南寧市夏季建筑外窗噴霧蒸發(fā)降溫研究

楊 修, 張遠(yuǎn)遙, 鐘志強(qiáng), 郭耀澤, 秦書(shū)峰

(1.廣西大學(xué)廣西工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

[通信作者]秦書(shū)峰(1975—)，男，碩士,高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)理論。

夏季建筑外窗的降溫是節(jié)能主要關(guān)注點(diǎn)，噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)具有高效、無(wú)污染、能耗低等特點(diǎn)[4]，其在外窗中的應(yīng)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(yáng)山、大明山等山脈，西部的六詔山、四方嶺等山脈，南部的十萬(wàn)大山山脈一起圍合形成了一個(gè)邕江河谷盆地，開(kāi)口向東部。該區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，位于夏熱冬暖地區(qū)，夏長(zhǎng)冬短，夏季時(shí)長(zhǎng)約半年，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，月平均氣溫達(dá)到27 ℃以上，氣候炎熱[2]，陽(yáng)光充足，月太陽(yáng)總輻射量均超過(guò)400 MJ/m2，日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，太陽(yáng)能利用條件較好[3]。其年均降雨量達(dá)1 304.2 mm，降雨量較大且多在夏季，月平均相對(duì)濕度達(dá)到80%以上，體現(xiàn)出明顯的濕熱氣候特征，同時(shí)也具有良好的可再生資源應(yīng)用條件。研究噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)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(dǎo)南寧市超低能耗建筑技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，具有較好的實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)設(shè)在廣西南寧市某高校室外空曠場(chǎng)地，2個(gè)實(shí)驗(yàn)房長(zhǎng)、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(cè)試的窗戶安裝在房間朝南的墻上，左側(cè)房間測(cè)試普通玻璃的性能，右側(cè)房間測(cè)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(shè)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(guò)高壓噴霧設(shè)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(lái)的水經(jīng)過(guò)收集后排放至雨水管道。

實(shí)驗(yàn)在2020年7月-10月進(jìn)行，測(cè)試日天氣均為晴天，日累積太陽(yáng)輻射值均超過(guò)20 000 W/m2，氣候非常炎熱，日間平均溫度高于30 ℃。設(shè)備水壓約為0.3 MPa，噴霧時(shí)間為2 min，間隔時(shí)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(shí)驗(yàn)氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于樓頂?shù)耐聊緦W(xué)院氣象站以及華藍(lán)設(shè)計(jì)集團(tuán)華東路氣象站。采用T型熱電偶測(cè)量玻璃的表面溫度，熱電偶適用范圍為-200～260 ℃，精度為±1.0 ℃，測(cè)試前均對(duì)所有傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。玻璃表面的溫度傳感器直接暴露在太陽(yáng)輻射下，測(cè)試溫度和精度可能會(huì)受到太陽(yáng)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(lái)遮擋陽(yáng)光。上述參數(shù)采用安捷倫數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行記錄。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2.1 不同噴霧間隔時(shí)間對(duì)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(jìn)行了不同間隔時(shí)間噴霧的降溫實(shí)驗(yàn)，測(cè)試窗為單層玻璃窗，單次噴霧時(shí)間均為2 min，間隔時(shí)間依次為8 min、10 min、12 min、15 min，每個(gè)工況為第1天早6:00至第2天早6:00，選擇其中8個(gè)時(shí)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(jìn)行噴霧測(cè)試，測(cè)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(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣溫度、水溫

經(jīng)對(duì)比分析，噴霧時(shí)間間隔越短降溫持續(xù)效果越好，間隔8 min時(shí)噴霧窗外表面最大降溫幅度達(dá)到4 ℃，持續(xù)變化波動(dòng)較少，間隔10 min和12 min時(shí)噴霧窗外表面溫度最大降溫幅度約為3 ℃，間隔15 min時(shí)降溫幅度較低，在中午時(shí)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(shuō)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(shí)段外窗表面降溫實(shí)驗(yàn)研究

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

圖3 外窗噴霧狀態(tài)下表面溫度

一天當(dāng)中氣溫最高時(shí)玻璃表面降溫幅度最大，達(dá)到3.8 ℃，但是平均溫度也達(dá)到了35 ℃左右，中午和傍晚次之，降溫幅度達(dá)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(shí)驗(yàn)研究

為了比較噴霧狀態(tài)下對(duì)不同玻璃層數(shù)外窗溫度的影響，測(cè)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(cè)試了窗戶玻璃內(nèi)表面溫度，噴霧時(shí)間2 min，間隔12 min，從早8:00開(kāi)啟，第二天早6:00關(guān)閉。測(cè)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(jiàn)圖4。

表1 噴霧后各時(shí)段玻璃表面溫度降幅和平均溫度 單位：℃

圖4 測(cè)試日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、空氣溫度、水溫

分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到一天中最高峰時(shí)，由于太陽(yáng)輻射的作用，水霧剛剛噴射后就迅速蒸發(fā)，此時(shí)的降溫效率最高，說(shuō)明噴霧具有優(yōu)異的降溫性能。相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(shí)間與對(duì)比窗內(nèi)表面溫度差別不大，見(jiàn)圖5。雙層玻璃降溫的幅度比較穩(wěn)定，說(shuō)明南寧地區(qū)雙層玻璃的噴霧降溫具有很好的應(yīng)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(shí)驗(yàn)研究

