康雅雄 黃翔 陳麗媛

摘 要：基于被動(dòng)蒸發(fā)冷卻理論，總結(jié)了被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展過(guò)程。探討了典型降雨過(guò)程對(duì)墻體傳熱的影響并對(duì)被動(dòng)通風(fēng)降溫分類和技術(shù)適應(yīng)性進(jìn)行分析。通過(guò)介紹被動(dòng)式蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)降溫技術(shù)的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)整理了被動(dòng)冷卻通風(fēng)的類型，總結(jié)了該通風(fēng)降溫技術(shù)的運(yùn)用情況。研究發(fā)現(xiàn)，采用建筑物被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)可以大大降低進(jìn)入房間的熱量，同時(shí)可以大大減少墻面熱通量；被動(dòng)式蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)降溫技術(shù)進(jìn)行自然通風(fēng)降溫，可以緩解空調(diào)設(shè)備負(fù)荷過(guò)高、建筑內(nèi)部CO2濃度升高等問(wèn)題，不僅節(jié)約能源，還改善室內(nèi)空氣品質(zhì)；將被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)作為傳統(tǒng)降溫技術(shù)的輔助手段具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。被動(dòng)蒸發(fā)冷卻節(jié)能效果顯著，為后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)式；蒸發(fā)冷卻；通風(fēng)降溫；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A

1 緒論

目前，被動(dòng)式的蒸發(fā)冷卻技術(shù)在建筑物熱工應(yīng)用領(lǐng)域范圍內(nèi)比較常見(jiàn)，并且隨著建筑房屋頂部形式的多樣化，常見(jiàn)的模式有屋頂存儲(chǔ)熱工材料，屋頂進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的外觀以及相關(guān)設(shè)計(jì)施工理論技術(shù)的客觀限制，該技術(shù)在建筑墻體上的應(yīng)用暫時(shí)還沒(méi)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(qiáng)但維護(hù)率也非常高的瀑布?jí)ν?，多孔材料在墻壁表面的被?dòng)蒸發(fā)冷卻應(yīng)用中極為罕見(jiàn)。事實(shí)上，華南地區(qū)在利用基于多孔材料的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的開發(fā)和推廣方面具有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

中央空調(diào)是長(zhǎng)江中下游地區(qū)封閉式的大型公共建筑室內(nèi)通風(fēng)和降溫的主要方式。因?yàn)樵诖笮凸步ㄖ?nèi)部使用中央空調(diào)的投資和運(yùn)行成本很高，外加例如學(xué)校以及公共事業(yè)單位經(jīng)費(fèi)緊張、社會(huì)常規(guī)的能源短缺，外加教學(xué)樓使用不確定的獨(dú)特性質(zhì)和季節(jié)性的長(zhǎng)時(shí)間節(jié)假日等等，使得中央空調(diào)在教學(xué)樓一類的公共場(chǎng)所普及不現(xiàn)實(shí)。被動(dòng)復(fù)合下向通風(fēng)冷卻系統(tǒng)是利用冷空氣下沉、熱空氣上升這一簡(jiǎn)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(gòu)造物實(shí)現(xiàn)通風(fēng)降溫，不再使用或者很少使用風(fēng)機(jī)和管道。是區(qū)別于常規(guī)的空氣空調(diào)系統(tǒng)完全不同的降溫系統(tǒng)，同時(shí)被動(dòng)復(fù)合冷卻系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與大型建筑空間的集成和一體化的設(shè)計(jì)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(bǔ)了封閉性建筑物的深層性，以及自然通風(fēng)的局限性。與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)比，這一系統(tǒng)能夠大幅度的降低設(shè)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(yīng)。

2 研究概況

2.1 建筑物被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)

盡管關(guān)于降雨傳熱的研究鮮有報(bào)道，但是很多有關(guān)降雨過(guò)程的研究，例如采用被動(dòng)式蒸發(fā)冷卻技術(shù)的熱力工作過(guò)程以及能量消耗實(shí)驗(yàn)等等已經(jīng)開始研究和初步實(shí)踐。

