康雅雄 黄翔 陈丽媛

摘 要：基于被动蒸发冷却理论，总结了被动蒸发冷却技术的研究现状和发展过程。探讨了典型降雨过程对墙体传热的影响并对被动通风降温分类和技术适应性进行分析。通过介绍被动式蒸发冷却下向通风降温技术的研究现状，重点整理了被动冷却通风的类型，总结了该通风降温技术的运用情况。研究发现，采用建筑物被动蒸发冷却技术可以大大降低进入房间的热量，同时可以大大减少墙面热通量；被动式蒸发冷却下向通风降温技术进行自然通风降温，可以缓解空调设备负荷过高、建筑内部CO2浓度升高等问题，不仅节约能源，还改善室内空气品质；将被动蒸发冷却技术作为传统降温技术的辅助手段具有非常重要的现实意义。被动蒸发冷却节能效果显着，为后续研究提供参考。

关键词：被动式；蒸发冷却；通风降温；数值模拟

中图分类号：U416.217 文献标识号：A

1 绪论

目前，被动式的蒸发冷却技术在建筑物热工应用领域范围内比较常见，并且随着建筑房屋顶部形式的多样化，常见的模式有屋顶存储热工材料，屋顶进行多种植被组合绿化，多孔类材料的蒸发屋顶等等。然而，由于围护结构的外观以及相关设计施工理论技术的客观限制，该技术在建筑墙体上的应用暂时还没有形成规模发展。除了样式古老的蚝壳墙以及装饰作用很强但维护率也非常高的瀑布墙外，多孔材料在墙壁表面的被动蒸发冷却应用中极为罕见。事实上，华南地区在利用基于多孔材料的被动蒸发冷却技术的开发和推广方面具有非常独特的优势。

中央空调是长江中下游地区封闭式的大型公共建筑室内通风和降温的主要方式。因为在大型公共建筑内部使用中央空调的投资和运行成本很高，外加例如学校以及公共事业单位经费紧张、社会常规的能源短缺，外加教学楼使用不确定的独特性质和季节性的长时间节假日等等，使得中央空调在教学楼一类的公共场所普及不现实。被动复合下向通风冷却系统是利用冷空气下沉、热空气上升这一简单的原理，借助和利用建筑物中的管井、双壁、庭院、中庭等闲置的构造物实现通风降温，不再使用或者很少使用风机和管道。是区别于常规的空气空调系统完全不同的降温系统，同时被动复合冷却系统能够实现与大型建筑空间的集成和一体化的设计施工。不再受到建筑物的体积、深度以及窗户等因素的制约，有效弥补了封闭性建筑物的深层性，以及自然通风的局限性。与传统的空调系统比，这一系统能够大幅度的降低设备的前期投资以及后期能耗，有效减少有害气体的排放，缓解城市热岛效应。

2 研究概况

2.1 建筑物被动蒸发冷却技术

盡管关于降雨传热的研究鲜有报道，但是很多有关降雨过程的研究，例如采用被动式蒸发冷却技术的热力工作过程以及能量消耗实验等等已经开始研究和初步实践。

从传统理论上讲，为了能够降低建筑物围护结构外表面的温度，一般情况下，使用太阳能的建筑物被动蒸发冷却技术的问题可以被分为两种类型，一种是根据蒸发机理的自由水面蒸发冷却问题，包括储水顶棚，浅水储水，流水膜和复杂喷涂措施的共同机理可以认为是液体自由表面与空气介质直接接触时的热量和质量交换过程，以及水分的蒸发和多孔材料的蒸发冷却问题，这种问题的形成和作用机理是非常复杂的，一般认为是在热量和质量交换过程完成的作用下热湿迁移机制的毛细作用。在建筑物屋顶铺设一层多孔材料，如散沙或固体加气混凝土层，材料在人造或自然沉淀后进行沉淀贮水。当受到来自太阳和室外热空气的辐射时，材料层中的水分逐步迁移到材料层的上表面，汽化作用带走大量的潜热。

