被動式蒸發(fā)冷卻通風降溫技術應用研究

康雅雄 黃翔 陳麗媛

摘 要：基于被動蒸發(fā)冷卻理論，總結了被動蒸發(fā)冷卻技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過程。探討了典型降雨過程對墻體傳熱的影響并對被動通風降溫分類和技術適應性進行分析。通過介紹被動式蒸發(fā)冷卻下向通風降溫技術的研究現(xiàn)狀，重點整理了被動冷卻通風的類型，總結了該通風降溫技術的運用情況。研究發(fā)現(xiàn)，采用建筑物被動蒸發(fā)冷卻技術可以大大降低進入房間的熱量，同時可以大大減少墻面熱通量；被動式蒸發(fā)冷卻下向通風降溫技術進行自然通風降溫，可以緩解空調設備負荷過高、建筑內部CO2濃度升高等問題，不僅節(jié)約能源，還改善室內空氣品質；將被動蒸發(fā)冷卻技術作為傳統(tǒng)降溫技術的輔助手段具有非常重要的現(xiàn)實意義。被動蒸發(fā)冷卻節(jié)能效果顯著，為后續(xù)研究提供參考。

關鍵詞：被動式；蒸發(fā)冷卻；通風降溫；數(shù)值模擬

中圖分類號：U416.217 文獻標識號：A

1 緒論

目前，被動式的蒸發(fā)冷卻技術在建筑物熱工應用領域范圍內比較常見，并且隨著建筑房屋頂部形式的多樣化，常見的模式有屋頂存儲熱工材料，屋頂進行多種植被組合綠化，多孔類材料的蒸發(fā)屋頂?shù)鹊?。然而，由于圍護結構的外觀以及相關設計施工理論技術的客觀限制，該技術在建筑墻體上的應用暫時還沒有形成規(guī)模發(fā)展。除了樣式古老的蠔殼墻以及裝飾作用很強但維護率也非常高的瀑布墻外，多孔材料在墻壁表面的被動蒸發(fā)冷卻應用中極為罕見。事實上，華南地區(qū)在利用基于多孔材料的被動蒸發(fā)冷卻技術的開發(fā)和推廣方面具有非常獨特的優(yōu)勢。

中央空調是長江中下游地區(qū)封閉式的大型公共建筑室內通風和降溫的主要方式。因為在大型公共建筑內部使用中央空調的投資和運行成本很高，外加例如學校以及公共事業(yè)單位經(jīng)費緊張、社會常規(guī)的能源短缺，外加教學樓使用不確定的獨特性質和季節(jié)性的長時間節(jié)假日等等，使得中央空調在教學樓一類的公共場所普及不現(xiàn)實。被動復合下向通風冷卻系統(tǒng)是利用冷空氣下沉、熱空氣上升這一簡單的原理，借助和利用建筑物中的管井、雙壁、庭院、中庭等閑置的構造物實現(xiàn)通風降溫，不再使用或者很少使用風機和管道。是區(qū)別于常規(guī)的空氣空調系統(tǒng)完全不同的降溫系統(tǒng)，同時被動復合冷卻系統(tǒng)能夠實現(xiàn)與大型建筑空間的集成和一體化的設計施工。不再受到建筑物的體積、深度以及窗戶等因素的制約，有效彌補了封閉性建筑物的深層性，以及自然通風的局限性。與傳統(tǒng)的空調系統(tǒng)比，這一系統(tǒng)能夠大幅度的降低設備的前期投資以及后期能耗，有效減少有害氣體的排放，緩解城市熱島效應。

2 研究概況

2.1 建筑物被動蒸發(fā)冷卻技術

盡管關于降雨傳熱的研究鮮有報道，但是很多有關降雨過程的研究，例如采用被動式蒸發(fā)冷卻技術的熱力工作過程以及能量消耗實驗等等已經(jīng)開始研究和初步實踐。

從傳統(tǒng)理論上講，為了能夠降低建筑物圍護結構外表面的溫度，一般情況下，使用太陽能的建筑物被動蒸發(fā)冷卻技術的問題可以被分為兩種類型，一種是根據(jù)蒸發(fā)機理的自由水面蒸發(fā)冷卻問題，包括儲水頂棚，淺水儲水，流水膜和復雜噴涂措施的共同機理可以認為是液體自由表面與空氣介質直接接觸時的熱量和質量交換過程，以及水分的蒸發(fā)和多孔材料的蒸發(fā)冷卻問題，這種問題的形成和作用機理是非常復雜的，一般認為是在熱量和質量交換過程完成的作用下熱濕遷移機制的毛細作用。在建筑物屋頂鋪設一層多孔材料，如散沙或固體加氣混凝土層，材料在人造或自然沉淀后進行沉淀貯水。當受到來自太陽和室外熱空氣的輻射時，材料層中的水分逐步遷移到材料層的上表面，汽化作用帶走大量的潛熱。

