浅析蒸发性墙体夏季空调冷负荷计算温度

作者；张毅    

  采用被动蒸发冷却给建筑围护结构降温是一种绿色环保、效果显著、易于实现的节能技术，从20世纪40年代至今，已有大量学者取得了不少研究成果，并有一些成功的工程运用实例。蒸发性围护结构对降低建筑夏季空调负荷、减少建筑能耗具有重要作用，然而在实际工程中应用得并不多，这与缺少可供参考的冷负荷设计计算数据有很大关系。对于蒸发性墙体结构，如果按照普通建筑围护结构的冷负荷计算温度进行计算，设计负荷会偏大，与事实不符。为此，需要有一套与传统围护结构相类似的蒸发性围护结构负荷简化计算数据，以方便设计师进行相应的工程设计，这也正是本文的研究目的。

1  蒸发性墙体结构及其热质交换过程

  蒸发性墙体是指由于墙体外表面处于湿润状态，能够通过向室外空气传质，带走外墙表面的热量，从而减少室外热量向室内传递，达到降低夏季空调冷负荷的目的，这样一种墙体称为蒸发性墙体。在理想状态下，墙体外表面始终完全处于饱和湿润、蒸发量最大的状态。图1是蒸发性墙体的结构示意图，通过水泵向墙体外表面喷水，使墙体外表面形成一层薄薄的水膜，由于水膜很薄，可近似认为水膜的温度与外墙表面温度相同。在水膜的表面，存在一个水温状态下的饱和空气层，当该饱和空气层内的水蒸气浓度与周围空气层中的水蒸气浓度不相同时，会发生质传递。如果该饱和空气层中水蒸气浓度大于室外空气中的水蒸气浓度时，饱和空气层中的水蒸气会向室外空气传递，结果使得水膜中的水分不断蒸发。相反，当室外空气中的水蒸气浓度高于该饱和空气层中水蒸气的浓度时，室外空气中的水蒸气会向饱和空气层传递，发生凝结现象。在夏季，受阳光的照射，外墙表面温度较高，壁面温度下的饱和空气层中的水蒸气浓度高于室外空气中的水蒸气浓度，水膜中的水分会不断地向室外空气中传递，水膜蒸发需要吸收热量，从而对墙壁外表面起到冷却作用，减少向室内的传热。

  采用被动蒸发冷却墙体，必然涉及到用水损失问题，由于该系统存在一定的水损失，必须考虑到节约用水的问题。不过，被动蒸发冷却墙体用水对水质没有太高要求，可以采用雨水或建筑中水作为其水源，同时，做好未蒸发的余水的收集和循环使用，就可以大大节约水资源的消耗，这样才能真正实现蒸发性墙体绿色节能。图1中，在墙体底部地面下设有蓄水池，一方面起到储存雨水或者建筑中水的作用，另一方面起到收集从墙体流下的未被蒸发的循环水的作用，经过简单沉淀过滤之后，蓄水池内的水在循环水泵的作用下，通过水管输送到外墙顶部，由喷嘴喷出，均匀地喷洒在外墙表面，在外墙表面形成一层薄薄的水膜，通过水膜蒸发吸热，带走外墙表面的热量，从而减少向室内的传热。未被蒸发的循环水沿外墙流落到蓄水池，重新循环利用。

2  蒸发性墙体传热过程及冷负荷计算温度

2.1蒸发性墙体传热分析与有效综合温度

  图2表示了蒸发性墙体外表面的传热过程，墙体外表面受到了四个传热过程的影响：1）外墙表面受太阳照射，吸收太阳的辐射热Q s；2）室外空气与外墙表面的对流换热Q c，假设空气向墙体传热为正值；3）外墙表面与周围环境表面之间净长波辐射换热Q R，即外墙表面向外界发射的长波辐射与天空及周围物体向外墙表面发射的长波辐射之差，以墙体表面向外界发射净辐射为正值；4）由于墙体外表面存在蒸发或凝结过程，在蒸发或凝结过程中吸收或释放的热量Q E，以蒸发吸热为正值。为了单位上统一，以上四种热量均采用单位面积上的传热量来表示，单位统一为W/m2。因此，单位外墙表面积上的总得热量为：

  根据传热、传质理论，QS、QC、QR、QE可分别由下式计算：

式中：M为水分子的摩尔质量，kg/k mol; Pws和Pas分别为外墙表面温度下的饱和水蒸气压力和室外空气干球温度下的饱和水蒸气压力，Pa；φ为室外空气相对湿度；P为理想气体常数，即8314 J/(k mol．℃)。从上面的分析可以看出，当知道了室外气象参数和外墙表面温度时，即可通过式(7)计算出有效综合温度。与无蒸发过程的综合温度不同，有蒸发过程的综合温度与壁面温度和室外空气湿度有关，而对于外墙传热的非稳态传热过程，要确定其外表面温度是比较困难的，需要通过多次迭代计算，在后面将详细介绍壁面温度计算过程。

