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建筑物被动蒸发冷却技术研究进展和趋势

发表日期:2020/4/20 10:11:41 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

被动蒸发冷却技术主要应用于气候炎热和干旱的国家和地区,如伊朗、埃及、印度以及我国新疆、青海等地。然而,直到能源节约时期,这一重要技术的使用才得到更多扩展。众多的研究者重新开始对被动冷却技术进行研究,特别是在新材料、热舒适、能源效率、新设计等方面取得了重要进展。

近几年,有关被动蒸发冷却技术的原理特点,研究进展,应用现状已有一些报道。邱静等综述了国内外被动蒸发冷却下向通风降温技术的研究与应用,贾曼等设计并测试了太阳能烟囱复合被动蒸发冷却通风降温系统的冷却性能,康雅雄等对应用被动蒸发冷却技术的冷却风塔在干燥地区的应用进行了系统研究。为了使本文的侧重点区别于前述的被动蒸发冷却技术评述工作,本文的组织思路如下:首先利用Thomos Reuters公司开发的信息检索平台Science Citation Index Expanded(SCIE)对被动蒸发冷却技术的研究论文进行统计分析;其次,对被动蒸发冷却技术的主要特色进行对比分析,着重综述了被动蒸发冷却技术在建筑围护结构的应用以及多孔材料的被动冷却性能;最后,提出了未来被动蒸发冷却技术的发展建议,旨在为该技术的进一步研究与应用提供最新和详细参考。



1  被动蒸发冷却技术文献检索统计与分析

本文利用Thomos Reuters公司的检索平台Science Citation Index Expanded对被动蒸发冷却技术从2000—2019的研究趋势进行统计分析。检索主题为:Passive Evaporat and Cooling。结果显示,论文总收录量为373篇,剔除与建筑无关的113篇论文,被动蒸发冷却技术在建筑领域的相关研究共260篇,代表文章如表示1所示,逐年趋势见图1。

表1  近3年来有代表性的蒸发冷却技术文献汇总



图1  基于Science Citation Index Expanded统计的2000—2019年的被动蒸发冷却技术研究趋势

由图1看出2000—2010年蒸发冷却技术论文仅有11篇,2011以来蒸发冷却技术的研究处于爆发期,这与政府机构加大对蒸发冷却技术的支持力度不无关系。其中2016—2017论文发表出现猛增,分析认为这与2015年12月12日在巴黎气候变化大会上通过的《巴黎协定》关系密切,《巴黎协定》主要目标是将本世纪全球平均气候温度上升幅度控制在2 ℃以内,并将全球气温上升控制在前工业化时期水平之上1.5 ℃以内。蒸发冷却技术是真正的节能减排仿生空调,有助于降低全球气温。



2  主要被动蒸发冷却技术特色对比分析

纵观查得的260篇文献,主要研究集中在对建筑物围护结构进行冷却和多孔材料冷却性能研究方面。进一步分析发现,对建筑物围护结构的蒸发冷却主要集中在屋顶、外墙、窗、玻璃幕、阳台以及室内地板等。以下就其技术特色进行对比分析。

2.1  建筑物屋顶被动冷却技术

建筑物的屋顶、外墙、窗、玻璃幕、阳台等透光部分,以及室内地板均可实施被动蒸发冷却技术,其中针对屋顶的研究最多,这是因为在炎热的沙漠地区,建筑物获得的热量有50%或更多来自于屋顶。因此,合理的屋顶结构和材料对于减少建筑物能耗至关重要。

