被動復(fù)合式下向通風(fēng)降溫技術(shù)的探索和研究

孫藝雯 田興旺 王子赫 劉晶茹 張宏偉 郭海娟

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116023； 2.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023； 3.河北工程大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

在我國的長江中下游地區(qū)，四季分明，年降水1 200 mm，年平均溫度15.4 ℃，年極端氣溫最高39.7 ℃，最低-13.1 ℃。夏季炎熱，多陰雨天氣，冬季濕冷嚴寒[1]。隨著人民的生活水平的提高，空調(diào)已經(jīng)在我國實現(xiàn)了普及化。但是，空調(diào)在為我們提供舒適環(huán)境的同時，也帶來了不少全球性的環(huán)境問題，例如：臭氧層空洞、熱島效應(yīng)、全球變暖等。首先，由于空調(diào)能耗大在室內(nèi)能源消耗中占首位，所以造成了大量的能源浪費；其次，空調(diào)排放的CO2和熱量會加劇城市熱島效應(yīng)，且從制冷劑中泄露的氟氯烴也會加劇大氣臭氧層的破壞進而導(dǎo)致某些皮膚病。所以，減少空調(diào)在過渡季甚至夏季的使用率是實現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

1 營造舒適的建筑室內(nèi)熱環(huán)境的兩個關(guān)鍵因素

1.1 溫度

為實現(xiàn)夏季降溫，對圍護結(jié)構(gòu)進行合理的設(shè)計，使其形成穿堂風(fēng)，是最為有效經(jīng)濟的手段。但是由于現(xiàn)代建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，功能性也趨于多樣化，還要考慮整體的美觀和設(shè)計，正常的自然通風(fēng)多數(shù)情況下已不能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性需求。所以，在考慮一些傳統(tǒng)建筑的優(yōu)勢的時候，首先聯(lián)想到的便是中國傳統(tǒng)的徽派建筑和嶺南建筑?！坝刑媒跃笔腔张山ㄖ囊淮筇厣６鴰X南地區(qū)的傳統(tǒng)建筑也常利用內(nèi)院、天井、冷巷、天窗、捕風(fēng)窗等組織熱壓通風(fēng)，從天空吸收新鮮清潔的冷空氣，避開惡風(fēng)，冬暖夏涼。其中的天井與我們下文要介紹的被動式下向通風(fēng)降溫系統(tǒng)(PDC，Passive Downdraught Cooling)[2]有異曲同工之妙。

1.2 濕度

比熱容越大，物體的吸熱或散熱能力越強。利用水蒸發(fā)吸熱的原理可以達到良好的降溫效果。將水的直接降溫冷卻技術(shù)與被動式下向通風(fēng)技術(shù)結(jié)合便可以形成被動式蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)技術(shù)，即PDEC技術(shù)?？赏ㄟ^利用水直接蒸發(fā)出的冷氣與引入室內(nèi)的冷空氣相混合產(chǎn)生溫度更低的冷空氣，改善了原本PDC制冷效率不高的缺點，進一步實現(xiàn)了減少甚至不使用機械通風(fēng)的目標。而在長江中下游地區(qū)，雨量大，水資源豐富，空氣濕度大，對于會加重空氣濕度的PDEC技術(shù)，應(yīng)用有很大的局限。因此，需要復(fù)合溶液除濕技術(shù)或者其他低能耗的技術(shù)使PDEC的應(yīng)用范圍更加的廣泛，也就形成了被動復(fù)合式下向通風(fēng)降溫技術(shù)(PHDC)。

2 PDC的原理與應(yīng)用局限

2.1 PDC的原理

PDC是指高空新鮮的冷空氣因密度大于室內(nèi)的熱空氣而從捕風(fēng)塔或天井自然重力下沉至室內(nèi)，并將建筑物內(nèi)的熱空氣上升排出，從而實現(xiàn)在室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)降溫目的的一種技術(shù)[2]。類似于圖1。

被動式下向通風(fēng)降溫系統(tǒng)在中東和我國嶺南傳統(tǒng)建筑中應(yīng)用比較普遍。我國的嶺南地區(qū)夏季雖然濕度高，但溫度并不算高，所以僅靠冷巷、天井、天窗等捕風(fēng)裝置便可以滿足室內(nèi)熱舒適的需求。但在中東等干熱地區(qū)，由于氣候干熱，不能滿足舒適度的需求，所以常常在捕風(fēng)窗口附近設(shè)置水罐，通過水分蒸發(fā)進一步冷卻干燥的熱空氣，以獲得舒適的涼風(fēng)(見圖2)[2]。中東的這種降溫模式正是PDEC的起源。

