西安市某大型商場噴淋屋頂天窗的降溫效果分析

席仁靜 狄育慧 鄭 松

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西安市某大型商場噴淋屋頂天窗的降溫效果分析

席仁靜 狄育慧 鄭 松

（西安工程大學環(huán)境與化學工程學院 西安 710048）

選取西安市大型商場的屋頂噴淋玻璃天窗、對照玻璃天窗和對照平屋頂為研究對象，測試了在高溫夏季天窗外表面的溫度，對比分析了屋頂天窗噴淋后的降溫效果。數(shù)據(jù)顯示，與對照屋頂天窗相比，噴淋天窗的降溫程度范圍為3 ℃～5.7 ℃，平均降低天窗溫度3.86 ℃，降溫率變化范圍為7.58%～12.72%，降溫率平均達到9.23%。同時SPSS獨立樣本檢驗得到，兩者溫度差異顯著，95%的區(qū)間估計兩者的溫度之差約為[1.1,7.5]；與平屋頂相比，噴淋天窗的降溫程度變化范圍為11.6 ℃～17.5 ℃，屋頂平均溫度降低了13.09 ℃。降溫率變化范圍為25.16%-30.92%，平均降溫率達到27.58%。同時SPSS的方差分析及檢驗顯示，與兩對照組相比，噴淋天窗均有顯著的降溫效果。

大型商場；屋頂天窗；天窗；SPSS

0 引言

當今時代，建筑與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為人們關(guān)注及研究的重要課題，而建筑屋頂?shù)墓?jié)能研究一直都是人們關(guān)注的焦點。屋頂是建筑圍護結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是處于氣候變化最強烈的部位，是影響室內(nèi)空間舒適性和能耗的關(guān)鍵。而有關(guān)資料顯示[1]，我國的建筑能耗目前已占社會總能耗的30%，并且有逐步提高到35%的趨勢。研究表明[2]，屋頂所占面積盡管小，但能耗占建筑總能耗8%-10%?，F(xiàn)代大型公共建筑中，中庭及天窗成為建筑師非常青睞的建筑形式，也越來越受到人們的歡迎，而玻璃天窗由于傳熱系數(shù)低、透光使其能耗驚人。調(diào)研發(fā)現(xiàn)在西安市的萬達廣場、銀泰百貨、小寨賽格等大型商場中均廣泛應(yīng)用玻璃天窗。因此，本文通過與普通天窗及平屋頂對比，分析了西安某大型商場的噴淋屋頂天窗的降溫節(jié)能效果，為西安市屋頂天窗的節(jié)能研究提供參考。

1 實驗對象與研究方法

1.1 實驗場地的概況

實驗對象A為西安市某大型商業(yè)綜合體建筑的中庭屋頂天窗，該商場地下二層，地上十層，共十二層，其中頂層三層為停車場，天窗建在中庭結(jié)構(gòu)七層屋頂上，高度近10 m。此噴淋天窗的規(guī)格為12 m×10 m，在天窗四角布置有8個噴淋頭，控制每隔1-2小時噴淋一次。對象建筑B共八層，地上七層，地下有負一層，屋頂天窗沒有噴淋系統(tǒng)。兩天窗的形式均采用鋼筋混凝土的鋼結(jié)構(gòu)，材料為鋼化玻璃。

1.2 實驗內(nèi)容與方法

實驗在室外溫度較高的7月份開展，選擇天氣晴朗的3天時間測試對象A的噴淋玻璃天窗及平屋頂外表面溫度，測試對象B的天窗外表面溫度。在商場A選擇一平屋頂區(qū)域作為對照，同樣在對象B選擇10 m×12 m天窗作為研究對象。

實驗測試時間段為10:00-18:00，其中每小時測試3次，在兩屋頂天窗上與對照平屋頂都均勻劃分6個區(qū)域測試，以每小時18個數(shù)據(jù)的平均值作為相應(yīng)時刻的天窗溫度?？諝鉁囟让看巫x數(shù)3次，以每小時9個數(shù)據(jù)平均值作為相應(yīng)時刻室外空氣溫度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

在比較降溫效果時，除了平均溫度外，選取相對溫差、降溫程度和降溫率作為溫度分析指數(shù)，同時結(jié)合方差檢驗、檢驗和獨立樣本檢驗，分析與對照組相比，噴淋的玻璃屋頂天窗的降溫效益。實驗數(shù)據(jù)處理使用EXCEL 2007和SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件。

其中相對溫差、降溫程度和降溫率計算公式為：

式中，T為各研究對象屋頂溫度；T為空氣溫度；T和T分別示對照屋頂和噴淋玻璃天窗各時刻的溫度；為實驗測試次數(shù)。

1.4 測試儀器

本次試驗主要測試溫度。環(huán)境溫度的測試儀器選用美國TSI公司的Q-Trak空氣品質(zhì)測試儀器，溫度測試的分辨率達到0.1 ℃。平屋頂和天窗溫度的測試采用Testo紅外測溫儀，溫度測試的分辨率也達到0.1 ℃。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 與對照玻璃天窗的比較

