喷雾系统对室内高温环境的降温效果研究*

孟晓静 胡亚年 崔雁弼

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，西安 710055；2.西部绿色建筑国家重点实验室，西安 710055）

0 引言

喷雾降温作为蒸发冷却的一种形式，是将水喷射为细小的液滴，使水与周围空气接触面积增大而直接蒸发，达到改善局部高温环境的目的。由于喷雾降温系统能耗低、结构简单、无污染等优点，而被广泛应用。

目前，喷雾降温系统在隧道狭长空间及室外空间热环境调节的应用受到了广泛的关注。谢玮等［1］搭建了小尺寸狭长受限空间的实验平台，研究了环境温度、喷头布置形式以及通风状况等参数对喷雾降温效果的影响，发现了在喷雾与通风的共同作用下，不仅能扩大喷雾的降温范围，显著提高了喷雾降温效果，还能保持空间温度场的稳定均匀。刘乃玲等［2］通过实验研究了细水雾对高温狭长空间的降温效果，发现喷雾方式和喷雾压力对降温效果影响较大。叶大法等［3］将喷雾降温技术应用到了上海世博会的广场等候区，通过现场试验分析了喷雾压力、喷头布置对热舒适性的影响，设计和优化了喷雾降温系统。李成成等［4］对比分析了西安和上海的典型气象年逐时参数，提出了喷雾降温蒸发冷却技术在中等湿度地区、干燥地区有较大应用前景。OH W等［5］评估了室外喷雾环境对热感觉、热环境及皮肤温度的影响，由于喷雾系统降温作用，受试者热感觉由温暖变为中性，总体皮肤温度下降约0.53℃。ULPIANI G等［6］结合监测数据和舒适度调查问卷，发现了室外喷雾系统使受试者对太阳辐射、湿度和风的感知和偏好都得到了改善。此外，喷雾降温系统还应用在禽畜舍降温［7-8］及细水雾灭火［9-11］等领域。

由于生产工艺的需求，工业厂房常常存在高温热源，高温是工业企业常见的物理性职业危害因素。针对工业厂房高大空间、工作地点分散、人员密度较低等特点，使用空调降温既不经济也不切实际。喷雾系统作为蒸发冷却降温的方式，可有效改善局部高温环境。本文通过搭建室内高温环境和喷雾系统实验台，研究喷雾前后局部环境温度、相对湿度的变化趋势，分析喷嘴流量、喷嘴布置高度和喷嘴数量对室内环境降温效果的影响规律，为高温环境喷雾系统的设计提供参考。

1 实验方案

1.1 实验平台

在西安建筑科技大学安全工程实验室搭建了室内高温环境和喷雾系统实验台，由红外辐射电加热板形成室内高温环境，喷雾系统包括水箱、软管、水泵、阀门和喷嘴，如图1所示。水泵使用微型高压泵，喷嘴为三节快插式精细雾化喷嘴，可以喷射形成实心锥形的雾化形状，液滴分布均匀，产生的液滴粒径为20～30m。

图1 实验平台

为保持室内环境稳定，实验过程中门窗关闭，不考虑通风和室外气象参数对室内环境的影响。

1.2 测点布置及实验过程

测点布置如图2所示，共布置3个水平测点，根据高温测量方法［12］，坐姿作业时测量高度为1.1 m，因此设置测点垂直高度为1.1 m，每2个测点距离为0.5 m，测点距加热板为2 m。每个测点布置1个TR-72nw双通道温湿度记录仪，记录空气温度和相对湿度。其中，空气温度的量程为0~55℃，精度±0.5℃；相对湿度的量程为10%~95%RH，精度为±5%。

图2 测点布置示意

实验分为2个阶段，先是对室内环境加热并稳定的过程，其次是开启喷雾进行降温的过程。首先打开加热板对室内空气温度进行加热并达到稳定，整个过程持续约60 min；然后开始记录数据，10 min后开启喷雾系统，喷雾时间持续20 min。记录3个测点在喷雾前10 min和喷雾持续20 min的温度和相对湿度，实验数据每1 min记录一次。喷嘴流量的测定使用的是称重法，测量多个喷嘴在1 min内的流量并取平均值作为喷嘴的流量。

通过改变喷嘴流量、喷嘴布置高度以及喷嘴数量，研究受限空间中喷雾前后测点的温度及湿度分布规律，揭示不同影响因素下喷雾降温效果。

2 实验结果与分析

2.1 喷嘴流量的影响

在喷嘴布置高度为2 m、喷嘴数量为6个的条件下，研究单个喷嘴流量为18.94、29.48、83.75 mL/min时喷雾系统对室内环境的降温效果。

由于不同实验工况喷雾前的环境温度稍有差别，采用降温幅度不能完全反映局部环境的降温效果。因此，采用降温效率来反映不同影响因素对局部环境的降温效果更为合理［1］。

不同喷嘴流量下局部环境的温度和相对湿度变化曲线如图3所示。从图3可以看出，随着喷嘴流量的增加，降温效率先增加后降低；喷雾时间为20 min，单个喷嘴流量为18.94、29.48、83.75 mL/min时的降温效率分别为4.27%、5.61%、5.02%；其中，单个喷嘴流量为29.48 mL/min时降温效率最高。

