南寧市夏季建筑外窗噴霧蒸發(fā)降溫研究

楊 修, 張遠遙, 鐘志強, 郭耀澤, 秦書峰

(1.廣西大學廣西工程防災與結(jié)構安全重點實驗室，廣西南寧 530004；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州 510640)

[通信作者]秦書峰(1975—)，男，碩士,高級工程師，研究方向為建筑設計理論。

夏季建筑外窗的降溫是節(jié)能主要關注點，噴霧蒸發(fā)降溫技術具有高效、無污染、能耗低等特點[4]，其在外窗中的應用能有效降低玻璃表面溫度和建筑能耗，改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境[1]。南寧市位于廣西中南部，其北部有都陽山、大明山等山脈，西部的六詔山、四方嶺等山脈，南部的十萬大山山脈一起圍合形成了一個邕江河谷盆地，開口向東部。該區(qū)屬于亞熱帶季風氣候，位于夏熱冬暖地區(qū)，夏長冬短，夏季時長約半年，太陽輻射強度高，月平均氣溫達到27 ℃以上，氣候炎熱[2]，陽光充足，月太陽總輻射量均超過400 MJ/m2，日照時數(shù)較長，太陽能利用條件較好[3]。其年均降雨量達1 304.2 mm，降雨量較大且多在夏季，月平均相對濕度達到80%以上，體現(xiàn)出明顯的濕熱氣候特征，同時也具有良好的可再生資源應用條件。研究噴霧蒸發(fā)降溫技術在建筑外窗中的降溫潛力有利于減少建筑空調(diào)能耗，減少碳排放，研究結(jié)果可以指導南寧市超低能耗建筑技術的進一步發(fā)展，具有較好的實踐意義。

1 實驗研究

1.1 實驗設置

實驗設在廣西南寧市某高校室外空曠場地，2個實驗房長、寬、高均為2.0 m，由金屬夾芯板圍合而成，板中間由50 mm聚苯乙烯板做隔熱材料。測試的窗戶安裝在房間朝南的墻上，左側(cè)房間測試普通玻璃的性能，右側(cè)房間測試噴霧降溫的性能，兩房距離約為5 m，以避免相互遮擋影響。2扇外窗面積均為1.2 m2，高1.2 m，寬1.0 m，單層玻璃窗為6 mm厚的玻璃，雙層玻璃窗由2層6 mm普通玻璃和1層12 mm空氣夾層組成，3層玻璃窗則是3層6 mm玻璃和2層12 mm空氣夾層。噴霧噴頭設置在窗上下兩側(cè)，噴霧用水主要是市政給水以及空調(diào)冷凝水。水通過高壓噴霧設備加壓被輸送到噴頭并噴出水霧，水霧接觸到空氣和玻璃表面后蒸發(fā)吸熱，降低了空氣和玻璃表面溫度，沿著玻璃流下來的水經(jīng)過收集后排放至雨水管道。

實驗在2020年7月-10月進行，測試日天氣均為晴天，日累積太陽輻射值均超過20 000 W/m2，氣候非常炎熱，日間平均溫度高于30 ℃。設備水壓約為0.3 MPa，噴霧時間為2 min，間隔時間為12 min。市政用水提供的供水溫度在30 ℃左右，給水管絕緣良好。

實驗氣象數(shù)據(jù)來源于樓頂?shù)耐聊緦W院氣象站以及華藍設計集團華東路氣象站。采用T型熱電偶測量玻璃的表面溫度，熱電偶適用范圍為-200～260 ℃，精度為±1.0 ℃，測試前均對所有傳感器進行了校準。玻璃表面的溫度傳感器直接暴露在太陽輻射下，測試溫度和精度可能會受到太陽直射的影響，因此需要在傳感探頭上涂上硅脂，并在外面貼上高反射率的薄鋁箔片來遮擋陽光。上述參數(shù)采用安捷倫數(shù)據(jù)記錄儀進行記錄。

1.2 實驗結(jié)果

1.2.1 不同噴霧間隔時間對外窗表面降溫的影響

在2020年7月23日—7月26日連續(xù)4天進行了不同間隔時間噴霧的降溫實驗，測試窗為單層玻璃窗，單次噴霧時間均為2 min，間隔時間依次為8 min、10 min、12 min、15 min，每個工況為第1天早6:00至第2天早6:00，選擇其中8個時段(6:00—8:00、9:00—11:00、12:00—14:00、15:00—17:00、18:00—20:00、21:00—23:00、0:00—2:00、3:00—5:00)進行噴霧測試，測試日氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 7月23日—7月27日太陽輻射強度、空氣溫度、水溫

經(jīng)對比分析，噴霧時間間隔越短降溫持續(xù)效果越好，間隔8 min時噴霧窗外表面最大降溫幅度達到4 ℃，持續(xù)變化波動較少，間隔10 min和12 min時噴霧窗外表面溫度最大降溫幅度約為3 ℃，間隔15 min時降溫幅度較低，在中午時段基本上剛噴完表面溫度就急速回升，夜間的降溫幅度也僅有1 ℃左右，效果不明顯。此外，夜間的噴霧降溫效果明顯好于白天，說明夜間的噴霧也能取得較好的效果(圖2)。