2.1.1 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本實驗選擇了晴朗且氣溫高的八月份的三天，測試了對象A的噴淋玻璃天窗和對象B的對照玻璃天窗的表面溫度，把三天各時刻的溫度求平均值，數(shù)據(jù)如表1所示。并用折線圖1表示各時刻的溫度變化。

圖1 各時刻研究對象溫度折線圖

由表1數(shù)據(jù)計算得到研究對象平均溫度分別為35.37 ℃、37.42 ℃、41.27 ℃，其中對照天窗的溫度較高，而噴淋天窗與室外空氣的平均溫度接近，只差2.05 ℃，差異不明顯；圖1可以看出，各研究對象溫度呈單峰分布，從10:00開始逐漸升高，在14:00溫度達到最大值后開始下降，而噴淋天窗在10:00-11:00溫度下降，是因為商場10:00開始營業(yè)，隨后噴淋系統(tǒng)才開始運行，天窗表面溫度會有降低趨勢；圖2折線顯示，在10:00-14:00，對照天窗的溫度上升趨勢高于噴淋天窗，而從14:00開始，噴淋天窗的溫度降低很快，甚至在16:00開始低于空氣溫度。綜合所述，噴淋天窗降低了天窗表面溫度，減緩了溫度上升趨勢，增加了降溫速率，有較好的降溫效益。

表1 各時刻噴淋天窗溫度、對照天窗和室外空氣溫度統(tǒng)計表

2.1.2 降溫效果分析

根據(jù)所測試數(shù)據(jù)計算了各時刻的相對溫差、降溫程度和降溫率，如表2所示。與室外環(huán)境空氣溫度相比，不計10:00的數(shù)據(jù)，噴淋天窗的相對溫差平均值達1.5 ℃，相對溫差范圍為-0.9 ℃-3.8 ℃；不計10:00的數(shù)據(jù)，與對照天窗相比，降溫程度平均值為4.3 ℃，降溫程度范圍為3 ℃-5.7 ℃，降溫率平均達到10.28%，降溫率變化范圍為7.58%-12.72%。

表2 噴淋天窗降溫效果數(shù)據(jù)分析表

2.1.3 方差分析及檢驗

為驗證噴淋天窗的降溫效益，對噴淋天窗和對照天窗的表面溫度做方差分析和檢驗，考慮到噴淋天窗10:00的數(shù)據(jù)是在噴淋系統(tǒng)沒有運行情況下記錄的，因此分析不考慮此時刻數(shù)據(jù)，檢驗結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)于溫度的獨立本T檢驗表

Levene方差檢驗顯示，在原假設(shè)方差相等情況下，=0.72，因為其值大于顯著性水平，即：Sig.=0.41>0.05，說明不能拒絕方差相等的原假設(shè)，接受兩個總體方差是相等的假設(shè)。均值方程檢驗為檢驗總體均值是否相等，由于在本例中，其值小于顯著性水平，即：Sig.=0.012＜0.05，因此表明天窗溫度與對照天窗溫度仍有顯著差異。噴淋天窗的表面溫度與對照天窗表面溫度之差95%的區(qū)間估計約為[1.1,7.5]。

2.2 與平屋頂表面溫度的對比

2.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 各時刻測試對象溫度折線圖

在同樣的八月份的三天中測試，把三天各時刻的溫度求平均值，所得數(shù)據(jù)如表4所示。并計算各時刻天窗溫度與對照平屋頂溫度的降溫率和降溫程度，折線圖2是各時刻溫度變化趨勢。

由表4數(shù)據(jù)所示，對照組平屋頂?shù)臏囟让黠@較高，平均溫度達到了50.51 ℃，而噴淋天窗的平均溫度只有37.42 ℃，比對照組低13.09 ℃。噴淋天窗各時刻溫度的峰谷差為8.2 ℃，平屋頂?shù)姆骞葴夭顬?3 ℃，平屋頂溫度變化幅度相對較大。

圖2折線圖顯示，測試對象的溫度都呈單峰分布，從10:00開始，由于太陽輻射增強，溫度逐漸升高，在14:00達到溫度最高值，然后太陽輻射強度降低，溫度也逐漸降低。整體來說，噴淋天窗的溫度折線比平屋頂溫度折線更平緩，表明噴淋天窗的溫度更加穩(wěn)定。

表4 各時刻溫度統(tǒng)計表

2.2.2 降溫效果分析

如表5所示，與對照組平屋頂相比，噴淋天窗的降溫程度變化范圍為11.6 ℃-17.5 ℃，平均降低溫度14.33 ℃，降溫率范圍為25.16%-30.92%，平均降溫率達到27.58%。相對于平屋頂，由于玻璃天窗對太陽輻射有更好的反射效果，同時噴淋水的蒸發(fā)冷卻吸熱使其降溫效果更加明顯。

表5 各時刻噴淋天窗的降溫效應(yīng)