图3 不同喷嘴流量下的降温效率、相对湿度变化

从喷嘴流量对高温环境降温效果可以看出，增大喷嘴的流量，可以有效提升喷雾系统对室内环境的降温效果。但喷嘴流量过大，受到自身重力的影响就大，导致部分液滴下落过快，未能充分与空气换热就落到地面上，降低了液滴蒸发效率。随着喷雾时间的增加，相对湿度不断增加。相对湿度增加的幅度分别为14.95%、21.98%、26.08%。其中，单个喷嘴流量为29.48 mL/min时，降温幅度最大。

2.2 喷嘴布置高度的影响

在单个喷嘴流量为29.48 mL/min、喷嘴数量为6个的条件下，研究喷嘴布置高度为1.8、1.9、2 m时喷雾系统对室内环境的降温效果。

图4是不同喷嘴布置高度下局部环境的降温效率和相对湿度变化曲线。从图4可以看出，随着喷嘴布置高度的增加，降温效率在不断增加。随着喷雾时间的增加，降温效率不断提升，喷雾时间在10 min内降温效率的提升较为显著。在喷雾时间为20 min时，喷嘴布置高度为1.8、1.9、2 m时的降温效率分别为3.3%、4.02%、5.61%。其中，喷嘴布置高度为2 m时的降温效率最高。这是由于在喷雾的有效射程内，由于液滴受到自身重力与喷嘴出口动力的作用［3］，随着喷嘴布置高度的降低，液滴在空中运动的时间减少，与空气的接触不充分，吸收的热量减少，导致地面上存在着大量的积水，使得降温效果降低。但喷嘴布置高度过高，超出喷雾的有效射程，也会影响其降温效果。由于实验条件的限制，喷嘴布置高度受限，后续利用数值模拟增大喷嘴布置高度深入分析喷嘴布置高度对降温效果的影响。喷雾高度对相对湿度的影响较小。喷雾持续20 min时，与喷雾前相比，喷嘴布置高度为1.8、1.9、2 m时相对湿度的增加幅度分别为25.9%、25.3%、21.98%。

图4 不同喷嘴布置高度下的降温效率、相对湿度变化

2.3 喷嘴数量的影响

在喷嘴布置高度为2 m、总喷雾量大致相同的条件下，研究喷雾数量对室内环境的降温效果。采用了2个83.75 mL/min、6个29.48 mL/min及9个18.94 mL/min的喷嘴，其总喷雾量分别为167.5、176.88、170.46 mL/min。不同数量喷嘴对应的布置形式如表1所示。

表1 不同喷嘴数量的布置形式

图5是不同喷嘴数量下局部环境的降温效率、相对湿度变化曲线。从图5可以看出，随着喷雾时间的增加，降温效率在不断增加；喷雾时间为20 min时，喷嘴数量为2个、6个、9个的降温效率分别为2.68%、5.61%、6.90%；其中，9个喷嘴的降温效率最高。但在喷雾时间为10 min内，6个喷嘴的降温效率稍高于9个喷嘴。这是由于增加喷嘴数量，虽然在一定程度上增大了喷雾的范围，但在有效射程内液滴间的碰撞次数增加，液滴发生反弹、聚合和分离［13］，使得部分液滴下落的速度变快，会在一定程度上削弱降温效果。

图5 不同喷嘴数量下的温度、相对湿度变化

相对湿度随着喷雾时间的增加不断增加。喷雾时间为20 min时，与喷雾前相比，喷嘴数为2个、6个、9个时相对湿度增加的幅度分别为17.64%、21.98%、21.33%。

3 结论

1）增大喷嘴流量，可有效提高喷雾系统对室内高温环境的降温效果。降温效率随着喷嘴流量的增大先增加后降低，喷嘴流量为29.48 mL/min时降温效果最好，降温效率为5.61%。

2）在本实验工况下，喷雾降温效果随着喷嘴布置高度的增大而增加，喷嘴布置高度为2 m时降温效果最好。随着喷雾时间的增加，降温效率不断提升，喷雾时间在10 min内降温效率的提升较为显著。

3）在总喷雾量相同的条件下，喷雾降温效果随着喷嘴数量的增加而增大。喷雾时间为20min时，喷嘴数量为9个时的降温效果最好，降温效率为6.90%。