南宁市夏季建筑外窗喷雾蒸发降温研究

杨 修, 张远遥, 钟志强, 郭耀泽, 秦书峰

(1.广西大学广西工程防灾与结构安全重点实验室，广西南宁 530004；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640)

[通信作者]秦书峰(1975—)，男，硕士,高级工程师，研究方向为建筑设计理论。

夏季建筑外窗的降温是节能主要关注点，喷雾蒸发降温技术具有高效、无污染、能耗低等特点[4]，其在外窗中的应用能有效降低玻璃表面温度和建筑能耗，改善建筑室内热环境[1]。南宁市位于广西中南部，其北部有都阳山、大明山等山脉，西部的六诏山、四方岭等山脉，南部的十万大山山脉一起围合形成了一个邕江河谷盆地，开口向东部。该区属于亚热带季风气候，位于夏热冬暖地区，夏长冬短，夏季时长约半年，太阳辐射强度高，月平均气温达到27 ℃以上，气候炎热[2]，阳光充足，月太阳总辐射量均超过400 MJ/m2，日照时数较长，太阳能利用条件较好[3]。其年均降雨量达1 304.2 mm，降雨量较大且多在夏季，月平均相对湿度达到80%以上，体现出明显的湿热气候特征，同时也具有良好的可再生资源应用条件。研究喷雾蒸发降温技术在建筑外窗中的降温潜力有利于减少建筑空调能耗，减少碳排放，研究结果可以指导南宁市超低能耗建筑技术的进一步发展，具有较好的实践意义。

1 实验研究

1.1 实验设置

实验设在广西南宁市某高校室外空旷场地，2个实验房长、宽、高均为2.0 m，由金属夹芯板围合而成，板中间由50 mm聚苯乙烯板做隔热材料。测试的窗户安装在房间朝南的墙上，左侧房间测试普通玻璃的性能，右侧房间测试喷雾降温的性能，两房距离约为5 m，以避免相互遮挡影响。2扇外窗面积均为1.2 m2，高1.2 m，宽1.0 m，单层玻璃窗为6 mm厚的玻璃，双层玻璃窗由2层6 mm普通玻璃和1层12 mm空气夹层组成，3层玻璃窗则是3层6 mm玻璃和2层12 mm空气夹层。喷雾喷头设置在窗上下两侧，喷雾用水主要是市政给水以及空调冷凝水。水通过高压喷雾设备加压被输送到喷头并喷出水雾，水雾接触到空气和玻璃表面后蒸发吸热，降低了空气和玻璃表面温度，沿着玻璃流下来的水经过收集后排放至雨水管道。

实验在2020年7月-10月进行，测试日天气均为晴天，日累积太阳辐射值均超过20 000 W/m2，气候非常炎热，日间平均温度高于30 ℃。设备水压约为0.3 MPa，喷雾时间为2 min，间隔时间为12 min。市政用水提供的供水温度在30 ℃左右，给水管绝缘良好。

实验气象数据来源于楼顶的土木学院气象站以及华蓝设计集团华东路气象站。采用T型热电偶测量玻璃的表面温度，热电偶适用范围为-200～260 ℃，精度为±1.0 ℃，测试前均对所有传感器进行了校准。玻璃表面的温度传感器直接暴露在太阳辐射下，测试温度和精度可能会受到太阳直射的影响，因此需要在传感探头上涂上硅脂，并在外面贴上高反射率的薄铝箔片来遮挡阳光。上述参数采用安捷伦数据记录仪进行记录。

1.2 实验结果

1.2.1 不同喷雾间隔时间对外窗表面降温的影响

在2020年7月23日—7月26日连续4天进行了不同间隔时间喷雾的降温实验，测试窗为单层玻璃窗，单次喷雾时间均为2 min，间隔时间依次为8 min、10 min、12 min、15 min，每个工况为第1天早6:00至第2天早6:00，选择其中8个时段(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)进行喷雾测试，测试日气象数据如图1所示。

图1 7月23日—7月27日太阳辐射强度、空气温度、水温

经对比分析，喷雾时间间隔越短降温持续效果越好，间隔8 min时喷雾窗外表面最大降温幅度达到4 ℃，持续变化波动较少，间隔10 min和12 min时喷雾窗外表面温度最大降温幅度约为3 ℃，间隔15 min时降温幅度较低，在中午时段基本上刚喷完表面温度就急速回升，夜间的降温幅度也仅有1 ℃左右，效果不明显。此外，夜间的喷雾降温效果明显好于白天，说明夜间的喷雾也能取得较好的效果(图2)。

图2 7月23日—7月26日窗户表面温度变化

2.2.2 不同时段外窗表面降温实验研究

为比较一天中不同时段喷雾对外窗表面温度的影响，在以上测试数据中选取7月25日6:00至7月26日6:00进行各时段进行喷雾降温分析，气象及测试数据见图3。

图3 外窗喷雾状态下表面温度

一天当中气温最高时玻璃表面降温幅度最大，达到3.8 ℃，但是平均温度也达到了35 ℃左右，中午和傍晚次之，降温幅度达到3.5 ℃，温度在33 ℃左右，清晨和夜间喷雾降温幅度最小，约为3 ℃左右，3:00—5:00、6:00—8:00期间玻璃表面温度降到最低，为28.4 ℃左右，与环境温度持平，夜间21:00到早晨8:00，玻璃表面温度较稳定，变化不大(表1)。