应用于建筑物屋顶的被动冷却技术有屋面水池、屋面铺设含湿材料以及设置空气隔热层。屋顶水池其蒸发冷却介质为水,既可用于夏季供冷,也可用于冬季供暖。屋顶蓄水后,太阳的辐射热由于水分的不断蒸发而削弱,同时,由于屋面的防水层处于水层之下,可以减少太阳紫外线对防水层的强烈照射,延缓防水层老化。很多国家已采用过这种蓄水屋面,如苏联曾已大面积将蓄水屋面用于纺织厂及其他工业厂房,美国和法国也不同程度地应用了蓄水屋面,我国四川也采用了蓄水屋面,综合效果很好。屋面铺设含湿材料是依靠含湿材料表面的水蒸气分压力高于周围环境大气中的水蒸气分压力,实现热量由屋顶传向大气。研究表明,太阳辐射强度一定程度的增大不但不会增加屋顶吸热,反而使得蒸发冷却效果增强。此外,大的风速也有利于蒸发冷却。可见蒸发冷却技术对于太阳辐射强度大,风速大的干旱地区尤其适用。试验得到,屋面铺设多孔含湿材料,可使建筑屋面降温约25 ℃,屋顶内表面降温约5 ℃,优于传统的蓄水屋面。屋顶设置空气隔热层使指在屋顶放置一些导热率低的支撑物,并在上面盖一层隔热板,这样在屋顶和隔热板之间就形成一个空气层,这个空气层就起到了隔热的作用,但是这种方法只能在减少建筑物得热方面有一定作用,不具有冬季供暖作用。

2.2  建筑物外墙被动冷却技术

应用于建筑物墙体的被动蒸发冷却技术主要有墙体内部设置空间层和墙体外表面铺设固体多孔含湿材料。空心砖或者双层砖体形成墙体内的空间层是最常见的建筑外墙冷却结构。该结构的空间结构可大大提高建筑物外墙的热阻值,使得建筑物围护结构热量的散失和得到都降低,其主要优势如下:1)不论是冬季还是夏季均可使用,具有全年使用价值;2)虽然冬夏室外温度变化,但是外墙的空间结构能够改善墙体内表面温度,可以提高用户的热舒适性;3)外墙的空间结构可以降低供热系统或者制冷系统的负荷。这种方式在许多建筑中得以应用,可以防止在冷气候条件下墙体结露。采用建筑物墙体内空间层通风要比采用密封墙体节约能量。

墙体外表面铺设含湿材料可以通过含湿材料的蒸发冷却作用降低墙体温度,同时吸收一定量的太阳辐射使得含湿材料的蒸发冷却作用增强。由于建筑物结构中墙体所占面积较大,所以应用这种方式可使得建筑物在整体上得以冷却,但在含湿材料补水方面应多加注意。铺设固体的多孔材料对于雨量丰富、风速大的地区(比如我国华南地区)在建筑物外表面及城市道路使用,初投资会比较大。

2.3  窗、玻璃幕、阳台等透光部分以及室内地板被动蒸发冷却技术

应用于建筑物窗、玻璃幕、阳台等的被动蒸发冷却技术是在位于低层建筑物的公寓,通过在部分的开放空间和阳台上设置一个简单水帘,建筑物外表面玻璃幕墙表面设置流动水膜,通过空气与水的热湿交换冷却加湿。如果使水和空气充分接触并使水和出口处的空气均达到平衡状态(饱和),那么系统里的空气达到的温度将近出口处空气的湿球温度。这种冷却方式使得建筑外表面美观,在炎热干旱季节提高建筑物内空气湿度,提高室内舒适性。适用于开放空间或玻璃幕墙大量存在的建筑物,宜于与其他冷却技术结合使用。

应用于建筑地板的被动冷却技术是在建筑物的地面以下结构(比如地下室、储藏室等),这种结构主要是使得建筑物地面蓄热能力增强,使建筑物室内空气温度曲线较为平稳,室内温度变化幅度较小。

2.4  多孔材料被动蒸发冷却性能研究

多孔建筑材料的蒸发冷却是建筑节能的重要被动策略之一。应用于建筑蒸发冷却的多孔材料很多,如多孔粘土砖、多孔陶瓷、羊毛等。近年来出现利用工农业废弃物制备绿色蒸发冷却材料。本文主要从研究对象、研究手段、研究内容等方面进行综述。

