如何利用太陽能的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)

    隨著人們對于環(huán)境污染問題越來越重視、對于室內(nèi)空氣品質(zhì)要求的不斷提高，在不斷加緊研究和推行空調(diào)節(jié)能，改善室內(nèi)空氣條件，尋找替代冷源的同時(shí)，許多國家都在積極研究探索利用自然條件的冷卻方法。理論上，以降低建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度為目的的利用太陽能被動(dòng)蒸發(fā)冷卻問題，按蒸發(fā)機(jī)理可分為兩類：一類是自由水面的蒸發(fā)冷卻問題，這類問題包括蓄水屋面、蓄水漂浮物、淺層蓄水、流動(dòng)水膜及復(fù)雜的噴霧措施等；另一類則是多孔材料蓄水蒸發(fā)冷卻問題。     １．第一類：自由水面蒸發(fā)冷卻問題     較早時(shí)期的建筑被動(dòng)蒸發(fā)冷卻并沒有被詳細(xì)的分類，主要是采用在屋頂覆蓋上一層水袋的方法使建筑物降溫。水袋上有一層可移動(dòng)的隔熱板，在白天時(shí)將隔熱板蓋在水袋上，使其不受陽光照射，有了水袋，天花板的溫度較低，在室內(nèi)起冷源作用。夜間，將水袋暴露于空間，通過對流輻射使它將熱能散失掉。在較干燥的地區(qū)，夏天可以采用蒸發(fā)冷卻方案，設(shè)置一個(gè)濕冷器以增加空氣濕度，即當(dāng)室外空氣通過濕冷器使空氣降溫加濕，以上兩種方式都可稱為被動(dòng)蒸發(fā)冷卻的雛形。     ２．第二類：多孔材料蓄水蒸發(fā)冷卻問題     此類蒸發(fā)冷卻采用在建筑物面上鋪設(shè)一層多孔材料，如松散的砂層或加氣混凝土層等，此層材料依靠淋水或天然降水來補(bǔ)充含濕層水分。當(dāng)材料含濕后受太陽輻射和大氣對流及天空長波輻射換熱，內(nèi)部水分通過熱濕遷移機(jī)理的作用遷移至表面并在此蒸發(fā)。含濕多孔體水分蒸發(fā)過程是眾多因素綜合作用的結(jié)果，如液體擴(kuò)散、毛細(xì)流動(dòng)、蒸發(fā)凝結(jié)、壓力梯度、重力等。在蒸發(fā)冷卻過程中，最初材料表層存在一層連續(xù)水膜，這層水膜的蒸發(fā)基本上如同上面所說的自由液面的蒸發(fā)，不受材料內(nèi)部因素的影響，隨著這層水膜的蒸發(fā)材料表面含濕量減少，材料內(nèi)部的水分就會補(bǔ)充到材料表面進(jìn)行蒸發(fā)，如果表面水分的補(bǔ)充速度低于表面水分蒸發(fā)速度，那么材料的蒸發(fā)面將會下降，會影響到蒸發(fā)效果。屋頂鋪設(shè)松散的多孔含濕材料的被動(dòng)蒸發(fā)冷卻方法適用于一些雨量豐富、風(fēng)力較小的北亞熱帶地區(qū)，在建筑物屋頂平面使用。而鋪設(shè)固體的多孔材料對于雨量豐富、風(fēng)速大的南亞熱帶地區(qū)在建筑物外表面及城市道路上使用。在氣候干旱少雨的地區(qū)也可以通過噴淋水的方式給多孔材料層補(bǔ)水。     屋頂鋪設(shè)多孔含濕材料的方法首先解決了蓄水屋面無法上人的問題，此外多孔含濕材料被動(dòng)降溫效果顯著，建筑屋面降溫約２５℃，屋頂內(nèi)表面溫度約降５℃；優(yōu)于現(xiàn)行的傳統(tǒng)蓄水屋面。     被動(dòng)冷卻技術(shù)的新發(fā)展     至今為止，有許多科研工作者對傳統(tǒng)的被動(dòng)冷卻技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，在原有的基礎(chǔ)上對其不足之處進(jìn)行了大量的完善工作。