特殊要求时,生产厂房夏季工作地点的温度可根据夏季通风室外计算温度及其工作地点的允许最大温差进行设计,西安地区夏季通风室外计算温度为30.7 ℃,由规范可知西安地区工业厂房的夏季工作地点的温度在32～35 ℃之间,测试结果显示该汽车生产车间使用蒸发式冷气机后工作温度在30 ℃左右,完全满足标准,因此在该大空间联合厂房内使用蒸发式冷气机是完全可以的.

2.3 蒸发式冷气机应用效果

2.3.1 蒸发冷却效率 根据蒸发冷却原理以及实际应用分析,干空气的饱和程度达不到100%饱和,即冷却器的冷却效率达不到100%,标准术语和定义中蒸发效率计算公式[12]:

ηDEC=(tgw-tgo)/(tgw-tsw)×100%

(1)

式中:tgw室外空气干球温度(℃);tgo蒸发式冷气机出风的干球温度(℃);tsw室外空气的湿球温度(℃).

图 6 蒸发式冷气机工作效率Fig.6 Evaporative air cooler efficiency

焊接区域蒸发式冷气机的进口干湿球温度和出口干球温度分别带入式(1),可计算出蒸发式冷气机效率如图6所示.

在蒸发式冷气机实际运行过程中空气和淋水填料表面无法实现完全换热,所以出风口的温度不能达到室外的湿球温度,即蒸发冷却效率达不到100%.从图6可看出蒸发式冷气机效率均在83%以上,焊接区域的蒸发效率为88%左右.《蒸发式冷气机》国家标准规定[13]蒸发式冷气机的蒸发效率不低于65%,实际上的蒸发效率一般在65%～90%左右,该厂房的冷气机完全满足规定.

2.3.2 PMV-PPD评价指标 根据室内热舒适性PMV-PPD指标计算公式[14-15],利用FORTRAN语言进行编程,在下列简化条件下,对该汽车生产车间两种不同条件下的PMV值和PPD值进行计算：

(1) 汽车生产车间工人一般从事的是中等强度的体力劳动,故新陈代谢率取120 W/m2[16];

(2) 车间内平均辐射温度与室内空气温度相差不大,取两者相等[16];

(3) 夏季时车间工人穿的是工作制服,上衣为短袖,下身穿薄长裤,服装热阻值取0.40 clo[17-18].

以车床工作区的温湿度为未使用蒸发式冷气机时室内环境参数,取干球温度35 ℃,相对湿度37%;以焊接工作区的温湿度为使用蒸发式冷气机的室内环境参数,取干球温度t=30 ℃,相对湿度为47%,带入FORTRAN软件内,PMV值和PPD值的计算结果汇总如下:

未使用任何降温设备的汽车生产车间:PMV=+3.06;PPD=99%；

使用蒸发式冷气机后的汽车生产车间:PMV=+1.53;PPD=53%.

对比两个计算结果,可知在使用蒸发式冷气机后预测平均反应(PMV)从热感状态改善到了微暖状态,不满意度从之前99%减少到53%,车间环境舒适度得到相应的改善.

2.3.3 经济性 蒸发式冷气机不用压缩机,相较于传统空调形式有很好的节能、环保效果,以此厂房为例对比分析不同空调形式的运行费用,其中室内冷负荷计算方法采用空调冷负荷估算法,选取装备工厂总冷负荷指标为252 W/m2[19],不同空调形式对比见表2.

表 2 不同空调形式对比

从表2可以看出，水冷螺杆系统装机功率331.5 kW,而蒸发式冷气机只有1.5 kW,按一年空调季90 d计算,电价按0.8 元/度,运行调节系数取0.8,计算可得使用蒸发式冷气机比使用冷水螺杆系统一年可节省电费约40 万元;初投资回收只需一个供冷季即3个月左右,经济性显著.

3 结束语

通过上述测试分析及经济性对比可以看出,蒸发式冷却机改善室内综合环境效果较好,适宜在大空间厂房中应用;经济性方面较传统空调具备明显的优势,有一定的市场应用前景.

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