在20世纪80年代初，日本九州大学Pu等人于1983年首先提出用蒸汽冷却多孔材料来冷却建筑物表面的蒸发冷却。蒲田建了两个比较研究室，包括一个湿墙，另一个是传统的参考室。另一方面，Urayano对这两个实验室在干燥条件下进行热量测试，用来检查两种墙壁结构间的差异性能对室温的影响以及程度。试验结果显示，试验室的室内温度比常规房间的最高温度低2℃。在降温后，将两个实验室室内的空气温度与白天3-4℃低温，低温夜间1.5-2℃的湿壁实验室温进行比较，表明这种蒸发冷却是非常明显的。在有空调作用的情况下，两个实验室对比和测试降温设备的运行成本。实验结果表明，采用蒸发冷却技术的实验室每天可以节省24%的电量。

在我国，有很多知名学者对建筑物的被动式蒸发冷却技术进行深度的研究。孟庆林教授就这一问题进行系列的研究和深入的思考，包括现有的植被屋顶、多孔材料蓄水屋顶、玻璃淋浴等组合材料的相关研究。其中还有包层结构的热平衡以及等效热导率研究。

2000年，唐明芳对顶面和墙壁多孔材料层在干、湿两种条件下的绝热性能进行研究。通过对比屋顶多孔材料和干燥材料的热工性能，同时分析两种屋面的热工性能。分析结果表明，屋面多孔材料的被动蒸发保温效果比多孔材料作为界面材料的屋面效果好，依据这一性能，多孔材料将大大降低屋面的温度，有效减少城市热岛效应，环境效益显著。

2006年何华岳对国内外屋面被动隔热和冷却问题进行比较全面的阐述，并且对建筑湿孔材料的蒸发型冷却技术进行研究。建立了湿式多孔材料表面的蒸发冷却模型。温度被确定为是传导热量的驱动力。湿度对传热过程的影响主要能够反映在模型参数中。在模型参数中，其中密度以及比热容是由空隙率、材料种类，温度系数来决定的。

2006年，孟庆林通过调整和控制热风和气候参数，分析在调控广州典型气候环境下轻型毛竹屋顶的热传导过程。通过计算和求解能量平衡方程，得到屋面材料整体表面传热系数和等效热阻等参量。

2.2 下向通风降温技术

清华大学建筑科学与技术系江亿首先对自然通风结构进行了动态分析和研究，从动态特征出发，对一系列自然通风进行了一系列的研究。

华南理工大学孟庆林等建筑致力于亚热带气候区的物理环境和建筑节能技术，西安建筑科技大学李安瑞教授对国内外自然通风进行了研究，明确指出自然通风存在的研究和应用中存在的一些问题，并结合我国应用特点，提出并提出了我国自然通风的研究方向。

刘家平院士领导的研究团队进行了一系列的研究，为自然通风建筑的设计和应用提供了大量的基础信息。目前的研究主要集中在华北地区的自然通风和被动冷却技术。研究生的指导进行了大量研究，包括董红完成了“自然通风与制冷设计分区研究”，毛燕完成了“人体热舒适气候适应性研究”李军鸽完成了“炎热的夏季寒冷气候舒适气候适应模式“等，为自然通风建筑的研究和设计提供基础资料。

湖南大学研究生朱琳完成了中庭建筑的被动式生态设计。清华大学研究生雷涛完成了中庭生态设计方案的计算机模拟。

3 技术应用

3.1 多孔材料

目前对于建筑物外表面多孔材料的热湿传递研究主要是关于如何避免外界湿气对建筑物性能的影响。如何充分利用多孔材料水分蒸发明显这一优势来调整室内的环境，并进行全过程研究。同时在建筑设计和施工领域，思考如何更好的使用多孔材料还要取决于是否能够建立起来一个完整可靠的数据库，使理论运用和工程实施变得可行。

不同的工作条件，不同的建筑材料的吸水率，热参数将受到影响。特别是由于地表水汽蒸发，等效热阻发生变化，极大地影响了信封的节能效果。如果多孔材料分为高，中，低吸水率，高吸水率60%？饱和度，吸水率25%？60%，吸水率低于25%。在高吸水的区间和范围内，这一材料中的大部分孔隙被水占据，同时由于水分的热导率远远高于气体，这就导致高含水多孔材料在被动冷却功能方面相对差一些。在低吸水的应用范围以内，多孔材料中的水分迅速消散，其等效热导率接近于干燥材料，并且不具有良好的热学优势。保湿多孔材料在吸水率范围内具有良好的蒸发冷却效果，能发挥优良的保温性能。