有关多孔材料冷却性能研究主要集中在材料性质以及环境因素对其冷却效果的研究。美国,日本、印度等国先后对多孔介质蓄水表面和自由水面的被动蒸发冷却机理和效果作了大量的研究,认为在相同的气候条件下,可使建筑节能24%。研究表明,松散材料和固体材料蒸发率有很大的不同。松散材料在内部进入空气后,水分毛细迁移是在颗粒的表面进行,易形成凸状连续的水分膜,水分子蒸发逸散时又受到相对较小的表面张力约束,故内部的湿迁移阻力小于固体情况,表面出松散材料对湿迁移有较强的敏感性,蒸发的速度快。而固体材料在连通孔进入空气后,内部的水分迁移过程是在泡孔及在内壁上完成,随着蒸发过程的进行,材料骨架所含水分就要通过泡孔的壁面逸散,此时,水分子是在泡孔的内壁上形成连续的凹状水膜,逸散时受到的约束较大,故表现为蒸发的速度慢,这些研究可广泛应用于大量城市非绿地表面和建筑表面。

除了材料性质对蒸发速率的影响外,环境因素对蒸发速率也有很大的影响。蒸发速率定义为单位时间从多孔材料的单位面积蒸发的水质量,蒸发冷却的效果在很大程度上取决于蒸发速率。空气温度、太阳辐射强度、风速和水蒸气分压4个气候因子是影响蒸发的主要因素。以多孔粘土砖为例,研究得到多孔砖的蒸发过程呈现3个阶段特征:即恒定的蒸发速率、下降的蒸发速率和较低的蒸发速率。通过对影响蒸发冷却过程的因素进行分析,得出太阳辐射强度、空气温度、水汽分压、风速等因素对蒸发冷却过程的影响程度由大到小依次为:太阳辐射强度、气温、水汽分压和风速。

从研究对象上来看,有的学者通过对屋面含湿砂层蒸发过程的研究,发现其温度波衰减规律,并获得常温下蓄热系数和热惰性指标,对干湿状态的热性能进行对比,验证后者优越的被动蒸发隔热性能及降低屋面最高温度的能力。有的学者针对某一地域夏季屋面铺设湿多孔材料进行实测研究,定量分析其隔热降温效果,说明蒸发隔热主要受材料含湿量和室外气候影响。有的对常见室外铺装材料进行研究,说明透水性地砖对缓解城市热岛效应具有积极意义。有的研究验证了多孔外墙的被动蒸发降温能力。

从研究手段上来看,利用风洞这种较为新型的实验设备来开展相关的试验研究。有的利用稳态风洞进行了种植屋面蒸发降温效果现场测试的对比实验,结果显示两者吻合较好。有的研究了风对多孔建筑材料表面干燥的影响,采用风洞验证所用的蒸发模型及材料特性数据。有的利用热湿气候风洞对不同厚度加气混凝土蓄水和干燥隔热性能、对多孔建筑材料表面换热系数、对不同多孔材料贴面墙体构件的隔热性能等进行研究。



3  结束语

被动蒸发冷却技术是一项有前景的资源节约、环境友好技术, 近年来备受关注。2011年以来被动蒸发冷却技术的研发处于爆发期。依据前期的被动蒸发冷却技术研究成果, 本文对比分析了各被动蒸发冷却技术的总体研究趋势、主要技术特色,主要结论与建议如下:

1)被动蒸发冷却这一可再生能源技术在国际上得到了越来越广泛地关注,在我国的新疆、甘肃、青海等大部分国土面积上会有巨大的应用潜力,建议相关的产学研人员积极参与与关注。

2)有关多孔材料冷却性能的研究,各国学者的研究手段、研究对象、研究结论仍然具有强烈的分散性,该领域尚需进一步深入挖掘。

3)虽然建筑物的围护结构均可实施被动蒸发冷却技术,就目前而言,针对屋顶的研究最多,建议适当关注。


(本文选自《制冷与空调》2020年2月刊,作者:罗杰任  黄翔  金洋帆  寇凡 ;未经许可,不得转载)



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