2.2 優(yōu)點和局限

對我國一些白天溫暖，晝夜溫差較大的地區(qū)的同類型建筑設(shè)計有借鑒意義。在城市的中心區(qū)域以及空氣污染較嚴重的區(qū)域，PDC的應(yīng)用范圍會更加廣泛。

但是被動式下向通風(fēng)系統(tǒng)受自然風(fēng)的局限性的影響比較大，風(fēng)量和風(fēng)向都是不可控的，整個系統(tǒng)都很不穩(wěn)定，有時降溫的效果也很不明顯，所以需要和其他的低能耗降溫技術(shù)復(fù)合，形成被動復(fù)合式下向通風(fēng)降溫技術(shù)。

3 PDEC——PDC的延伸發(fā)展

3.1 蒸發(fā)冷卻的基本原理

水在空氣中從液態(tài)蒸發(fā)為氣態(tài)需要消耗大量的熱，在標準狀況下，水溫每升高1 ℃，需要消耗4.18×106J/kg，蒸發(fā)則需消耗2.26×109J/kg。

3.2 PDEC的原理

PDEC技術(shù)分為：1)為產(chǎn)生溫度更低的冷空氣可以通過利用水的直接蒸發(fā)產(chǎn)生冷空氣。2)先利用PDC的原理將室外空氣引入塔內(nèi)，再利用蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生冷空氣，如同空調(diào)制冷一樣。

3.3 PDEC的理論研究

傳統(tǒng)風(fēng)塔的缺點：1)風(fēng)量較小，風(fēng)速較低時，通風(fēng)效果差。2)當水的表面積不夠大，不能與空氣充分接觸且蒸發(fā)效果不好時，通風(fēng)效果也較差。

所以為使空氣和蒸發(fā)水能更好的接觸可以采用噴水系統(tǒng)，包括噴霧水系統(tǒng)、噴淋水系統(tǒng)以及混合噴水系統(tǒng)。

塔的高度與噴水顆粒的大小等有關(guān)，水的顆粒越細越接近于霧狀，水分蒸發(fā)越快，則塔的降溫效率越高。

3.4 PDEC在濕熱地區(qū)應(yīng)用的利弊

在我國的長江中下游地區(qū)，夏季炎熱，多陰雨天氣。梅雨時節(jié)，陰雨綿綿；夏季炎熱。在這種氣候炎熱潮濕的地方更加迫切的需要加強自然通風(fēng)對室內(nèi)降溫，減少人們在夏季對空調(diào)的依賴。充足的通風(fēng):1)可以減少夏季人們得空調(diào)病的幾率。2)可以減少室內(nèi)過多氤氳的水汽，減少墻體霉斑，延長建筑材料的使用壽命。3)使室內(nèi)不易滋生細菌。4)提高人們在室內(nèi)的舒適度。

雖然PDEC在干熱地區(qū)的應(yīng)用效果是很顯著的，但是干熱地區(qū)某種程度上水資源也是比較的匱乏的。如果能將PDEC應(yīng)用在我國的長江中下游地區(qū)即濕熱地區(qū)，既能充分利用當?shù)爻渥愕乃Y源優(yōu)勢，又能降低夏季室內(nèi)難耐的高溫，達到節(jié)能減排的目的，可以說是兩全其美的辦法。但是在濕度要求比較高的濕熱地區(qū)實際應(yīng)用起來就會產(chǎn)生一定的弊端，而且水汽的蒸發(fā)也會不徹底，大大降低室內(nèi)降溫的效果。因此，我們需要在PDEC技術(shù)的基礎(chǔ)上再進一步復(fù)合一種除濕技術(shù)，既可以產(chǎn)生符合濕度要求的冷空氣，又可以對冷空氣進行再處理以達到其他的空氣質(zhì)量要求，從而形成被動復(fù)合式下向通風(fēng)降溫技術(shù)。

4 PHDC——PDC/PDEC與低能耗技術(shù)的復(fù)合發(fā)展

4.1 PHDC的原理

PHDC主要是利用高空的壓力小風(fēng)速大的特點，再通過天井、風(fēng)塔或經(jīng)過改造的捕風(fēng)設(shè)備將冷空氣引入室內(nèi)，且當室外條件受到限制時，可以復(fù)合其他的技術(shù)產(chǎn)生符合條件的冷空氣。PHDC系統(tǒng)雖然較PDEC系統(tǒng)更為復(fù)雜，造價也更高，但是相較于傳統(tǒng)的空調(diào)依然可以節(jié)省25%的能耗，造價更低，應(yīng)用也更加靈活。