2.1.2通过蒸发性墙体的得热量计算

  蒸发性墙体得热计算方法与传统的墙体得热计算方法相同，给出了详细的多层墙体非稳态

传热分析新方法——频域回归( FDR)方法，该计算方法通过基于频率响应特性的辨识方法来构造系统多项式s传递函数，进而计算围护结构得热量。墙体内、外表面热流与内、外两侧温度之间的函数关系，可以用传递矩阵的形式表示为：

2.3蒸发性墙体形成的冷负荷

  由蒸发性墙体得热量形成的冷负荷可采用传递函数法进行计算，根据中国建筑科学研究院空调研究所整理编著的《设计用建筑物冷负荷计算方法》唑空调房间热力系统的Z传递函数简化表达式为：

  为减少工程设计计算量，在实际工程设计中，通常使用冷负荷计算温度进行建筑冷负荷计算㈣。针对一定的墙体类型和典型气象条件，事先用详细的冷负荷计算方法，得出墙体的逐时冷负荷，然后用逐时冷负荷除以墙体的传热系数和面积，从而得到一组与计算冷负荷相当的逐时计算温度，即冷负荷计算温度。

式中：t1(i)为逐时冷负荷计算温度，℃；K为外墙传热系数，W/(m2.K)。在实际工程设计中，利用冷负荷计算温度，直接根据墙体传热系数和室内设计温度，用式(13)即可反算出实际墙体的冷负荷。

3计算实例与分析

  利用前面所介绍的计算方法，采用Matlab进行编程计算，以北京气象数据为基础，分别计算了不同类型墙体、不同朝向、有蒸发和无蒸发情况下的冷负荷计算温度。计算实例所用墙体数据和气象参数如下：1）室外空气温度采用夏季空调室外计算逐时温度；2）室外空气相对湿度采用标准年7月21日北京市室外空气相对湿度；3）日射强度采用标准年7月21日北京市日射强度值；4）实例计算中所采用的墙体编号、结构和类型见表1，墙体材料热物性参数。

3.1有无蒸发情况下的冷负荷计算温度

  以南向、2.1号墙为例，计算了外墙表面有、无蒸发情况下的冷负荷计算温度，计算结果如图3所示。为了说明本文给出的计算方法的正确性，图3同时给出了无蒸发条件下的冷负荷计算温度，比较本文的计算结果，不难发现二者之间具有很好的一致性。从图3可以看

出，蒸发性墙体的冷负荷计算温度明显低于无蒸发时的冷负荷计算温度，冷负荷计算温度降低幅度在4℃～9℃，可见，采用蒸发性墙体，能够明显减少外墙的传热温差。除了降低外墙冷负荷计算温度外，表面蒸发效应还能减小冷负荷计算温度的波动幅度。由于蒸发作用，冷负荷计算温度的波动幅度由无蒸发情况下的7℃下降到了有蒸发情况下的2℃。由此可见，蒸发性墙体不仅能够减少外墙传热负荷，还能降低峰值负荷，减小负荷波动。

3,2不同朝向对蒸发墙体冷负荷的影响

  图4显示了不同朝向、2.1号墙在有、无蒸发情况下单位面积冷负荷对比，计算中，室内温度按26℃计算。从图4可以看出，不同朝向的蒸发性墙体冷负荷均远小于其对应朝向在无蒸发条件下的冷负荷，而且，有蒸发时的负荷波动幅度要小于无蒸发时的负荷波动幅度。以西向墙体为例，在无蒸发情况下，最大单位面积冷负荷为31.2 W/m2，最小单位面积冷负荷为13.4 W/m2，日负荷波动为17.8 W/m2，而在有蒸发情况下，最大单位面积冷负荷为8.7 W/m2，最小单位面积冷负荷为2.9 W/m2，日负荷波动为5.8 W/m2，可见，蒸发冷却对减小负荷波动效果是非常明显的。图5则显示了蒸发作用对不同朝向墙体的负荷减少效果。从图5可以发现，蒸发性墙体负荷减少率在69%～79%之间，其中，西向墙体的平均负荷减少率最大，为75.1%，其他几面墙体的负荷减少率相近，分别为：南向墙体73.8%，北向墙体73.5%，东向墙体73.3%。通过分析可以看出，蒸发性墙体在各种朝向均有很好的节能效果，尤其是西向墙体。

