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水牆與風扇的降溫技術:(一)蒸發冷卻原理

中興大學  生物系統工程研究室  陳加忠

    國內溫室使用面積逐年增加,水牆與風扇已成為溫室的標準配備。原先以簡易遮雨、遮蔭的設施也紛紛改裝水牆。利用風扇及水牆,可以使得台灣夏季溫室內部環境維持於30℃以下,相對濕度則在60-90%之間,恰好是蝴蝶蘭可以生長的環境,也因此協助了蝴蝶蘭產業的發展。水牆設備直接自國外引入時其降溫效率並不高,降溫能力有限。經由工程人員的努力,建立亞熱帶溫室的設計規範。國內溫室內部微氣候在夏天能夠達到降溫的需求功能。也因為此設備的普及,使用者對於風扇與水牆的基本原理反而不再加以探討瞭解,因此在栽培其他作物時引起了問題。此外台灣的水牆與風扇施工基準是以亞熱帶氣候為基準。將此施工基準應用於不同的氣候環境,反而產生其他問題。

    此篇文章用以介紹蒸發冷卻原理,說明風扇與水牆如何應用此原理。下一篇文章則說明此水牆設備的使用特性與在亞熱帶、北美地區的利用特色。亞熱帶溫室的水牆利用研究完成於1992年,實用技術在台灣推廣十年後,相關研究報告於2003年發表於國際期刊。對此基本原理有興趣之讀者,請參考本篇文章所附pdf(PREDICTION OF LONGITUDINAL VARIATIONS IN TEMPERATURE AND RELATIVE HUMIDITY FOR EVAPORATIVE COOLING GREENHOUSES.pdf)檔。

環控技術中,要使溫室內部溫度低於大氣溫度,而且能夠使台灣地區在夏天使溫室內部氣溫低於30℃之內,唯有使用蒸發冷卻技術與冷凍機械。但是冷凍機械的設備與能源成本十分昂貴,僅適用於為花期調整或組培苗生產的溫室。

    大氣空氣本身並不是完全乾燥。平常的空氣一定含有水蒸氣,含有的水蒸氣愈少,空氣則比較乾燥。含有的水蒸氣量愈多,空氣則愈潮濕。因此在台灣此海島,晚上空氣比較潮濕,而在中午的空氣較乾燥。下雨之後空氣則潮濕。

    空氣中的水蒸氣具有壓力,稱為蒸氣壓。空氣愈潮濕,水份含量愈大,蒸氣壓愈大。在一定溫度下空氣中的水蒸氣增加到了極限則稱為達到飽和。飽和狀態下空氣無法再吸收水份,此時空氣中的水蒸氣壓力稱為飽和蒸氣壓。空氣在尚未到達飽和時,所存在的蒸氣壓與當時溫度的飽和蒸氣壓,兩者的比例值一定少於或等於100﹪,此種比例值通稱為相對濕度,單位為百分比(%)。相對濕度愈高,空氣中水蒸氣愈多,愈潮濕。相反地,相對濕度愈低,空氣中水蒸氣愈少,空氣愈乾燥。

空氣與液態的水滴接觸混合。水滴吸收了空氣所含的熱量使水滴變成了水蒸氣(液體的水滴轉變成了氣體的水蒸氣)。因此空氣所含的熱量減少,溫度就降低,水蒸氣增加,因此空氣的相對濕度也隨著增加。此種空氣遇見了水滴,使溫度降低而相對濕度增加的過程稱為蒸發冷卻。在氣象量測中,溫度計上面包裹著吸滿水份的紗布,以足夠的風速吹過溫度計表面。因為水份的蒸發使溫度降低。此蒸發冷卻過程中溫度到達無法再降低的底限溫度稱為濕球溫度。

荷蘭溫室工程教科書則將空氣比喻成海綿。水蒸氣代表海綿內含有的水份。海綿愈乾,能夠吸收的空氣水份則愈多,降溫能力也愈強。空氣愈潮濕,海綿愈濕,能夠吸收的水份愈少,降溫能力則愈差。

在同一溫度下,相對濕度愈低,利用蒸發冷卻技術所能降低的溫度底限則愈低。以美國加州南部為例,夏天時溫度為35℃,相對濕度為15﹪,利用水牆等設備則可以將溫室內部降到20℃以下。而國內夏天白日高溫雖也接近35℃,最低的相對濕度為50﹪左右,濕球溫度大約27℃,因此無法將溫室內部氣溫降到25℃以下。濕球溫度通常稱為利用蒸發冷卻原理降溫的能力極限。