4.2 PHDC在當前的應(yīng)用與研究

根據(jù)冷氣產(chǎn)生的方法不同，可以將PHDC技術(shù)分為多級蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)、冷卻水盤管降溫下向通風(fēng)技術(shù)及除濕加多級蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)技術(shù)等[2]。

1)多級蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)技術(shù)[2]，即指為得到技術(shù)所需的冷空氣進行多次蒸發(fā)冷卻的技術(shù)。

2)冷卻水盤管復(fù)合下向通風(fēng)降溫技術(shù)[2]，即指為得到?jīng)]有增加空氣濕度的冷空氣將冷卻水與空氣間接接觸的技術(shù)。由于其濕度適合，所以該技術(shù)在干熱和混熱地區(qū)皆可應(yīng)用。最早的PHDC建筑主要利用壓縮機制冷產(chǎn)生冷卻水，但是這和現(xiàn)代的制冷設(shè)備一樣耗能大且效率不高。在現(xiàn)在的大時代背景下，無論哪個地區(qū)或國家都需要節(jié)能減排，所以應(yīng)優(yōu)先考慮耗能低的產(chǎn)生冷卻水的方式，如利用地下水的水源熱泵系統(tǒng)產(chǎn)生冷卻水等[2]。

3)除濕復(fù)合多級蒸發(fā)冷卻下向通風(fēng)降溫技術(shù)[2],即通過復(fù)合除濕和多級蒸發(fā)冷卻技術(shù)以產(chǎn)生濕度較低的冷空氣。

其中第三種技術(shù)是最符合我國南方濕熱地區(qū)的降溫需求，解決了該地區(qū)影響室內(nèi)舒適度最主要的問題,即除濕。當然目前，溶液除濕空調(diào)也已逐步實現(xiàn)在居民建筑中的應(yīng)用[2]。

4.3 溶液除濕降溫技術(shù)的原理

溶液除濕技術(shù)就是利用濃溶液對空氣中的水蒸氣進行除濕，產(chǎn)生的稀溶液再通過加熱再生利用，用熱能或溶液的余熱代替電能從而大大減少了電能的消耗。溶液除濕空調(diào)主要便是利用這種除濕原理。而要實現(xiàn)降溫還需要將除濕的空氣經(jīng)過間接和直接的蒸發(fā)冷卻產(chǎn)生溫度低于室內(nèi)舒適性溫度2 ℃～5 ℃的冷空氣,如圖3所示。

現(xiàn)在室內(nèi)空調(diào)除濕的原理是利用空氣中的水蒸氣遇冷冷凝成水，再流到接水盤從水管排出室內(nèi)，若長期不降空調(diào)拆卸清潔易滋生細菌，形成隱蔽的生物污染源。且通過這種方式，由于會將室內(nèi)空氣長時間維持在較低的溫度，人們?nèi)绻L時間待在室內(nèi)便會產(chǎn)生不適感。所以利用這種溶液除濕降溫的技術(shù)不僅可以解決這些問題而且還能對空氣產(chǎn)生一定程度的消毒殺菌的效果，為人們提供了一個健康和舒適的居住環(huán)境。

5 結(jié)語

PDC主要解決的是在高聳的建筑物群中實現(xiàn)室內(nèi)降溫的問題。隨著相關(guān)研究在實際中的廣泛引用，PDC技術(shù)成為在過渡季節(jié)成功替代常規(guī)空調(diào)實現(xiàn)降溫的被動式通風(fēng)降溫技術(shù)之一。PDEC主要解決的是在氣候炎熱且干旱的地區(qū)實現(xiàn)過渡季室內(nèi)降溫的問題。當室外氣溫較高，濕度較大且空氣質(zhì)量較差時，可采用除濕與其他低能耗技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生冷空氣的技術(shù)，與PDC技術(shù)復(fù)合形成的PHDC系統(tǒng)代替常規(guī)空調(diào)[2]。

目前已有不少成功實例證明PHDC技術(shù)可以應(yīng)用在我國的濕熱地區(qū)實現(xiàn)通風(fēng)降溫的目的，但是大多數(shù)例子都是公共的大型建筑，在小住戶中的應(yīng)用仍有許多的研究空間。希望通過將來的研究能將PHDC技術(shù)與各種系統(tǒng)復(fù)合，如雨水循環(huán)系統(tǒng)、太陽能等，建造綠色小區(qū)，為人們帶來冬暖夏涼的舒適生活，提高幸福指數(shù)。