從傳統(tǒng)理論上講，為了能夠降低建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的溫度，一般情況下，使用太陽(yáng)能的建筑物被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的問(wèn)題可以被分為兩種類型，一種是根據(jù)蒸發(fā)機(jī)理的自由水面蒸發(fā)冷卻問(wèn)題，包括儲(chǔ)水頂棚，淺水儲(chǔ)水，流水膜和復(fù)雜噴涂措施的共同機(jī)理可以認(rèn)為是液體自由表面與空氣介質(zhì)直接接觸時(shí)的熱量和質(zhì)量交換過(guò)程，以及水分的蒸發(fā)和多孔材料的蒸發(fā)冷卻問(wèn)題，這種問(wèn)題的形成和作用機(jī)理是非常復(fù)雜的，一般認(rèn)為是在熱量和質(zhì)量交換過(guò)程完成的作用下熱濕遷移機(jī)制的毛細(xì)作用。在建筑物屋頂鋪設(shè)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(jìn)行沉淀貯水。當(dāng)受到來(lái)自太陽(yáng)和室外熱空氣的輻射時(shí)，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(jì)80年代初，日本九州大學(xué)Pu等人于1983年首先提出用蒸汽冷卻多孔材料來(lái)冷卻建筑物表面的蒸發(fā)冷卻。蒲田建了兩個(gè)比較研究室，包括一個(gè)濕墻，另一個(gè)是傳統(tǒng)的參考室。另一方面，Urayano對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室在干燥條件下進(jìn)行熱量測(cè)試，用來(lái)檢查兩種墻壁結(jié)構(gòu)間的差異性能對(duì)室溫的影響以及程度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)室的室內(nèi)溫度比常規(guī)房間的最高溫度低2℃。在降溫后，將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的空氣溫度與白天3-4℃低溫，低溫夜間1.5-2℃的濕壁實(shí)驗(yàn)室溫進(jìn)行比較，表明這種蒸發(fā)冷卻是非常明顯的。在有空調(diào)作用的情況下，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)比和測(cè)試降溫設(shè)備的運(yùn)行成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室每天可以節(jié)省24%的電量。

在我國(guó)，有很多知名學(xué)者對(duì)建筑物的被動(dòng)式蒸發(fā)冷卻技術(shù)進(jìn)行深度的研究。孟慶林教授就這一問(wèn)題進(jìn)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(guān)研究。其中還有包層結(jié)構(gòu)的熱平衡以及等效熱導(dǎo)率研究。

2000年，唐明芳對(duì)頂面和墻壁多孔材料層在干、濕兩種條件下的絕熱性能進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)比屋頂多孔材料和干燥材料的熱工性能，同時(shí)分析兩種屋面的熱工性能。分析結(jié)果表明，屋面多孔材料的被動(dòng)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(yīng)，環(huán)境效益顯著。

2006年何華岳對(duì)國(guó)內(nèi)外屋面被動(dòng)隔熱和冷卻問(wèn)題進(jìn)行比較全面的闡述，并且對(duì)建筑濕孔材料的蒸發(fā)型冷卻技術(shù)進(jìn)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(dǎo)熱量的驅(qū)動(dòng)力。濕度對(duì)傳熱過(guò)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(lái)決定的。

2006年，孟慶林通過(guò)調(diào)整和控制熱風(fēng)和氣候參數(shù)，分析在調(diào)控廣州典型氣候環(huán)境下輕型毛竹屋頂?shù)臒醾鲗?dǎo)過(guò)程。通過(guò)計(jì)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(fēng)降溫技術(shù)

清華大學(xué)建筑科學(xué)與技術(shù)系江億首先對(duì)自然通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析和研究，從動(dòng)態(tài)特征出發(fā)，對(duì)一系列自然通風(fēng)進(jìn)行了一系列的研究。

華南理工大學(xué)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(shù)，西安建筑科技大學(xué)李安瑞教授對(duì)國(guó)內(nèi)外自然通風(fēng)進(jìn)行了研究，明確指出自然通風(fēng)存在的研究和應(yīng)用中存在的一些問(wèn)題，并結(jié)合我國(guó)應(yīng)用特點(diǎn)，提出并提出了我國(guó)自然通風(fēng)的研究方向。

劉家平院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的研究，為自然通風(fēng)建筑的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了大量的基礎(chǔ)信息。目前的研究主要集中在華北地區(qū)的自然通風(fēng)和被動(dòng)冷卻技術(shù)。研究生的指導(dǎo)進(jìn)行了大量研究，包括董紅完成了“自然通風(fēng)與制冷設(shè)計(jì)分區(qū)研究”，毛燕完成了“人體熱舒適氣候適應(yīng)性研究”李軍鴿完成了“炎熱的夏季寒冷氣候舒適氣候適應(yīng)模式“等，為自然通風(fēng)建筑的研究和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

湖南大學(xué)研究生朱琳完成了中庭建筑的被動(dòng)式生態(tài)設(shè)計(jì)。清華大學(xué)研究生雷濤完成了中庭生態(tài)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)模擬。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 多孔材料

