廣西濕熱盆地城市建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)應(yīng)用研究

□ 楊 修 張禧龍 賀雪晴 胡棋譽 秦書峰

隨著城鎮(zhèn)化率的提高，城市建成區(qū)面積不斷擴大，城市下墊面的透水性越來越差，人均汽車擁有量大，是造成熱島效應(yīng)顯現(xiàn)的主要原因。近年來，廣西年平均氣溫呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，特別是南寧、百色、梧州等幾個典型盆地城市。南寧市由于高山環(huán)繞等地形地勢因素，會出現(xiàn)弱風(fēng)、靜風(fēng)現(xiàn)象[1]，平均風(fēng)速低，導(dǎo)致室內(nèi)熱量不能及時排出外窗。因此，依賴空調(diào)降低室內(nèi)溫度，導(dǎo)致空調(diào)用電量持續(xù)不斷增加。外窗是建筑節(jié)能的重點部位，解決外窗的降溫問題是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，而被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)是解決該問題的有效方法之一。

建筑噴霧技術(shù)是通過高壓水泵和噴頭將普通的水加壓噴射成霧水，釋放到空氣和物體表面，水分子與空氣、表面形成熱交換蒸發(fā)，以此降低溫度[2]。南寧市有應(yīng)用噴霧技術(shù)的條件及應(yīng)用案例，如園博園、藥用植物園、南湖公園等都采用了噴霧技術(shù)。景區(qū)內(nèi)形成唯美的云霧美景，噴霧區(qū)域空氣溫度明顯下降，是避暑納涼的好去處，廣受市民喜愛。但是，這種高效降溫技術(shù)在建筑外窗的應(yīng)用還較少，推廣度也不高。本文分析南寧市建筑外窗熱工存在的可再生資源利用問題，研究被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)在建筑外窗等透明圍護結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 建筑外窗熱工環(huán)境存在的問題

本文對南寧市5大城區(qū)近30年住宅區(qū)建筑外窗現(xiàn)狀進行廣泛的調(diào)研和分析，總結(jié)出以下問題。

1.1 建筑外窗面積大，遮陽措施少

建筑外窗遮陽能減少太陽輻射。目前許多建筑外墻使用大面積窗戶，取消外窗遮陽設(shè)施，導(dǎo)致建筑圍護結(jié)構(gòu)和室內(nèi)的溫度因吸收過多太陽輻射而升高，空調(diào)制冷能耗居高不下。當(dāng)前，新建建筑已經(jīng)從單層玻璃幕墻向多層玻璃幕墻發(fā)展，然而節(jié)能效果并不明顯。

1.2 太陽輻射強度大，濕度高

廣西濕熱盆地城市大多位于北回歸線附近，由于受盆地地形地勢的影響，從東南沿海吹來的季風(fēng)被十萬大山等阻擋，夏季降雨量、濕度大，風(fēng)速低，且太陽輻射強度較大，日平均氣溫高，外窗接收到的太陽輻射不能及時被風(fēng)帶走，不利于建筑節(jié)能，詳見表1。

表1 各城市典型氣象數(shù)據(jù)一覽表

1.3 水資源循環(huán)利用率低，浪費嚴(yán)重

第一，居住小區(qū)雨水資源循環(huán)利用率低。南寧市雖然較早列入國家海綿城市示范城市，但在居住區(qū)項目大規(guī)模實施還是從2018年開始。由于設(shè)計、施工水平等客觀因素，相關(guān)設(shè)備的使用率也相對較低。根據(jù)規(guī)劃要求，新建項目徑流總量控制率需達(dá)80%，改建項目經(jīng)濟總量控制率需達(dá)70%[3]，然而，雨水資源可循環(huán)利用率仍相對較低，廣西其他城市的海綿城市建設(shè)與南寧市相比較滯后，所以雨水資源循環(huán)的利用還大有可為。

第二，在廣西多數(shù)濕熱盆地地區(qū)，空調(diào)冷凝水資源得不到有效利用，造成很大的浪費?？照{(diào)運行時，當(dāng)空氣中的水蒸氣遇到低于空氣露點溫度的空調(diào)內(nèi)部表面時，凝結(jié)成冷凝水并排放至出水口[4]。大部分情況下，空調(diào)冷凝水可用于植物澆灌、沖洗及制冷等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)大部分的空調(diào)冷凝水直接排放至地面水溝，未進行統(tǒng)一收集。空調(diào)冷凝水相對于其他水源，其優(yōu)點是溫度低、水質(zhì)相對較好，不會產(chǎn)生水垢，具有一定的制冷能力。