使用蒸發冷卻技術進行降溫要合乎以下三條件:第一個條件在於空氣中的大氣溫度與濕球溫度差距要大,因此空氣吸收水汽後,溫度可以降得更低。第二條件為風量、水量要適當。第三個條件在於空氣與水滴要能夠充分混合,因此空氣與水滴接觸的表面積要愈大愈好,時間要愈久愈好。上述的第一條件:大氣溫度與濕球溫度相差要大,係由當地的大氣氣候決定。第二個條件則決於蒸發冷卻系統的設計能否合理,能否滿足以下要求:a. 有足夠的風量與風壓。b. 有足夠的水量。c. 風(空氣之流量)與水滴有足夠的接觸時間,使水滴蒸發。

利用蒸發冷卻之技術與設備主要為水牆與風扇。使用水牆與風扇設備是在溫室一側使用抽氣負壓風扇,另一端的牆壁由吸水物質構成。水自上方供水部流下,到底部集水部收集再送回上方循環使用。此種吸水物質被稱為水牆。由於風扇將大氣抽入內部時空氣被強制利用通過水牆。藉由抽氣作用使得外界空氣通過水牆材料間隙而進入內部。水流自上方流下,而在底部收集,流水作用使水牆材料吸收水份,而材料的特殊結構內部有空隙存在,空氣在空隙中穿透時與水面有接觸作用,產生了蒸發冷卻作用。空氣與水份接觸而產生蒸發冷卻作用,冷空氣通過溫室內部進行降溫作業。

水牆此型設備成本不高,維護容易,使用簡易。而且經過水牆的冷空氣只有攜帶水蒸氣而不附著水滴,因此沒有水滴進入溫室內部而在植物表面凝結的問題。水牆在國內的特殊問題在於青苔與長菌。原因在於國內傍晚相對濕度轉為偏高,氣溫降低,風扇停止作用,水牆也不再供水。但是因為空氣高濕,水牆內部水份不易蒸發,因此青苔(真菌)與細菌得以成長。

水牆已製作成為固定形狀,材料通常為相互摺紋狀的多孔紙材,俗稱為蜂巢式水牆,此型水牆已普遍應用於國內溫室與畜舍。

     蜂巢式水牆包括兩部份,上面之材料稱為分配水用材料,底下部份為降溫用材料,規格通常以a-H-W-D註明。a表示摺紋角度,H為水牆材料高度,W為寬度,D為厚度。W已固定為30公分。高度H可選擇,例如Munter公司提供50、70、90、100、140、150、180與200公分等8種材料。厚度(D)也有5、10、15、30公分等4種不同規格。摺紋角度有等兩種規格,這些規格都與水牆降溫效率有關。

水牆的蒸發冷卻計算公式

    水牆的蒸發冷卻計算公式如下:

   

     Td為大氣溫度,Te 為通過水牆後的空氣溫度,Tw 為大氣溫度的濕球溫度。

    以國內蝴蝶蘭溫室夏季降溫作業為例,在35℃50﹪RH的大氣狀態下通過水牆後空氣為27.5℃,當時濕球溫度26.1℃,水牆效率可計算如下:

   

水牆的使用特性

水牆的四項使用特性為購買成本,使用年限、壓力、與降溫作業效率。

(一)購買成本

   水牆的購買成本取決於供應廠商之製作技術與市場需求。例如有特殊防菌能力。處理的材料其成本即較高。

(二)使用年限

    使用的材料,使用地區的水質與空氣品質,整體系統的設計,使用者的維護保養等都有影響。

(三)壓力降

   用來表示風力通過水牆後風壓減少量,壓力降在選擇使用風扇時十分重要,工程要求標準通常為0.03kpa。影響因子與下一項降溫效率相同。

(四)降溫作業效率

    影響因子有整體的設計,使用的材料、厚度、作用角度、通過的空氣速度,水流流量與使用時間。

              影響蒸發冷卻效率的主要影響因子

蜂巢式水牆蒸發冷卻效率的三個主要影響因子:

a .風速:材料厚度10公分,通過風速大於1.5公尺/秒後,對降溫效率影響不大。材料厚度15公分,風速可增加到1.8公尺/秒。

b .角度:以45-45度的分配角度比30-30度的分配角度的效率高。

c .厚度:20公分厚水牆其作業效率高於15公分厚水牆,更高於10公分厚水牆。

在台灣亞熱帶高濕環境下,水牆的最佳利用條件:

a .風速以1.5公尺/秒左右最好,風速太快對降溫效率之提昇幫助不大,反而容易浪費能源。

b .材料分佈角度45-45比30-30更好,有更佳冷卻效率。

c .厚度15公分優於10公分。20公分可提高降溫效率至90﹪以上,但是壓力降顯著增加,需要更多風扇與電力,因此並未合乎成本要求。

溫室結構與水牆的配合

溫室結構與水牆配合的重要性說明如下:許多業者對水牆之使用存有誤解,認為有了水牆與風扇,溫室內部自然清涼無比,而忽略了溫室結構與水牆必須完善配合才能發揮水牆之功效。然而水牆只能提供在出口面的冷風,冷風自一側流出,再由風扇吸至另一側時,熱量自溫室各部份不斷的傳入,造成溫度逐漸增加。通常50公尺的溫室,溫室兩端的溫度差可高達4-7℃。因此要發揮水牆降溫的效果必要與溫室結構相互配合。一方面水牆的降溫效率要高,一方面冷風通過內部時熱量吸收要少。進入內部的主要熱量來源如下:

a. 太陽光能量進入內部。

b. 週圍的熱量經過屋頂與四周牆壁傳入內部。

c. 溫室密閉性不良,外界空氣自天窗、側窗或牆壁破裂處等空隙滲入內部,

       使外界熱量傳進內部。

    為了達到良好的水牆降溫效果,溫室結構可採行的對策與限制條件為:

a. 減少陽光進入的比例

   可以利用內外遮蔭網以減少陽光進入量。但是陽光不足對特定作物可能引起徒長,因此必須考慮作物的需光性。對蘭科作物則可利用的遮內外網蔭技術對其他作物不見得可以使用。

b. 減少周圍溫度的熱量傳遞

  使用熱傳係數小的覆蓋材料,或是增加牆壁的絕熱能力,使外界熱量不易傳入。

c. 減少外界空氣的滲入

   加強溫室的氣密性,減低外界空氣進入機會。因此天窗與側窗不適用台灣。

d. 加大風量

  加大風量相對地減少外界熱量進入溫室的影響比例,但是風量過大對作物成長有所影響。能源與水牆系統之配合也都要重新設計考量。

水牆的規劃設計

水牆的規劃設計必須決定所用風扇的風量與馬力、水牆的面積,供應的水量等。在台灣的設計規範,通風量以亞熱帶氣候為主,水牆的面積、供應的水量、與集水槽規範則採用美國溫室公司協會(NGMA, National Greenhouse Manufactures Association)的施工標準。

A.溫室通風量(單位換氣量)規劃

    採用每分鐘1.5~1.8倍體積之換氣量,考慮條件:

a. 1.8倍換氣量:高屏地區與台東地區。

b. 1.2倍換氣量:台灣其他地區。

B.依不同海拔高度修正溫室通風量

海拔高度修正量的方法為:在海拔高於300公尺的山區,可增加1.2倍換氣量,再以NGMA通則,修正海拔高度的影響。

            高度修正量 = 0.04*溫室海拔高度(公尺)/300 + 1.0

青苔與藻類等問題

國內使用水牆時間集中於夏季,在傍晚停止供水後,大氣相對濕度增高 ,因此無法使水牆材料所含有水份完全蒸發。多餘水份殘存於材料內,半年之使用期間即有成長菌類、藻類、青苔等問題。對水牆之影響有二種:a、阻塞了孔隙,因此減低蒸發冷卻效率並增加風扇動力的消耗,b、雜菌成長因通風吸入溫室內部,污染作物。解決長青苔等問題有使用藥劑,改變水牆材料,與調整環控策略等。

a .使用藥劑: (此技術由美國德州農工大學王寅東教授提供,特此誌謝)

使用次氯酸鈉(NaClO)藥片, 由於藥劑溶化緩慢,可以穩定提供低濃度的氯溶液。水牆水槽的清洗與藥劑的補充更新可藉由電導度量測以調整控制。

b .以調整環控策略解決青苔問題

在水牆幫浦停止供水後,風扇仍繼續作業1小時以上,以加速水牆內水份蒸發。

水中含鹽份問題

水中雜質中以鹽份問題最為麻煩,常有的化學雜子有鈣離子、HCO3-、SO4- 等,而水中酸鹽度(pH)值代表了離子的物性。解決之方式有兩種:

a .水質之直接改良,在未流入水牆材料之前,先檢查離子所含濃度,如果超過

  使用範圍,則預先處理改良。

b .水質所含雜質在容許範圍,但是對水牆有鹽份累積問題,則以淋洗增加水量。由水牆材料公司提供之準則加以規劃。

水牆安裝特殊注意事項

a .水牆與風扇之最佳距離為30-50公尺。超過60公尺風扇作業能力則失效。

b .水牆要連續設置,不要有缺口。如果中間缺口存在,產生的死角長度為缺口

4倍長。

c .水牆配水十分重要,表面如果有乾濕不均勻現象、表示水分配不均勻。