目前對(duì)于建筑物外表面多孔材料的熱濕傳遞研究主要是關(guān)于如何避免外界濕氣對(duì)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(shì)來(lái)調(diào)整室內(nèi)的環(huán)境，并進(jìn)行全過(guò)程研究。同時(shí)在建筑設(shè)計(jì)和施工領(lǐng)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(lái)一個(gè)完整可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)，使理論運(yùn)用和工程實(shí)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(nèi)，這一材料中的大部分孔隙被水占據(jù)，同時(shí)由于水分的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣體，這就導(dǎo)致高含水多孔材料在被動(dòng)冷卻功能方面相對(duì)差一些。在低吸水的應(yīng)用范圍以內(nèi)，多孔材料中的水分迅速消散，其等效熱導(dǎo)率接近于干燥材料，并且不具有良好的熱學(xué)優(yōu)勢(shì)。保濕多孔材料在吸水率范圍內(nèi)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(guò)后墻體以及屋面材料含水率接近飽和，再經(jīng)太陽(yáng)暴曬，借助外部蒸發(fā)來(lái)達(dá)到平衡濕熱是被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的來(lái)源。通過(guò)大量的工程研究發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)在屋頂比較容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用形式較為多樣，常見(jiàn)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(yīng)用受到外墻裝飾工藝不成熟等方面的限制，以及有關(guān)的理論還沒(méi)有得到充分的論證。特別是多孔磚在被動(dòng)蒸發(fā)冷卻墻壁中的應(yīng)用還沒(méi)有足夠多的應(yīng)用案例。

多孔材料在屋面被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)中的常見(jiàn)應(yīng)用工藝是鋪設(shè)相對(duì)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(fēng)力資源豐富，風(fēng)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(fēng)沙正在建筑屋頂或城市道路上鋪設(shè)堅(jiān)實(shí)的多孔磚。

多孔材料應(yīng)用于被動(dòng)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(chǔ)存水分，在陽(yáng)光明媚的時(shí)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(lái)，許多學(xué)者也提出在墻上鋪設(shè)多孔材料進(jìn)行蒸發(fā)冷卻。由于建筑結(jié)構(gòu)中的墻體面積較大，不僅可以使建筑物整體冷卻，還可以營(yíng)造良好的立體空間環(huán)境。

3.2 下向通風(fēng)降溫

根據(jù)目前生態(tài)建筑技術(shù)的研究成果，北京，上海，廣州，深圳，杭州等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)結(jié)合自身的實(shí)力和特點(diǎn)，大力開展生態(tài)建筑領(lǐng)域的研究與實(shí)踐。例如：由上海建筑科學(xué)研究院牽頭負(fù)責(zé)，與上海地區(qū)建筑設(shè)計(jì)研究部門進(jìn)行聯(lián)合研究，以完成上海綠色建筑示范樓的建設(shè)。還有有清華大學(xué)主持的，北京市科委超低能耗示范樓重點(diǎn)科研項(xiàng)目；十五國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)研究”等。但由于建筑類型不同，氣候條件的不足，技術(shù)水平和實(shí)際應(yīng)用效果不良的限制，示范建筑數(shù)量還很少，尚未達(dá)到大規(guī)模推廣應(yīng)用的階段。

中國(guó)學(xué)者也在中國(guó)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(fēng)系統(tǒng)。例如，唐國(guó)華教授對(duì)嶺南地區(qū)傳統(tǒng)建筑的調(diào)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(duì)封閉，通常充分吸收和利用自然氣流，使得建筑物內(nèi)部空氣清新，使用庭院，天井，冷車道，天窗這些建筑物的構(gòu)造部件通風(fēng)。天窗和擋風(fēng)玻璃與中東等干熱地區(qū)的風(fēng)塔具有類似的功能。

寧波諾丁漢生態(tài)大廈是中國(guó)第一座由意大利建筑師馬里奧教授設(shè)計(jì)的本地應(yīng)用系統(tǒng)冷卻的實(shí)驗(yàn)大樓，雖然這一建筑應(yīng)用系統(tǒng)的面積僅700m2。但為我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的技術(shù)應(yīng)用提供了可行性。

4 結(jié)論

被動(dòng)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(shí)也是提高生活環(huán)境質(zhì)量，減少人為能源消耗的有效手段。被動(dòng)式蒸發(fā)冷卻技術(shù)在建筑環(huán)境中的應(yīng)用研究，其實(shí)無(wú)非就是更加努力的尋找適應(yīng)建筑環(huán)境冷卻方法。

被動(dòng)下行通風(fēng)冷卻技術(shù)理論近年來(lái)受到關(guān)注。該技術(shù)起源于古埃及和歐洲，上文對(duì)當(dāng)前文獻(xiàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和理論進(jìn)行概述，同時(shí)對(duì)近年來(lái)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和分析，并結(jié)合目前下行通風(fēng)冷卻技術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，提出適合國(guó)內(nèi)不同氣候區(qū)域的復(fù)合下向通風(fēng)技術(shù)。

對(duì)多孔材料的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻效應(yīng)進(jìn)行了總結(jié)和展望，為進(jìn)一步研究含水多孔材料的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻理論提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。體現(xiàn)了整個(gè)建筑系統(tǒng)在充分利用自然調(diào)節(jié)的作用下，在微觀室內(nèi)氣候調(diào)節(jié)作用下，利用低能耗技術(shù)創(chuàng)造和保持舒適健康的生活環(huán)境，同時(shí)為解決能源和環(huán)境問(wèn)題提供更多的理論基礎(chǔ)。

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