一种公交站用太阳能降温湿帘的设计方案

孙铁柱 黄 翔 贺红霞 常 江 舒 扬



一种公交站用太阳能降温湿帘的设计方案

孙铁柱1,2黄 翔1贺红霞1常 江1舒 扬3

（1.西安工程大学 西安 710048；2.西安交通大学 西安 710049；3.西安地铁运营分公司 西安 710016）

为了改善公交站台开放式空间的舒适度，并且有效利用炎炎夏日的太阳能，研究提出一种在公交站台用降温装置方案，并以西安为例对降温装置进行了设计计算，分别计算了填料厚度、林水量、水箱大小以及太阳能板大小。

公交站；湿帘；设计计算；填料

0 引言

随着时代的进步,人类历史的发展不断地把自身物质文明与精神文明推向一个又一个新的阶段,在现代社会中的人们对城市生活方式、城市形态和城市空间有了越来越高的要求。炎炎夏日人们也逐渐开始对公共场所的温湿度有了较高要求。比如有些公园、景点等在人员流动密集地方装了高压喷雾系统改善局部温湿度，提高人员舒适度。

最近几年许多城市夏季高温持续不断，许多市民不得不冒着酷暑去乘公交车，而有些市民因酷热天气不愿乘公交车转而开私家车出门，不仅造成交通拥堵而且能源浪费严重。所以本文研究提出一种在公交站台用降温装置方案，以人性化的服务来改善市民出行舒适度。本研究将风机湿帘装置设置于公交站台，运用太阳能集热板供电，雨水收集器加绿化带浇水系统供蒸发冷却用水，可以有效的提高人员舒适度，还具有过滤净化空气的作用，以改善公交站台开放式空间的舒适度。

1 基本方案设计

1.1 风机湿帘工作原理

有部分南方城市在公交站台采用过高压喷雾方式降温，这个方式主要是水不能循环，耗水量较大，而且喷头对水质要求较高。本方案采用直接蒸发冷却技术中的滴淋式-填料降温方式，将水滴淋在填料上与空气冷却降温后再送到人员活动区。其原理如图1所示。

图1 直接蒸发冷却原理示意图

1—填料；2—供水管；3—循环水泵；4—步水系统；5—补水管；6—排水管；7—浮球；8—溢流管

1.2 整体系统方案设计

1.2.1 系统工作原理

（a）侧视图

（b）正视图

图2 西安某公交站台

Fig.2 A bus stop in Xi 'an

以西安某公交站为例，如图2所示。公交站台用风机湿帘装置系统布置如图3所示，由风机湿帘供水装置供给直接蒸发用循环水，经布水系统喷淋到填料与空气热湿交换降温，然后经过风机送到人员候车区。淋入填料下部水槽的水经回水管流入雨水收集装置进行过滤后供给供水箱使用，这样可以对循环水不断过滤，以保证循环水的质量。

图3 公交站台用风机湿帘装置布置示意图

1—公交站台；2—风机湿帘装置；3—布水系统；4—风机湿帘用填料；5—轴流式风机；6—汇流管；7—排水管；8—供水管；9—城市给水管网接口；10—雨水收集装置；11—风机湿帘供水装置；12—水泵

1.2.2 公交站台风机湿帘的放置位置

（a）正视图

（b）左视图

（c）俯视图

公交站台的尺寸如图4所示。根据公交站台广告牌上部支柱的位置，设计风机湿帘的位置如图4（c）俯视图，支柱间距离为1.2m，进风口与送风口长度分别为1m和1.5m，等腰梯形的中线是1.25m，所以风机湿帘中线的位置要靠前于广告牌中间支柱0.05m。根据公交站台广告牌上部到顶棚的距离0.4m，我们设计风机湿帘高300mm。这样的设计在不影响公交站台本身结构的同时可以达到很好的送风效果。

图5 风机湿帘立体图

风机湿帘送风口采用单层百叶送风，如图5所示，通过改变竖相的俯角来调节吹风感，达到舒适的效果。

2 设备设计计算

2.1 风机湿帘风量计算

2.1.1 确定夏季室外计算参数

以西安为例，选取夏季通风室外计算干球温度30.7℃，夏季通风室外计算相对湿度54%。

2.1.2 风机湿帘热工性能

根据《蒸发冷却通风空调系统设计与安装》[7]规定，局部送风降温时，人员工作岗位空气计算参数如表1所示。

表1 人员工作岗位空气计算参数

这种降温湿帘在西安地区交警岗亭做过测试，在测试条件下，直接蒸发冷却的出风温度一般在23～25℃，相对湿度在90%～95%[1-4,9-12]。

送风射流情况，选择固定矩形百叶符合本设计的送风形式，扩散角21°选取紊流系数=0.1129[2]。

2.1.3 送风量的计算

根据岗位送风量公式（1）[7]计算出不同设计温度要求下的送风量。

式中：为岗位送风量，m3/h；为工作岗位风速，m/s；为进风口紊流系数；为进风口与岗位距离，m；Δ0为出风口温度与周围空气温度之差，℃；Δ为工作岗位设计温度与周围空气温度之差，℃。

根据相关学者的研究分析，岗位设计温度与岗位设计风速关系如表2所示。

表2 岗位设计温度与岗位设计关系

风口具体参数见表3。

表3 风量计算具体设计参数

表4 岗位送风风量值

根据公式求得岗位送风量如表4所示。公交站台是全开放空间，采用局部送风，空气扰流较为明显，岗位额定风量取最大值为3325.8m3/h。

送风口、进风口面积计算：

=（2）

式中：为额定风量，m3/s；为风口面积，m2；为风口速度，m/s。

对填料冷却效率和公交站台实际尺寸综合考虑，填料的迎面设计风速取3m/s，可以得到所需填料面积为0.3m2，所以设计的进风口尺寸为1000mm×300mm。计算结果如表5所示。