在被動(dòng)冷卻技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用方式的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了多種改善后的應(yīng)用方式，下面就一些主要的應(yīng)用方式進(jìn)行簡要介紹。     １．屋面被動(dòng)冷卻技術(shù)     １．１帶有可移動(dòng)隔熱板的屋頂水池在水池上設(shè)置一層隔熱板，在夏季，在日間水池由隔熱板覆蓋，夜間隔熱板移走并且通過夜間使水冷卻。建筑物熱量通過屋頂由室內(nèi)傳至周圍環(huán)境并且獲得冷卻。通過使用帶有隔熱板的屋頂水池可使得屋頂熱減小。在冬季，在日間移開隔熱板，以便水池里的水吸收太陽輻射熱并加熱建筑物。水池在夜間蓋上隔熱板以便水池中熱水將其熱量傳給建筑物。屋面蓄水對屋頂結(jié)構(gòu)要求較高，絕濕層要求較高，否則屋頂會漏水，同時(shí)維修不便，因屋面無法直接上人維修。 １．２蒸發(fā)反射屋頂     這種屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)是由在以巖石為底的水池上覆蓋一個(gè)混凝土吊頂構(gòu)成。在這個(gè)基礎(chǔ)上是一個(gè)空氣層，它通過一個(gè)鋁板與外界環(huán)境隔開。鋁板的表面涂有一層白色鈦基涂料以提高日間輻射的反射。在夜間，鋁板的溫度降低到巖石床和水的混合溫度之下。屋頂內(nèi)的水蒸汽冷凝并依靠重力作用下降。經(jīng)過大量的關(guān)于不同的外部溫度和太陽輻射強(qiáng)度下降的計(jì)算，顯示出這種系統(tǒng)的冷卻效果很顯著。結(jié)構(gòu)如圖４所示。     在這種應(yīng)用方式中，高熱容量的材料（巖石床）可以延遲日間熱量進(jìn)入建筑物的時(shí)間，使之在夜間進(jìn)入建筑物內(nèi)，從而使建筑物受其影響較小。屋頂由一個(gè)混凝土吊頂和一個(gè)平鋁板構(gòu)成，平鋁板使得位于以巖石床為底的水池上空氣層與外界環(huán)境分隔開來。這個(gè)部分防止水蒸氣向外界擴(kuò)散。這種方式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對于構(gòu)成的材料要求較高，投資較高，要有較好的密閉性，維修不方便。     １．３屋頂設(shè)置空氣隔熱層     在屋頂上設(shè)置空氣隔熱層可使建筑物屋頂?shù)脽崃繙p小。一般情況下是在屋頂放置一些導(dǎo)熱性能較低的支撐物，并在上面放一層隔熱板，這樣在屋頂和隔熱板之間就形成了一個(gè)空氣層。這個(gè)空氣層就起到了隔熱作用，不但可以通過隔熱板使屋頂太陽輻射得熱減少，還可以通過空氣層的隔熱作用使得隔熱板到屋頂?shù)膫鳠釡p少，從而減少室內(nèi)得熱。在屋頂設(shè)置空氣隔熱層可以避免屋頂水池和含濕材料兩種情況中屋頂防腐和絕濕層的問題，但是這種方式只能在減少建筑物得熱方面有一定作用，比較單一。     ２．墻體的被動(dòng)冷卻技術(shù)     隨著被動(dòng)冷卻技術(shù)的發(fā)展，人們除了對建筑物屋頂?shù)谋粍?dòng)技術(shù)進(jìn)行研究之外，應(yīng)用于建筑物墻體的被動(dòng)冷卻技術(shù)也逐漸引起科研工作者的注意，同時(shí)出現(xiàn)了應(yīng)用于建筑物墻體的幾種被動(dòng)冷卻方式。     ２．１墻體內(nèi)部設(shè)置空間層     這種結(jié)構(gòu)通過空心磚或雙層磚體形成墻體內(nèi)的空間層。建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部存有空間層有可能大大提高建筑物熱阻值，使得建筑物結(jié)構(gòu)熱量的散失和獲得都降低，并且無論是在冬季還是夏季都可以獲得能量以保持適合的室內(nèi)溫度。另外還可以提高用戶的舒適性??隨著冬夏的不同通過升高或降低墻體內(nèi)表面溫度。采用建筑物墻體內(nèi)空間層通風(fēng)而不是采用密封墻體可以節(jié)約大量能源。這種方式現(xiàn)今在許多建筑中都得以應(yīng)用，可以防止在冷氣候條件下墻體結(jié)露。采用建筑物墻體內(nèi)空間層通風(fēng)要比采用密封墻體節(jié)約能量。     ２．２墻體外表面鋪設(shè)固體多孔材料     這種結(jié)構(gòu)通過在墻體外表面鋪設(shè)固體多孔材料構(gòu)成。墻體外表面鋪設(shè)多孔含濕材料可以通過含濕材料的蒸發(fā)冷卻作用降低墻體溫度，同時(shí)吸收一定量的太陽輻射使得含濕材料的蒸發(fā)冷卻作用增強(qiáng)。由于建筑物結(jié)構(gòu)中墻體所占面積較大，所以應(yīng)用這種方式可使得建筑物在整體上得以冷卻，但在含濕材料補(bǔ)水方面應(yīng)多加注意。鋪設(shè)固體的多孔材料對于雨量豐富、風(fēng)速大的南亞熱帶地區(qū)?我國華南地區(qū)?在建筑物外表面及城市道路上使用。在氣候干旱少雨的地區(qū)也可以通過噴淋對多孔材料進(jìn)行充分的潤濕，這些有待于科研工作者進(jìn)行進(jìn)一步的研究。這種墻體外表面鋪設(shè)固體含濕材料的被動(dòng)冷卻方式初始投資較大。     ３．應(yīng)用于窗、陽臺、玻璃墻幕的被動(dòng)冷卻技術(shù) 在開放空間和陽臺上設(shè)置一個(gè)簡單水簾，在建筑物外表面玻璃幕墻表面設(shè)置流動(dòng)水膜，流過系統(tǒng)的空氣被冷卻加濕。如果使水和空氣充分接觸并使水出口處的空氣均達(dá)到平衡態(tài)（飽和），那么系統(tǒng)里的空氣達(dá)到的溫度將接近于出口處空氣的濕球溫度。圖６顯示的是一種在自然通風(fēng)條件下暴露水簾的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。這種冷卻方式使得建筑物外表美觀，在炎熱干旱季節(jié)提高建筑物內(nèi)空氣濕度，提高室內(nèi)舒適性。適用于開放空間或玻璃幕大量存在的建筑物，宜于與其它冷卻技術(shù)結(jié)合使用。但應(yīng)注意玻璃幕密封問題。     ４．其它被動(dòng)冷卻技術(shù)     除了上面提到的新出現(xiàn)的被動(dòng)冷卻方式，有的建筑物還在建構(gòu)地下室等地下建筑以增加建筑物地面的蓄熱能力，使室溫變化曲線平穩(wěn)，室內(nèi)溫度變化幅度小。但其對建筑物內(nèi)環(huán)境影響不大，適合與其它被動(dòng)冷卻方式結(jié)合使用，起輔助的作用。另外在建筑物周圍種植草木給建筑物提供遮蔭，也可以輔助其他被動(dòng)冷卻方式對建筑物內(nèi)部環(huán)境起到一定的影響作用。