圖2 7月23日—7月26日窗戶表面溫度變化

2.2.2 不同時段外窗表面降溫實驗研究

為比較一天中不同時段噴霧對外窗表面溫度的影響，在以上測試數(shù)據(jù)中選取7月25日6:00至7月26日6:00進行各時段進行噴霧降溫分析，氣象及測試數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 外窗噴霧狀態(tài)下表面溫度

一天當中氣溫最高時玻璃表面降溫幅度最大，達到3.8 ℃，但是平均溫度也達到了35 ℃左右，中午和傍晚次之，降溫幅度達到3.5 ℃，溫度在33 ℃左右，清晨和夜間噴霧降溫幅度最小，約為3 ℃左右，3:00—5:00、6:00—8:00期間玻璃表面溫度降到最低，為28.4 ℃左右，與環(huán)境溫度持平，夜間21:00到早晨8:00，玻璃表面溫度較穩(wěn)定，變化不大(表1)。

2.2.3 不同玻璃層數(shù)外窗內(nèi)表面降溫實驗研究

為了比較噴霧狀態(tài)下對不同玻璃層數(shù)外窗溫度的影響，測試窗分別采用了單層玻璃窗、雙層玻璃窗和3層玻璃窗3種類型的窗戶，測試了窗戶玻璃內(nèi)表面溫度，噴霧時間2 min，間隔12 min，從早8:00開啟，第二天早6:00關閉。測試日分別2020年是9月12日、2021年9月20日、9月29日，氣象數(shù)據(jù)和供水溫度見圖4。

表1 噴霧后各時段玻璃表面溫度降幅和平均溫度 單位：℃

圖4 測試日太陽輻射強度、空氣溫度、水溫

分析發(fā)現(xiàn)當溫度達到一天中最高峰時，由于太陽輻射的作用，水霧剛剛噴射后就迅速蒸發(fā)，此時的降溫效率最高，說明噴霧具有優(yōu)異的降溫性能。相對來說，單層玻璃降溫幅度最大，雙層玻璃次之，3層玻璃最小，這是由于3種窗的隔熱性能所決定的。單層玻璃傳熱系數(shù)高，容易受到外界溫度變化影響，3層玻璃傳熱系數(shù)低，除了12:00—18:00外表面有明顯的降溫，其他時間與對比窗內(nèi)表面溫度差別不大，見圖5。雙層玻璃降溫的幅度比較穩(wěn)定，說明南寧地區(qū)雙層玻璃的噴霧降溫具有很好的應用前景。

圖5 窗戶內(nèi)表面溫度

2.2.4 不同水溫外窗表面降溫實驗研究

為比較不同溫度的供水噴霧對玻璃表面溫度的影響，在2020年10月10日、17日進行不同水溫噴霧的降溫實驗，2扇外窗均為單層玻璃，水溫分別選取了22 ℃、26 ℃、30 ℃，時間記錄跨度為60 min，噴霧時間為10 min，測試時間內(nèi)2扇玻璃均受到太陽直射。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同水溫噴霧狀態(tài)下玻璃表面溫度

22℃的水從11:20am(10月10日)開始噴霧，測試玻璃表面在10 min后溫度從35 ℃降到26.2 ℃，降幅8.8 ℃，60 min后溫度仍比對比玻璃表面低4 ℃。26 ℃的水從1:30pm(10月17日)開始噴霧，測試玻璃表面在10 min后溫度從35 ℃降到36.4 ℃，降幅8.6 ℃，60 min后溫度與對比玻璃表面溫度持平。30℃的水從11:07 am(10月17日)開始噴霧，測試玻璃表面在10 min后溫度從35 ℃降到27 ℃，降幅為8 ℃，約40 min后噴霧玻璃表面上升回到跟對比表面溫度一樣的溫度。從溫度降幅來看，玻璃表面溫度的降幅都在8 ℃左右，水溫越低降幅越大，但是總體相差不大；從降溫持續(xù)時間來看，水溫越低降溫持續(xù)時間越長，22 ℃的水噴霧10 min降溫持續(xù)超過1 h，而30 ℃的水噴霧10 min降溫持續(xù)時間為40 min左右。

