被動復合式下向通風降溫技術的探索和研究

孫藝雯 田興旺 王子赫 劉晶茹 張宏偉 郭海娟

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

在我國的長江中下游地區，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，空調已經在我國實現了普及化。但是，空調在為我們提供舒適環境的同時，也帶來了不少全球性的環境問題，例如：臭氧層空洞、熱島效應、全球變暖等。首先，由于空調能耗大在室內能源消耗中占首位，所以造成了大量的能源浪費；其次，空調排放的CO2和熱量會加劇城市熱島效應，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致某些皮膚病。所以，減少空調在過渡季甚至夏季的使用率是實現節能減排的關鍵。

1 營造舒適的建筑室內熱環境的兩個關鍵因素

1.1 溫度

為實現夏季降溫，對圍護結構進行合理的設計，使其形成穿堂風，是最為有效經濟的手段。但是由于現代建筑的內部結構趨于復雜化，功能性也趨于多樣化，還要考慮整體的美觀和設計，正常的自然通風多數情況下已不能滿足室內熱環境的舒適性需求。所以，在考慮一些傳統建筑的優勢的時候，首先聯想到的便是中國傳統的徽派建筑和嶺南建筑?！坝刑媒跃笔腔张山ㄖ囊淮筇厣?。而嶺南地區的傳統建筑也常利用內院、天井、冷巷、天窗、捕風窗等組織熱壓通風，從天空吸收新鮮清潔的冷空氣，避開惡風，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降溫系統(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與被動式下向通風技術結合便可以形成被動式蒸發冷卻下向通風技術，即PDEC技術?？赏ㄟ^利用水直接蒸發出的冷氣與引入室內的冷空氣相混合產生溫度更低的冷空氣，改善了原本PDC制冷效率不高的缺點，進一步實現了減少甚至不使用機械通風的目標。而在長江中下游地區，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，應用有很大的局限。因此，需要復合溶液除濕技術或者其他低能耗的技術使PDEC的應用范圍更加的廣泛，也就形成了被動復合式下向通風降溫技術(PHDC)。

2 PDC的原理與應用局限

2.1 PDC的原理

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

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

2.2 優點和局限

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

但是被動式下向通風系統受自然風的局限性的影響比較大，風量和風向都是不可控的，整個系統都很不穩定，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復合，形成被動復合式下向通風降溫技術。

3 PDEC——PDC的延伸發展

3.1 蒸發冷卻的基本原理

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

3.2 PDEC的原理

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

3.3 PDEC的理論研究

傳統風塔的缺點：1)風量較小，風速較低時，通風效果差。2)當水的表面積不夠大，不能與空氣充分接觸且蒸發效果不好時，通風效果也較差。

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

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

3.4 PDEC在濕熱地區應用的利弊

在我國的長江中下游地區，夏季炎熱，多陰雨天氣。梅雨時節，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對室內降溫，減少人們在夏季對空調的依賴。充足的通風:1)可以減少夏季人們得空調病的幾率。2)可以減少室內過多氤氳的水汽，減少墻體霉斑，延長建筑材料的使用壽命。3)使室內不易滋生細菌。4)提高人們在室內的舒適度。

雖然PDEC在干熱地區的應用效果是很顯著的，但是干熱地區某種程度上水資源也是比較的匱乏的。如果能將PDEC應用在我國的長江中下游地區即濕熱地區，既能充分利用當地充足的水資源優勢，又能降低夏季室內難耐的高溫，達到節能減排的目的，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實際應用起來就會產生一定的弊端，而且水汽的蒸發也會不徹底，大大降低室內降溫的效果。因此，我們需要在PDEC技術的基礎上再進一步復合一種除濕技術，既可以產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量要求，從而形成被動復合式下向通風降溫技術。

4 PHDC——PDC/PDEC與低能耗技術的復合發展

4.1 PHDC的原理

PHDC主要是利用高空的壓力小風速大的特點，再通過天井、風塔或經過改造的捕風設備將冷空氣引入室內，且當室外條件受到限制時，可以復合其他的技術產生符合條件的冷空氣。PHDC系統雖然較PDEC系統更為復雜，造價也更高，但是相較于傳統的空調依然可以節省25%的能耗，造價更低，應用也更加靈活。

4.2 PHDC在當前的應用與研究

根據冷氣產生的方法不同，可以將PHDC技術分為多級蒸發冷卻下向通風、冷卻水盤管降溫下向通風技術及除濕加多級蒸發冷卻下向通風技術等[2]。

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

2)冷卻水盤管復合下向通風降溫技術[2]，即指為得到沒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。由于其濕度適合，所以該技術在干熱和混熱地區皆可應用。最早的PHDC建筑主要利用壓縮機制冷產生冷卻水，但是這和現代的制冷設備一樣耗能大且效率不高。在現在的大時代背景下，無論哪個地區或國家都需要節能減排，所以應優先考慮耗能低的產生冷卻水的方式，如利用地下水的水源熱泵系統產生冷卻水等[2]。

3)除濕復合多級蒸發冷卻下向通風降溫技術[2],即通過復合除濕和多級蒸發冷卻技術以產生濕度較低的冷空氣。

其中第三種技術是最符合我國南方濕熱地區的降溫需求，解決了該地區影響室內舒適度最主要的問題,即除濕。當然目前，溶液除濕空調也已逐步實現在居民建筑中的應用[2]。

4.3 溶液除濕降溫技術的原理

溶液除濕技術就是利用濃溶液對空氣中的水蒸氣進行除濕，產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。溶液除濕空調主要便是利用這種除濕原理。而要實現降溫還需要將除濕的空氣經過間接和直接的蒸發冷卻產生溫度低于室內舒適性溫度2 ℃～5 ℃的冷空氣,如圖3所示。

現在室內空調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，若長期不降空調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，由于會將室內空氣長時間維持在較低的溫度，人們如果長時間待在室內便會產生不適感。所以利用這種溶液除濕降溫的技術不僅可以解決這些問題而且還能對空氣產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境。

5 結語

PDC主要解決的是在高聳的建筑物群中實現室內降溫的問題。隨著相關研究在實際中的廣泛引用，PDC技術成為在過渡季節成功替代常規空調實現降溫的被動式通風降溫技術之一。PDEC主要解決的是在氣候炎熱且干旱的地區實現過渡季室內降溫的問題。當室外氣溫較高，濕度較大且空氣質量較差時，可采用除濕與其他低能耗技術結合產生冷空氣的技術，與PDC技術復合形成的PHDC系統代替常規空調[2]。

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