在20世紀80年代初，日本九州大學Pu等人于1983年首先提出用蒸汽冷卻多孔材料來冷卻建筑物表面的蒸發(fā)冷卻。蒲田建了兩個比較研究室，包括一個濕墻，另一個是傳統(tǒng)的參考室。另一方面，Urayano對這兩個實驗室在干燥條件下進行熱量測試，用來檢查兩種墻壁結構間的差異性能對室溫的影響以及程度。試驗結果顯示，試驗室的室內溫度比常規(guī)房間的最高溫度低2℃。在降溫后，將兩個實驗室室內的空氣溫度與白天3-4℃低溫，低溫夜間1.5-2℃的濕壁實驗室溫進行比較，表明這種蒸發(fā)冷卻是非常明顯的。在有空調作用的情況下，兩個實驗室對比和測試降溫設備的運行成本。實驗結果表明，采用蒸發(fā)冷卻技術的實驗室每天可以節(jié)省24%的電量。

在我國，有很多知名學者對建筑物的被動式蒸發(fā)冷卻技術進行深度的研究。孟慶林教授就這一問題進行系列的研究和深入的思考，包括現(xiàn)有的植被屋頂、多孔材料蓄水屋頂、玻璃淋浴等組合材料的相關研究。其中還有包層結構的熱平衡以及等效熱導率研究。

2000年，唐明芳對頂面和墻壁多孔材料層在干、濕兩種條件下的絕熱性能進行研究。通過對比屋頂多孔材料和干燥材料的熱工性能，同時分析兩種屋面的熱工性能。分析結果表明，屋面多孔材料的被動蒸發(fā)保溫效果比多孔材料作為界面材料的屋面效果好，依據(jù)這一性能，多孔材料將大大降低屋面的溫度，有效減少城市熱島效應，環(huán)境效益顯著。

2006年何華岳對國內外屋面被動隔熱和冷卻問題進行比較全面的闡述，并且對建筑濕孔材料的蒸發(fā)型冷卻技術進行研究。建立了濕式多孔材料表面的蒸發(fā)冷卻模型。溫度被確定為是傳導熱量的驅動力。濕度對傳熱過程的影響主要能夠反映在模型參數(shù)中。在模型參數(shù)中，其中密度以及比熱容是由空隙率、材料種類，溫度系數(shù)來決定的。

2006年，孟慶林通過調整和控制熱風和氣候參數(shù)，分析在調控廣州典型氣候環(huán)境下輕型毛竹屋頂?shù)臒醾鲗н^程。通過計算和求解能量平衡方程，得到屋面材料整體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和等效熱阻等參量。

2.2 下向通風降溫技術

清華大學建筑科學與技術系江億首先對自然通風結構進行了動態(tài)分析和研究，從動態(tài)特征出發(fā)，對一系列自然通風進行了一系列的研究。

華南理工大學孟慶林等建筑致力于亞熱帶氣候區(qū)的物理環(huán)境和建筑節(jié)能技術，西安建筑科技大學李安瑞教授對國內外自然通風進行了研究，明確指出自然通風存在的研究和應用中存在的一些問題，并結合我國應用特點，提出并提出了我國自然通風的研究方向。

劉家平院士領導的研究團隊進行了一系列的研究，為自然通風建筑的設計和應用提供了大量的基礎信息。目前的研究主要集中在華北地區(qū)的自然通風和被動冷卻技術。研究生的指導進行了大量研究，包括董紅完成了“自然通風與制冷設計分區(qū)研究”，毛燕完成了“人體熱舒適氣候適應性研究”李軍鴿完成了“炎熱的夏季寒冷氣候舒適氣候適應模式“等，為自然通風建筑的研究和設計提供基礎資料。

湖南大學研究生朱琳完成了中庭建筑的被動式生態(tài)設計。清華大學研究生雷濤完成了中庭生態(tài)設計方案的計算機模擬。

3 技術應用

3.1 多孔材料

目前對于建筑物外表面多孔材料的熱濕傳遞研究主要是關于如何避免外界濕氣對建筑物性能的影響。如何充分利用多孔材料水分蒸發(fā)明顯這一優(yōu)勢來調整室內的環(huán)境，并進行全過程研究。同時在建筑設計和施工領域，思考如何更好的使用多孔材料還要取決于是否能夠建立起來一個完整可靠的數(shù)據(jù)庫，使理論運用和工程實施變得可行。

不同的工作條件，不同的建筑材料的吸水率，熱參數(shù)將受到影響。特別是由于地表水汽蒸發(fā)，等效熱阻發(fā)生變化，極大地影響了信封的節(jié)能效果。如果多孔材料分為高，中，低吸水率，高吸水率60%？飽和度，吸水率25%？60%，吸水率低于25%。在高吸水的區(qū)間和范圍內，這一材料中的大部分孔隙被水占據(jù)，同時由于水分的熱導率遠遠高于氣體，這就導致高含水多孔材料在被動冷卻功能方面相對差一些。在低吸水的應用范圍以內，多孔材料中的水分迅速消散，其等效熱導率接近于干燥材料，并且不具有良好的熱學優(yōu)勢。保濕多孔材料在吸水率范圍內具有良好的蒸發(fā)冷卻效果，能發(fā)揮優(yōu)良的保溫性能。