3 實驗分析與應用策略

3.1 噴霧時段以及噴霧間隔時間的效果分析

噴霧狀態(tài)下白天的玻璃表面溫度波動較大，降溫效率較高，但是由于太陽輻射強度太大，需要增加噴霧時間和頻率才能獲得更好的效果，因此需要根據(jù)用水量和節(jié)能效果進行平衡考慮，而相同條件下夜間的降溫效率雖沒有白天高，但是玻璃表面溫度波動較小，與環(huán)境溫度相當，可以適當減少噴霧間隔，用水量更少。因此噴霧技術應用在夜間有降溫需求的場所，例如住宅等更有利于建筑節(jié)能，白天則應用在辦公樓、工廠等場所效果更佳。噴霧間隔時間越短降溫效果越好，測試間隔8 min的工況降溫效果最好，但是噴霧水量較大，從節(jié)水角度看采用間隔12 min也可以取得較好的效果，耗水量也有有所減少。而間隔15 min因為水霧蒸發(fā)過快，玻璃外表溫度快速上升，使得溫度變化劇烈，效果欠佳。

南寧市7、8月太陽位于北回歸線附近，太陽較少直射在外窗表面，但是空氣溫度很高，5、6、9、10月太陽高度角降低，從早上開始便直射到南向窗戶表面，使得外表面溫度明顯升高，此時開啟噴霧效果相對7、8月效率更高，因此噴霧降溫技術更適合在過渡季應用。

3.2 優(yōu)化外窗玻璃層數(shù)及構造做法

噴霧后單層玻璃窗表面降溫幅度較大，但是波動性也大，不穩(wěn)定，極易受到室外環(huán)境溫度的影響；雙層玻璃窗表面降溫比較平穩(wěn)，效果也較好，因此噴霧對玻璃表面和中空夾層有較好的降溫效果；而噴霧對3層玻璃表面影響不大，清晨和夜間時段都沒有明顯的降溫效果，說明噴霧在3層玻璃上的應用沒有取得理想的效果。因為玻璃層數(shù)越多窗戶的隔熱性能越好，所以噴霧在多層玻璃窗外表面的應用效果并不明顯。目前既有建筑多是單層玻璃和中空玻璃為主，對既有建筑的外窗進行噴霧降溫優(yōu)化有利于建筑的節(jié)能，而3層玻璃則需進行相應的構造調(diào)整，如在中間夾層噴霧既能對單層玻璃降溫也可以對中空玻璃降溫。不過在窗戶中的設置噴霧裝置涉及到很多復雜工藝的問題，需要進一步研究。

此外，普通玻璃外表面不利于水體的停留，停止噴霧后，液態(tài)水快速的流到外窗下，玻璃表面停留的液滴也逐漸蒸發(fā)，對于這一問題，有學者嘗試采用超親水光催化劑(二氧化硅)涂層布置在外窗表面[6]，有利于形成較為均勻的水膜，能夠更好的吸附水份，有利于蒸發(fā)降溫。

3.3 水溫對降溫效果的影響

城市市政供水溫度比較穩(wěn)定，實驗測試日期間基本上都保持在30 ℃左右，如果能降低供水溫度，則可以提高細水噴霧的降溫效果。南寧市夏季雨量充沛，近年來進行了大量的海綿城市建設，具備雨水利用的基礎條件，雨水蓄水池位于地下，溫度也較低，有效利用則能降低供水溫度。此外，南寧地區(qū)夏季熱濕現(xiàn)象嚴重，主要依賴空調(diào)進行降溫，大量的空調(diào)冷凝水也隨之產(chǎn)生[5]，目前這些寶貴的水資源大部分都直接通過收集管道排放到了下水道，應采取相關的措施引入空調(diào)冷凝水作為輔助水源，既可以降低噴霧供水溫度，又能充分利用可再生水資源。

4 結(jié)束語

通過以南寧地區(qū)某實驗房為例測試了玻璃窗的噴霧蒸發(fā)降溫性能表現(xiàn)，針對不同噴霧時間間隔、不同時段、不同玻璃層數(shù)、不同水溫等工況進行了相關的實驗研究，從測試結(jié)論可以看到，在南寧氣候條件下，噴霧蒸發(fā)降溫技術可以起到很好的降溫效果。噴霧間隔時間越短降溫效果越好，不同的情況下合理調(diào)整間隔時間可以提高降溫效率。夏季典型日中白天高溫時段噴霧效率最高，玻璃表面溫度降溫幅度最大，夜間噴霧效率偏低，但是玻璃表面溫度可以降低至環(huán)境溫度以下，起到較好的環(huán)境調(diào)節(jié)作用，可以應用在多層居住建筑、廠房等建筑外窗等。與單層和3層玻璃窗，噴霧技術在雙層玻璃窗上的應用效果更好，目前南寧地區(qū)采用雙層玻璃窗的比例很大，因此噴霧降溫技術在建筑外窗上的降溫應用具有很好的實踐意義。南寧市空調(diào)冷凝水產(chǎn)生潛力高，合理的利用將可以使之成為很好的噴霧供水輔助水源，降低供水溫度，提高節(jié)能降溫效果。

在新的建筑節(jié)能形勢下，每一種節(jié)能降溫技術都應該為實現(xiàn)低碳的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮其應有的作用，可以預見的是噴霧蒸發(fā)降溫技術能夠成為南寧地區(qū)及廣西其他城市建筑外窗節(jié)能的一種高效的降溫解決方案。