蒸發冷卻與水牆

轉載自中興生物系統工程研究室 陳加忠

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。