2.2.3 方差分析與檢驗

為考察噴淋的屋頂天窗的降溫效果，對噴淋天窗的溫度與平屋頂?shù)臏囟茸龇讲罘治?。如?所示，組間的均方差為820.823，組內(nèi)的均方差為15.126。從分布表中查得0.05（1,14）=4.6，0.01（1,14）=8.86，本實驗中=54.265，因此噴淋玻璃天窗這種屋頂形式對屋頂溫度有非常顯著的影響，降溫效果明顯。顯著性水平表示因素對實驗結(jié)果無顯著影響的概率，≈0＜0.05，說明在＝0.05顯著性水平下，檢驗是顯著的，也表明噴淋天窗這種屋頂形式對實驗指標屋頂溫度的影響顯著。

表6 方差分析表

2.3 噴淋頻率的分析

不難理解噴淋的噴與停的循環(huán)時間會對降溫效果有明顯的影響。噴淋之后，水的蒸發(fā)吸熱會有降溫效果，但水體完全蒸發(fā)后，由于太陽的輻射和空氣的對流換熱都會使天窗升溫，圖3的折線圖是在13時噴淋后，13:00-14:00各時刻的溫度折線圖。

圖3 13:00-14:00時刻溫度折線圖

由圖3可以看出，噴淋后在0-10 min時間內(nèi)，天窗溫度有下降趨勢，然后迅速上升，在40 min以后，溫度上升趨勢稍微變緩。在一小時時間內(nèi)峰谷溫度差達到了8 ℃，溫度波動較大。若在13:30再次噴淋，13:00-13:30的平均溫度比13:00-14:00平均溫度低了2.36 ℃；若在13:40再次噴淋，13:00-13:40的平均溫度比13:00-14:00平均溫度低了1.45 ℃。這表明噴淋次數(shù)與降溫效果有密切聯(lián)系，因此為了提高噴淋天窗的降溫效果，建議適當增加噴淋次數(shù)。

3 結(jié)論

（1）本次實驗測試顯示，與對照天窗相比，噴淋天窗能平均降低天窗溫度3.86 ℃，降溫程度范圍為3 ℃-5.7 ℃；降溫率變化范圍為7.58%-12.72%，降溫率平均達到9.23%。關(guān)于溫度的獨立樣本檢驗，Levene方差檢驗，噴淋天窗與對照天窗溫度的總體方差相等；同時均值方程檢驗顯示，噴淋天窗與對照天窗溫度仍然有顯著的差異，其中95%的區(qū)間估計兩者的溫度之差約為[1.1,7.5]。

（2）同時與對照平屋頂相比，噴淋玻璃屋頂天窗可以平均降低屋頂平均溫度13.09 ℃，降溫程度變化范圍為11.6 ℃-17.5 ℃；降溫率達到25.16%-30.92%，平均降溫率達到27.58%，降溫效果顯著。同時差分析和檢驗顯示，相對一般平屋頂，噴淋天窗有非常明顯的降溫效果。

（3）13:00-14:00的各時刻溫度分析顯示，13:00-13:30與13:00-13:40的平均溫度分別比13:00-14:00平均溫度低了2.36 ℃和1.45 ℃，因此建議增加噴淋次數(shù)與頻率。也建議噴淋天窗噴淋系統(tǒng)通過溫度傳感器，實現(xiàn)智能控制，當屋頂溫度達到設(shè)定溫度后再噴淋降溫。

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Cooling Effect Analysis of Spray Roof Skylight in a Large Shopping Mall in Xi'an

Xi Renjing Di Yuhui Zheng Song

( Institute of environmental and chemical engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

Choose Xi'an shopping malls one roof of spray glass skylights, control glass skylights and control flat roof as the research object, test the chamber skylight external surface temperature in the summer of high temperature, contrast analysis the roof skylight after of spray cooling effect. According to data, comparison with contrast housetop scuttle, spray skylight degree of cooling in the range of 3 ℃ to 5.7 ℃, the average decrease skylight temperature 3.86 ℃, cooling rate ranging 7.58% to 7.58%, cooling rate averaged 9.23%. And SPSS independent sampletests that the temperature has significant differences, 95% of the difference of the temperature of the interval estimation of both about [1.1, 7.5]; Compared with the flat roof, the degree of spray cooling of skylight range is 11.6 ℃ to 17.5 ℃, the average temperature of the roof was reduced by 13.09 ℃. Cooling rate ranges 25.16% to 25.16%, the average cooling rate reached 27.58%. Variance analysis andtest showed the spray skylights have a significant cooling effect by the SPSS.

Greening roof; Air purification; Cooling and humidification; SPSS

1671-6612（2018）04-435-05

TU111.4+8

A

西安市科技項目（SJW2015-06）

席仁靜（1992- ），男，在讀研究生，E-mail：545183309@qq.com

狄育慧（1964- ），女，教授，碩士生導師，E-mail：545183309@qq.com

2017-09-02