在华南高温和潮湿的地区，经常出现雨天过后墙体以及屋面材料含水率接近饱和，再经太阳暴晒，借助外部蒸发来达到平衡湿热是被动蒸发冷却技术的来源。通过大量的工程研究发现，被动蒸发冷却技术在屋顶比较容易实现，应用形式较为多样，常见的形式主要有植被屋面、蓄水屋顶、水顶屋面和蒸发屋顶等；在建筑物墙体上的应用受到外墙装饰工艺不成熟等方面的限制，以及有关的理论还没有得到充分的论证。特别是多孔砖在被动蒸发冷却墙壁中的应用还没有足够多的应用案例。

多孔材料在屋面被动蒸发冷却技术中的常见应用工艺是铺设相对松散的沙子或者多孔的屋面材料，这样屋面材料组合蓄水后由于室外的蒸发力度大，造成多孔材料水分大量蒸发。在北方亚热带地区风力资源丰富，风力较小的地区，建筑屋面采用松散多孔材料的情况较为普遍，雨量充沛，南方亚热带风沙正在建筑屋顶或城市道路上铺设坚实的多孔砖。

多孔材料应用于被动蒸发冷却的最原始的方法是牡蛎壳壁。古代蚝壳墙是岭南沿海的一道特色墙。在下雨天，蚝壳墙储存水分，在阳光明媚的时间蒸发。房屋冬季温暖，夏季凉爽，但由于其特殊的材料和外观而被限制使用。近年来，许多学者也提出在墙上铺设多孔材料进行蒸发冷却。由于建筑结构中的墙体面积较大，不仅可以使建筑物整体冷却，还可以营造良好的立体空间环境。

3.2 下向通风降温

根据目前生态建筑技术的研究成果，北京，上海，广州，深圳，杭州等经济发达地区结合自身的实力和特点，大力开展生态建筑领域的研究与实践。例如：由上海建筑科学研究院牵头负责，与上海地区建筑设计研究部门进行联合研究，以完成上海绿色建筑示范楼的建设。还有有清华大学主持的，北京市科委超低能耗示范楼重点科研项目；十五国家重点科技攻关项目“绿色建筑关键技术研究”等。但由于建筑类型不同，气候条件的不足，技术水平和实际应用效果不良的限制，示范建筑数量还很少，尚未达到大规模推广应用的阶段。

中国学者也在中国传统建筑研究中或多或少地发现了类似或相似的自然通风系统。例如，唐国华教授对岭南地区传统建筑的调查研究发现，由于种种原因，岭南地区的传统建筑与外界相对封闭，通常充分吸收和利用自然气流，使得建筑物内部空气清新，使用庭院，天井，冷车道，天窗这些建筑物的构造部件通风。天窗和挡风玻璃与中东等干热地区的风塔具有类似的功能。

宁波诺丁汉生态大厦是中国第一座由意大利建筑师马里奥教授设计的本地应用系统冷却的实验大楼，虽然这一建筑应用系統的面积仅700m2。但为我国夏热冬冷地区的技术应用提供了可行性。

4 结论

被动蒸发冷却作为自然和谐理论的重要支撑手段，是建筑物利用自然条件良好示范，同时也是提高生活环境质量，减少人为能源消耗的有效手段。被动式蒸发冷却技术在建筑环境中的应用研究，其实无非就是更加努力的寻找适应建筑环境冷却方法。

被动下行通风冷却技术理论近年来受到关注。该技术起源于古埃及和欧洲，上文对当前文献中的应用优势和理论进行概述，同时对近年来的应用进行总结和分析，并结合目前下行通风冷却技术领域的最新研究成果，提出适合国内不同气候区域的复合下向通风技术。

对多孔材料的被动蒸发冷却效应进行了总结和展望，为进一步研究含水多孔材料的被动蒸发冷却理论提供基础数据。体现了整个建筑系统在充分利用自然调节的作用下，在微观室内气候调节作用下，利用低能耗技术创造和保持舒适健康的生活环境，同时为解决能源和环境问题提供更多的理论基础。

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