3.3不同墙体厚度对蒸发墙体冷负荷的影响

  为了了解表面蒸发作用对不同厚度墙体的冷负荷影响，图6显示了不同厚度墙体在有无蒸发作用时的单位面积冷负荷对比（墙体朝向南），图7则显示了蒸发冷却作用导致的不同厚度墙体冷负荷减少率。从图中可以看出，尽管有无蒸发时的冷负荷变化趋势是相似的，但有蒸发时的冷负荷远远小于无蒸发时的冷负荷，且冷负荷变化更加平缓。墙体越厚，蒸发作用导致的冷负荷减少率越大。24墙（2.1号墙体）的冷负荷减少率为70.9%～78.4%，37墙（2.2号墙体）的负荷减少率为78.3%～82.8%，49墙（2.3号墙体）的冷负荷减少率为81.5%~85.5%，24墙、37墙和49墙的平均冷负荷减少率分别为73.8%、80.3%和83.7%。尽管如此，冷负荷的绝对减少量却是墙体越薄越大。计算结果表明，24墙的绝对冷负荷减少量为7.7 W/m2～17.1 W/m2,平均减少量为12.4 W/m2，37墙的绝对冷负荷减少量为8.8 W/m2～11.7 W/m2，平均减少量为10.3 W/m2，49墙的绝对冷负荷减少量为8.2 W/m2～9.9 W/m2，平均减少量为8.8 W/m2。所以，墙体越薄，采用蒸发墙体，冷负荷减少越明显。

3.4不同墙体结构对蒸发墙体冷负荷的影响

  图8和9分别显示了1.1号、2.1号和3.1号3种墙体厚度基本相同（24墙）而墙体结构不同的外墙在有无蒸发情况下的冷负荷和冷负荷减少率（墙体朝向南），从图中可以看出，1.1号墙体与2.1号墙体无论是单位面积冷负荷和负荷减少率，还是冷负荷和冷负荷减少率的变化，二者都是基本一致的，这两种墙体的冷负荷平均绝对减少量和相对减少量都是12.4 W/m2和73.8%，可见将这两种墙体归为同一类型(III型）墙体是合适的。相对来讲，3.1号墙体的单位面积冷负荷要小于1.1号和2.1号，负荷变化趋势也与这二者有较大的差别，所以将其归为另一类型（II型）墙体。3.1号墙体的单位面积冷负荷平均减少量和减少率分别为10.7 W/m2和79.8%，负荷绝对减少量小于III型墙体，而相对减少量大于III型墙体。从墙体结构看，3.1号墙体在厚度上虽然与2.1号墙体是基本相同的，但3.1号墙体在内表面层的保温性能要好于2.1号墙体。综合分析可以得出，墙体热阻越大，则蒸发作用导致的冷负荷减少率越大，冷负荷减少量却越小。从图8也可以看出．在蒸发情况下，II型墙体和III型墙体之间的差异在缩小。

4  结论

  1)本文在对蒸发性墙体进行传热、传质分析基础上，给出了蒸发性墙体有效综合温度计算公式，与无蒸发过程的墙体有效综合温度不同，蒸发性墙体有效综合温度与墙体外表面温度有关，同时与室外空气湿度有关。

  2)本文介绍了蒸发性墙体得热量与冷负荷计算过程，给出了蒸发性墙体外表面温度及冷负荷计算温度的计算方法。

  3)以北京气象条件为例，对比分析了有、无蒸发情况下的墙体冷负荷计算温度，发现有蒸发时的冷负荷计算温度明显低于无蒸发时的冷负荷计算温度，并且蒸发作用能够减小冷负荷的波动幅度。

4)分析了不同朝向、不同墙体厚度、不同墙体结构对蒸发墙体冷负荷的影响，结果表明，蒸发墙体对各朝向冷负荷均有大幅度减小，尤其以西向墙体冷负荷减少最多。墙体越薄，采用蒸发墙体冷负荷减少越大。墙体热阻越大，蒸发导致的冷负荷减少量越小，但蒸发导致的冷负荷减少率却越大，蒸发作用还能缩小不同墙体类型之间的冷负荷差异。

5摘要：为方便蒸发性墙体冷负荷计算，本文在详细的传热、传质分析基础上，给出了蒸发性墙体有效综合温度计算公式，并介绍了蒸发性墙体冷负荷计算温度的计算过程。以北京气象数据为例，分析了有、无蒸发条件下的冷负荷计算温度，发现蒸发性墙体冷负荷计算温度明显低于无蒸发墙体。进一步分析了不同朝向、不同墙体厚度、不同墙体结构对蒸发性墙体节能的影响。分析结果表明，蒸发性墙体具有很好的节能效果，对减少冷负荷波动也是有益的。