第三，由于在城市建設(shè)中存在部分區(qū)域的雨水、中水、冷凝水無序排放等問題，如不能妥善處理，則容易滋生細(xì)菌，不利于營造安全衛(wèi)生的生活環(huán)境。

1.4 缺乏風(fēng)環(huán)境規(guī)劃，局部地區(qū)靜風(fēng)頻率高

從國土空間角度來看，各城市之間目前還未進行整體通風(fēng)廊道的統(tǒng)一規(guī)劃，總體風(fēng)環(huán)境仍有待進一步研究。從城市層面來看，各城市總體規(guī)劃中一般會編制風(fēng)環(huán)境的規(guī)劃，但是基于城市地形環(huán)境等客觀原因，實施效果較難得到保障，而且以現(xiàn)有的技術(shù)也無法評估風(fēng)環(huán)境的作用。從小區(qū)建筑布局來看，無論是哪個年代建設(shè)的小區(qū)，大部分都是封閉管理的狀態(tài)，由于廣西大部分城市沿街一般都設(shè)置成店鋪，使得小區(qū)住宅及商業(yè)采用圍合式布局，而且大多老舊社區(qū)內(nèi)部沒有設(shè)置底層架空，在如此的條件下，小區(qū)內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)靜風(fēng)狀態(tài)，通風(fēng)環(huán)境較差。

2 基于被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)的可再生資源分析—以南寧市為例

作為典型的濕熱盆地城市，南寧市的氣象數(shù)據(jù)具有一定的普遍適用性，本文對南寧市進行可再生資源分析，包括太陽能及可再生水資源特點。

2.1 太陽能資源特點及利用

南寧市年太陽能總輻射量為4362MJ/m2，從資源分類來看屬于第3類地區(qū)（資源較一般地區(qū)），太陽能保證率為45%[5]。李琳對太陽能發(fā)電效率的研究[6]，南寧市的發(fā)電利用多面體的形式如圖1所示。圖中主要表達(dá)平屋面、斜屋面和垂直立面3個部分的發(fā)電效率，從中可以看到斜面獲得最多的太陽能輻射量，可為規(guī)劃設(shè)計和建筑屋頂設(shè)計提供參考。

圖1 南寧市太陽能利用多面體

2.2 可再生水資源利用分析

2.2.1 海綿城市建設(shè)

通過海綿城市的規(guī)劃建設(shè)，雨水落到城市地面后，經(jīng)透水路面、草地、公園滲透至集水管，再通過凈化后回收，其余的可以由市政管道排向洼地，經(jīng)過這些處理，可有效吸納雨水，降低內(nèi)澇風(fēng)險。因南寧市年均降水量較豐富，在海綿城市建設(shè)規(guī)劃的制定中，考慮實際地質(zhì)情況，設(shè)定的年徑流總量為75%左右，城市中心建成區(qū)控制量相對較低，市郊及五象新區(qū)要求相對較高。目前，存水主要用于綠化澆灌、道路沖洗等。如何高效利用存水將是未來主要考慮的方向。

2.2.2 空氣濕度特點及冷凝水產(chǎn)生量計算

南寧處于夏熱冬暖地區(qū)，降雨多，四周被高山包圍，空氣濕度高，空調(diào)使用時間長，因此會產(chǎn)生大量的冷凝水。而冷凝水具有溫度低、水質(zhì)軟等優(yōu)點，非常適用于建筑圍護結(jié)構(gòu)的降溫，有很大的利用價值。郭玉潤對冷凝水產(chǎn)生量的研究，按照新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷凝水計算方法，在相關(guān)規(guī)范中可以查到南寧的氣象數(shù)據(jù)（空調(diào)季時間為200d，干球計算溫度34.5℃，濕球計算溫度27.9℃，相對濕度61.4%），將數(shù)據(jù)代入計算公式得到南寧市的冷凝水產(chǎn)生潛力為627.52g water/kg air，在全國省會城市中排名第二[7]。而南寧市夏季的實際空氣濕度達(dá)到80%，高于規(guī)范數(shù)據(jù)，由此可見南寧市的冷凝水資源非常豐富。

總的來說，南寧市具備較好的太陽能資源利用條件，可以通過光伏發(fā)電系統(tǒng)提供一定的電力；并在水源方面具有良好的海綿城市基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過對海綿城市設(shè)施的利用研究，可提供可再生雨水資源；同時，空調(diào)運行也能夠提供豐富的低溫冷凝水資源。這些資源可以為被動式噴霧蒸發(fā)降溫提供基礎(chǔ)的應(yīng)用條件。