為比較不同溫度的供水噴霧對(duì)玻璃表面溫度的影響，在2020年10月10日、17日進(jìn)行不同水溫噴霧的降溫實(shí)驗(yàn)，2扇外窗均為單層玻璃，水溫分別選取了22 ℃、26 ℃、30 ℃，時(shí)間記錄跨度為60 min，噴霧時(shí)間為10 min，測(cè)試時(shí)間內(nèi)2扇玻璃均受到太陽(yáng)直射。測(cè)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(kāi)始噴霧，測(cè)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(duì)比玻璃表面低4 ℃。26 ℃的水從1:30pm(10月17日)開(kāi)始噴霧，測(cè)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(duì)比玻璃表面溫度持平。30℃的水從11:07 am(10月17日)開(kāi)始噴霧，測(cè)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(duì)比表面溫度一樣的溫度。從溫度降幅來(lái)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(shí)間來(lái)看，水溫越低降溫持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，22 ℃的水噴霧10 min降溫持續(xù)超過(guò)1 h，而30 ℃的水噴霧10 min降溫持續(xù)時(shí)間為40 min左右。

3 實(shí)驗(yàn)分析與應(yīng)用策略

3.1 噴霧時(shí)段以及噴霧間隔時(shí)間的效果分析

噴霧狀態(tài)下白天的玻璃表面溫度波動(dòng)較大，降溫效率較高，但是由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度太大，需要增加噴霧時(shí)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(jìn)行平衡考慮，而相同條件下夜間的降溫效率雖沒(méi)有白天高，但是玻璃表面溫度波動(dòng)較小，與環(huán)境溫度相當(dāng)，可以適當(dāng)減少噴霧間隔，用水量更少。因此噴霧技術(shù)應(yīng)用在夜間有降溫需求的場(chǎng)所，例如住宅等更有利于建筑節(jié)能，白天則應(yīng)用在辦公樓、工廠等場(chǎng)所效果更佳。噴霧間隔時(shí)間越短降溫效果越好，測(cè)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?yàn)樗F蒸發(fā)過(guò)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(yáng)位于北回歸線附近，太陽(yáng)較少直射在外窗表面，但是空氣溫度很高，5、6、9、10月太陽(yáng)高度角降低，從早上開(kāi)始便直射到南向窗戶表面，使得外表面溫度明顯升高，此時(shí)開(kāi)啟噴霧效果相對(duì)7、8月效率更高，因此噴霧降溫技術(shù)更適合在過(guò)渡季應(yīng)用。

3.2 優(yōu)化外窗玻璃層數(shù)及構(gòu)造做法

噴霧后單層玻璃窗表面降溫幅度較大，但是波動(dòng)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(duì)玻璃表面和中空夾層有較好的降溫效果；而噴霧對(duì)3層玻璃表面影響不大，清晨和夜間時(shí)段都沒(méi)有明顯的降溫效果，說(shuō)明噴霧在3層玻璃上的應(yīng)用沒(méi)有取得理想的效果。因?yàn)椴Ａ訑?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(yīng)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(duì)既有建筑的外窗進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)造調(diào)整，如在中間夾層噴霧既能對(duì)單層玻璃降溫也可以對(duì)中空玻璃降溫。不過(guò)在窗戶中的設(shè)置噴霧裝置涉及到很多復(fù)雜工藝的問(wèn)題，需要進(jìn)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(duì)于這一問(wèn)題，有學(xué)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(duì)降溫效果的影響

城市市政供水溫度比較穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(xì)水噴霧的降溫效果。南寧市夏季雨量充沛，近年來(lái)進(jìn)行了大量的海綿城市建設(shè)，具備雨水利用的基礎(chǔ)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(yán)重，主要依賴空調(diào)進(jìn)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(guò)收集管道排放到了下水道，應(yīng)采取相關(guān)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(yǔ)

通過(guò)以南寧地區(qū)某實(shí)驗(yàn)房為例測(cè)試了玻璃窗的噴霧蒸發(fā)降溫性能表現(xiàn)，針對(duì)不同噴霧時(shí)間間隔、不同時(shí)段、不同玻璃層數(shù)、不同水溫等工況進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，從測(cè)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(shù)可以起到很好的降溫效果。噴霧間隔時(shí)間越短降溫效果越好，不同的情況下合理調(diào)整間隔時(shí)間可以提高降溫效率。夏季典型日中白天高溫時(shí)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(yīng)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(shù)在雙層玻璃窗上的應(yīng)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(shù)在建筑外窗上的降溫應(yīng)用具有很好的實(shí)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(shì)下，每一種節(jié)能降溫技術(shù)都應(yīng)該為實(shí)現(xiàn)低碳的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮其應(yīng)有的作用，可以預(yù)見(jiàn)的是噴霧蒸發(fā)降溫技術(shù)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。