表5 送风口面积

填料厚度计算：

进风干球温度为30.7℃，出风干球温度为25℃，迎面风速为3m/s。直接蒸发冷却填料效率取80%，填料比表面积取440m2/m3，根据公式（3）计算可知填料厚度为45mm。

2.2 风机湿帘用水量计算

目前直接蒸发冷却器的耗水量的计算是按照冷却塔的水耗损失进行类比计算，由理论可知直接蒸发冷却耗水量由蒸发水损失、吹风损失和排污损失三部分组成，其中蒸发水损失占据整个耗水量的一大部分。

计算直接蒸发冷却的耗水量的方法主要有两种：

根据公式（4）中空气的参数为依据计算耗水量，公式中所涉及的参数整理如表6所示，将表中数据代入公式（4）进行计算。

=（1－2） （4）

式中：为耗水量，kg/h；为降温湿帘的进风量，kg/h；1为进口空气含湿量，g/kg；2为出口空气含湿量，g/kg；

常温常压下，空气的密度为1.29kg/m3。忽略空气实际压力与标准大气压的差，则：立方米每小时=1.29千克每小时，3325.8m3/h=4290.3kg/h。

风机湿帘的耗水量如表6所示。

表6 风机湿帘的耗水量

经计算，风机湿帘耗水量为6.0kg/h，设计运行时间从上午11:00—17:00共6个小时，总耗水量36kg，水箱容积0.036m3，先假定水箱尺寸500mm×270mm×270mm。

水箱除去用水体积还要算水泵的占用空间，为符合公交站台设计，地面到广告牌的距离是600mm，所以水箱高度定为600mm，最终体积为500mm×270mm×600mm。

2.3 雨水收集器设计计算

2.3.1 尺寸计算

雨水收集器收集顶棚上方的雨水，在顶棚边缘接水槽通过汇流管道接到地面的蓄水箱。汇流管和循环回水用三通相连，在没有雨水收集的情况下只有回水进入蓄水箱。蓄水箱体积与供水箱体积相等，为500mm×270mm×600mm，蓄水箱中包括有弃流过滤装置和浮球阀，可以将收集的雨水和喷淋过的循环回水进行过滤后送入供水箱，再次喷淋，供水箱上部放置水泵，下部是水箱箱体，由水箱箱体连接的供水管通到填料上部的布水系统进行喷淋。

水箱盛水量计算：

=0.5×0.27×0.6=0.081m3（5）

经计算：蓄水箱中的水加上供水箱中的水可以提供风机湿帘三天的用水量，减轻人为加水的负担。

以西安为例，夏季6—9月份降雨量如表7所示。

表7 夏季6—9月份降雨量降雨天数

由表7可以看出，西安市夏季每月降水天数在10天左右，假设不会连续降雨的话水箱的水量则不需要人为补水。

2.3.2 补水措施

如果雨水收集器不能满足用水时，需要补水也可以有很多措施：（1）随着城市化建设的发展，目前公交站台附近都有绿化带，且绿化带建设趋于完善，花草的浇灌都是用自动喷水灌溉，所用水便是由城市给水管网提供，则公交站台的用水也可以利用城市给水管网；（2）西安夏天炎热，洒水车几乎每天都会洒水降温，可以通过洒水车进行补水。

2.4 太阳能电池板设计计算

太阳能发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组成。如果输入电压为交流电则需要配置逆变器，本设计采用直流电，不配置逆变器。

西安市地处34.3°N、海拔397.5m、常年大气压约97029Pa，属暖温带半湿润大陆性气候，太阳能资源属于第三区，一年中在5～8月份太阳辐射量较强，峰值日照时数为3.59h[5-9]；在6—8月份干湿球温差较大，干空气能富足。得出太阳能与干空气能富集重合在6—8月份，也正值用电高峰季节。功率总计为0.2kW，蒸发冷却空调功率为150W。

根据负载功率200W，输入电压24V，连续工作2个工作日，每天工作6小时，平均光照时数按5小时算，依据公式（6）可以得出太阳能电池板和蓄电池的配置瓦数。

太阳能板功率=负载功率*工作时间/损耗0.6/平均有效光照

200×6÷0.6÷5=400W （6）

蓄电池容量=负载功率*工作时间*连续阴雨天/电池电压/充放电系数

蓄电池需要每天保持在20%以内的放电量。

200×6×2÷24÷0.2=500Ah （7）

通过对太阳能电池板的查阅，选择2个200W/12V的太阳能电池板并联。蓄电池选择12V，500Ah。

3 结论

（1）本装置公交站台用风机湿帘通过独特的设计，在不改变原有公交站台本身结构的同时满足对周围空气的降温净化，从而达到满足市民舒适性要求。本装置利用蒸发冷却技术不对大气造成污染，充分利用太阳能资源，节能环保。公交站台的人性化是城市化建设的必然要求，而蒸发冷却技术又是低碳环保的首选，所以本装置的可行性极高。

（2）以西安为例对本设计方案进行了设计计算，为方案设计提供一定的设计理论基础。

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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

孙铁柱（1986-），男，在职博士，讲师，Email：suntiezhu66@163.com

2017-11-06

1671-6612（2018）05-515-05