南寧市夏季建筑外窗噴霧蒸發降溫研究

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能主要關注點，噴霧蒸發降溫技術具有高效、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，改善建筑室內熱環境[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。該區屬于亞熱帶季風氣候，位于夏熱冬暖地區，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。研究噴霧蒸發降溫技術在建筑外窗中的降溫潛力有利于減少建筑空調能耗，減少碳排放，研究結果可以指導南寧市超低能耗建筑技術的進一步發展，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，左側房間測試普通玻璃的性能，右側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，噴霧用水主要是市政給水以及空調冷凝水。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吸熱，降低了空氣和玻璃表面溫度，沿著玻璃流下來的水經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。

實驗氣象數據來源于樓頂的土木學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。上述參數采用安捷倫數據記錄儀進行記錄。

1.2 實驗結果

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，測試日氣象數據如圖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

經對比分析，噴霧時間間隔越短降溫持續效果越好，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，在以上測試數據中選取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，氣象及測試數據見圖3。

圖3 外窗噴霧狀態下表面溫度

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，與環境溫度持平，夜間21:00到早晨8:00，玻璃表面溫度較穩定，變化不大(表1)。

2.2.3 不同玻璃層數外窗內表面降溫實驗研究

為了比較噴霧狀態下對不同玻璃層數外窗溫度的影響，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，氣象數據和供水溫度見圖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

分析發現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，此時的降溫效率最高，說明噴霧具有優異的降溫性能。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。單層玻璃傳熱系數高，容易受到外界溫度變化影響，3層玻璃傳熱系數低，除了12:00—18:00外表面有明顯的降溫，其他時間與對比窗內表面溫度差別不大，見圖5。雙層玻璃降溫的幅度比較穩定，說明南寧地區雙層玻璃的噴霧降溫具有很好的應用前景。

圖5 窗戶內表面溫度

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2扇玻璃均受到太陽直射。測試結果如圖6所示。

圖6 不同水溫噴霧狀態下玻璃表面溫度

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；從降溫持續時間來看，水溫越低降溫持續時間越長，22 ℃的水噴霧10 min降溫持續超過1 h，而30 ℃的水噴霧10 min降溫持續時間為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，因此需要根據用水量和節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 優化外窗玻璃層數及構造做法

噴霧后單層玻璃窗表面降溫幅度較大，但是波動性也大，不穩定，極易受到室外環境溫度的影響；雙層玻璃窗表面降溫比較平穩，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化有利于建筑的節能，而3層玻璃則需進行相應的構造調整，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，液態水快速的流到外窗下，玻璃表面停留的液滴也逐漸蒸發，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，南寧地區夏季熱濕現象嚴重，主要依賴空調進行降溫，大量的空調冷凝水也隨之產生[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 結束語

通過以南寧地區某實驗房為例測試了玻璃窗的噴霧蒸發降溫性能表現，針對不同噴霧時間間隔、不同時段、不同玻璃層數、不同水溫等工況進行了相關的實驗研究，從測試結論可以看到，在南寧氣候條件下，噴霧蒸發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境溫度以下，起到較好的環境調節作用，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。南寧市空調冷凝水產生潛力高，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，提高節能降溫效果。

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