在華南高溫和潮濕的地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)雨天過后墻體以及屋面材料含水率接近飽和，再經(jīng)太陽暴曬，借助外部蒸發(fā)來達到平衡濕熱是被動蒸發(fā)冷卻技術的來源。通過大量的工程研究發(fā)現(xiàn)，被動蒸發(fā)冷卻技術在屋頂比較容易實現(xiàn)，應用形式較為多樣，常見的形式主要有植被屋面、蓄水屋頂、水頂屋面和蒸發(fā)屋頂?shù)龋辉诮ㄖ飰w上的應用受到外墻裝飾工藝不成熟等方面的限制，以及有關的理論還沒有得到充分的論證。特別是多孔磚在被動蒸發(fā)冷卻墻壁中的應用還沒有足夠多的應用案例。

多孔材料在屋面被動蒸發(fā)冷卻技術中的常見應用工藝是鋪設相對松散的沙子或者多孔的屋面材料，這樣屋面材料組合蓄水后由于室外的蒸發(fā)力度大，造成多孔材料水分大量蒸發(fā)。在北方亞熱帶地區(qū)風力資源豐富，風力較小的地區(qū)，建筑屋面采用松散多孔材料的情況較為普遍，雨量充沛，南方亞熱帶風沙正在建筑屋頂或城市道路上鋪設堅實的多孔磚。

多孔材料應用于被動蒸發(fā)冷卻的最原始的方法是牡蠣殼壁。古代蠔殼墻是嶺南沿海的一道特色墻。在下雨天，蠔殼墻儲存水分，在陽光明媚的時間蒸發(fā)。房屋冬季溫暖，夏季涼爽，但由于其特殊的材料和外觀而被限制使用。近年來，許多學者也提出在墻上鋪設多孔材料進行蒸發(fā)冷卻。由于建筑結構中的墻體面積較大，不僅可以使建筑物整體冷卻，還可以營造良好的立體空間環(huán)境。

3.2 下向通風降溫

根據(jù)目前生態(tài)建筑技術的研究成果，北京，上海，廣州，深圳，杭州等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)結合自身的實力和特點，大力開展生態(tài)建筑領域的研究與實踐。例如：由上海建筑科學研究院牽頭負責，與上海地區(qū)建筑設計研究部門進行聯(lián)合研究，以完成上海綠色建筑示范樓的建設。還有有清華大學主持的，北京市科委超低能耗示范樓重點科研項目；十五國家重點科技攻關項目“綠色建筑關鍵技術研究”等。但由于建筑類型不同，氣候條件的不足，技術水平和實際應用效果不良的限制，示范建筑數(shù)量還很少，尚未達到大規(guī)模推廣應用的階段。

中國學者也在中國傳統(tǒng)建筑研究中或多或少地發(fā)現(xiàn)了類似或相似的自然通風系統(tǒng)。例如，唐國華教授對嶺南地區(qū)傳統(tǒng)建筑的調查研究發(fā)現(xiàn)，由于種種原因，嶺南地區(qū)的傳統(tǒng)建筑與外界相對封閉，通常充分吸收和利用自然氣流，使得建筑物內部空氣清新，使用庭院，天井，冷車道，天窗這些建筑物的構造部件通風。天窗和擋風玻璃與中東等干熱地區(qū)的風塔具有類似的功能。

寧波諾丁漢生態(tài)大廈是中國第一座由意大利建筑師馬里奧教授設計的本地應用系統(tǒng)冷卻的實驗大樓，雖然這一建筑應用系統(tǒng)的面積僅700m2。但為我國夏熱冬冷地區(qū)的技術應用提供了可行性。

4 結論

被動蒸發(fā)冷卻作為自然和諧理論的重要支撐手段，是建筑物利用自然條件良好示范，同時也是提高生活環(huán)境質量，減少人為能源消耗的有效手段。被動式蒸發(fā)冷卻技術在建筑環(huán)境中的應用研究，其實無非就是更加努力的尋找適應建筑環(huán)境冷卻方法。

被動下行通風冷卻技術理論近年來受到關注。該技術起源于古埃及和歐洲，上文對當前文獻中的應用優(yōu)勢和理論進行概述，同時對近年來的應用進行總結和分析，并結合目前下行通風冷卻技術領域的最新研究成果，提出適合國內不同氣候區(qū)域的復合下向通風技術。

對多孔材料的被動蒸發(fā)冷卻效應進行了總結和展望，為進一步研究含水多孔材料的被動蒸發(fā)冷卻理論提供基礎數(shù)據(jù)。體現(xiàn)了整個建筑系統(tǒng)在充分利用自然調節(jié)的作用下，在微觀室內氣候調節(jié)作用下，利用低能耗技術創(chuàng)造和保持舒適健康的生活環(huán)境，同時為解決能源和環(huán)境問題提供更多的理論基礎。

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