3 建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)及應(yīng)用特點

3.1 建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)的特點

（1）降溫效率高、效果顯著。水經(jīng)過加壓泵和霧化噴頭形成細(xì)水霧，水的表面積增加，蒸發(fā)吸收周邊空氣熱量，氣溫得以降低。

（2）增加空氣濕度。噴出的水霧既能降低空氣溫度又可以增加空氣的濕度，提高環(huán)境舒適度。

（3）凈化空氣。噴霧形成的細(xì)水滴與漂浮的微塵相結(jié)合，待形成較大的水滴后由于重力作用降落到地面，可起到凈化空氣的作用。

（4）基本配置較簡單、運行費用低。由于噴霧設(shè)備較為簡單，消耗水量較小，水泵能耗不高，運營費用相對較低。

3.2 噴霧蒸發(fā)降溫的影響因素

（1）空氣流動的影響。噴霧可以降低周邊空氣溫度，同時增加濕度，而濕度太大蒸發(fā)吸收的熱量也隨之減少，空氣流動保證了蒸發(fā)效率。但是過大風(fēng)速會將還未蒸發(fā)的水霧帶走，同樣會影響蒸發(fā)效率。

（2）空氣濕度的影響。濕熱盆地城市空氣濕度較高，使噴霧降溫的效率較低。

（3）霧化水滴大小的影響。水滴越小，同一單位的水形成表面積越大，越有利于蒸發(fā)冷卻。

（4）噴霧水壓的影響。噴霧形成的水滴大小與水泵壓力有關(guān)，壓力達(dá)到一定的大小才能達(dá)到合適的噴霧效果。

3.3 建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)應(yīng)用特點

3.3.1 噴霧可以有效遮陽

噴霧形成的水霧可以有效遮擋陽光。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，噴霧可以遮擋太陽輻射進入室內(nèi)，霧?？梢苑瓷洳恍枰臒彷椛鋄8]，降低外窗及室內(nèi)的熱量。水霧還可以降低紫外線輻射進入室內(nèi)，保護室內(nèi)人員皮膚。

3.3.2 對外窗直接噴霧可以有效降低外窗溫度，營造城市微氣候條件

外窗噴霧被動蒸發(fā)可降低圍護結(jié)構(gòu)表面溫度，農(nóng)業(yè)建筑很早就應(yīng)用該項技術(shù)保護溫室內(nèi)的植物。在建筑立面上應(yīng)用該技術(shù)，可降低外窗表面溫度，還可以降低窗外的空氣溫度，有利于營造室外空間小氣候。同時，如建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)能與地下蓄水系統(tǒng)銜接，還可以對城市街道噴霧降溫，為行人提供涼爽的行走空間。日本東京街頭采用從樹上噴出細(xì)水霧的方式，降低街道空氣溫度[9]；丹麥哥本哈根的納來布羅進行氣候地磚試點項目，水霧從街道地磚中散發(fā)出來，實現(xiàn)“人在水上行走”的意境。屋頂、外墻、地面都可以采用被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)營造舒適的城市微氣候環(huán)境，有利于降低熱島效應(yīng)的影響。

3.3.3 噴霧可以有效利用可再生水資源

以往噴霧設(shè)備體量巨大，價格昂貴，噴射的霧滴粒徑大，不適合應(yīng)用于建筑環(huán)境中。而隨著技術(shù)的發(fā)展，在高壓水泵小型化，電力、水源得到保證的情況下，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用成為可能。除了能利用太陽能光伏發(fā)電電力，還可以從海綿城市系統(tǒng)、空調(diào)冷凝水等多渠道獲得水源，經(jīng)過有效滅菌處理可應(yīng)用于降溫工程中。以上應(yīng)用方式加強可再生資源的利用率，響應(yīng)國家“碳中和”目標(biāo)。

4 結(jié)語

建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)是一種高效利用資源且節(jié)能的降溫技術(shù)手段。廣西濕熱盆地城市具有良好的被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)應(yīng)用條件，如果能在外窗及周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可實現(xiàn)噴霧的電力供應(yīng)，設(shè)置雨水、冷凝水蓄水設(shè)施將實現(xiàn)水源供應(yīng)，加上建筑外窗遮陽的合理設(shè)計，完全可以實現(xiàn)建筑被動式噴霧蒸發(fā)降溫一體化。在社會用電不斷攀升、極端環(huán)境高頻出現(xiàn)的情況下，采用被動式噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)可合理利用可再生資源，降低建筑能耗，營造舒適的建筑熱環(huán)境，實現(xiàn)人們對美好生活環(huán)境向往和追求。