2.2.3 不同玻璃层数外窗内表面降温实验研究

为了比较喷雾状态下对不同玻璃层数外窗温度的影响，测试窗分别采用了单层玻璃窗、双层玻璃窗和3层玻璃窗3种类型的窗户，测试了窗户玻璃内表面温度，喷雾时间2 min，间隔12 min，从早8:00开启，第二天早6:00关闭。测试日分别2020年是9月12日、2021年9月20日、9月29日，气象数据和供水温度见图4。

表1 喷雾后各时段玻璃表面温度降幅和平均温度 单位：℃

图4 测试日太阳辐射强度、空气温度、水温

分析发现当温度达到一天中最高峰时，由于太阳辐射的作用，水雾刚刚喷射后就迅速蒸发，此时的降温效率最高，说明喷雾具有优异的降温性能。相对来说，单层玻璃降温幅度最大，双层玻璃次之，3层玻璃最小，这是由于3种窗的隔热性能所决定的。单层玻璃传热系数高，容易受到外界温度变化影响，3层玻璃传热系数低，除了12:00—18:00外表面有明显的降温，其他时间与对比窗内表面温度差别不大，见图5。双层玻璃降温的幅度比较稳定，说明南宁地区双层玻璃的喷雾降温具有很好的应用前景。

图5 窗户内表面温度

2.2.4 不同水温外窗表面降温实验研究

为比较不同温度的供水喷雾对玻璃表面温度的影响，在2020年10月10日、17日进行不同水温喷雾的降温实验，2扇外窗均为单层玻璃，水温分别选取了22 ℃、26 ℃、30 ℃，时间记录跨度为60 min，喷雾时间为10 min，测试时间内2扇玻璃均受到太阳直射。测试结果如图6所示。

图6 不同水温喷雾状态下玻璃表面温度

22℃的水从11:20am(10月10日)开始喷雾，测试玻璃表面在10 min后温度从35 ℃降到26.2 ℃，降幅8.8 ℃，60 min后温度仍比对比玻璃表面低4 ℃。26 ℃的水从1:30pm(10月17日)开始喷雾，测试玻璃表面在10 min后温度从35 ℃降到36.4 ℃，降幅8.6 ℃，60 min后温度与对比玻璃表面温度持平。30℃的水从11:07 am(10月17日)开始喷雾，测试玻璃表面在10 min后温度从35 ℃降到27 ℃，降幅为8 ℃，约40 min后喷雾玻璃表面上升回到跟对比表面温度一样的温度。从温度降幅来看，玻璃表面温度的降幅都在8 ℃左右，水温越低降幅越大，但是总体相差不大；从降温持续时间来看，水温越低降温持续时间越长，22 ℃的水喷雾10 min降温持续超过1 h，而30 ℃的水喷雾10 min降温持续时间为40 min左右。

3 实验分析与应用策略

3.1 喷雾时段以及喷雾间隔时间的效果分析

喷雾状态下白天的玻璃表面温度波动较大，降温效率较高，但是由于太阳辐射强度太大，需要增加喷雾时间和频率才能获得更好的效果，因此需要根据用水量和节能效果进行平衡考虑，而相同条件下夜间的降温效率虽没有白天高，但是玻璃表面温度波动较小，与环境温度相当，可以适当减少喷雾间隔，用水量更少。因此喷雾技术应用在夜间有降温需求的场所，例如住宅等更有利于建筑节能，白天则应用在办公楼、工厂等场所效果更佳。喷雾间隔时间越短降温效果越好，测试间隔8 min的工况降温效果最好，但是喷雾水量较大，从节水角度看采用间隔12 min也可以取得较好的效果，耗水量也有有所减少。而间隔15 min因为水雾蒸发过快，玻璃外表温度快速上升，使得温度变化剧烈，效果欠佳。

南宁市7、8月太阳位于北回归线附近，太阳较少直射在外窗表面，但是空气温度很高，5、6、9、10月太阳高度角降低，从早上开始便直射到南向窗户表面，使得外表面温度明显升高，此时开启喷雾效果相对7、8月效率更高，因此喷雾降温技术更适合在过渡季应用。

3.2 优化外窗玻璃层数及构造做法

喷雾后单层玻璃窗表面降温幅度较大，但是波动性也大，不稳定，极易受到室外环境温度的影响；双层玻璃窗表面降温比较平稳，效果也较好，因此喷雾对玻璃表面和中空夹层有较好的降温效果；而喷雾对3层玻璃表面影响不大，清晨和夜间时段都没有明显的降温效果，说明喷雾在3层玻璃上的应用没有取得理想的效果。因为玻璃层数越多窗户的隔热性能越好，所以喷雾在多层玻璃窗外表面的应用效果并不明显。目前既有建筑多是单层玻璃和中空玻璃为主，对既有建筑的外窗进行喷雾降温优化有利于建筑的节能，而3层玻璃则需进行相应的构造调整，如在中间夹层喷雾既能对单层玻璃降温也可以对中空玻璃降温。不过在窗户中的设置喷雾装置涉及到很多复杂工艺的问题，需要进一步研究。

此外，普通玻璃外表面不利于水体的停留，停止喷雾后，液态水快速的流到外窗下，玻璃表面停留的液滴也逐渐蒸发，对于这一问题，有学者尝试采用超亲水光催化剂(二氧化硅)涂层布置在外窗表面[6]，有利于形成较为均匀的水膜，能够更好的吸附水份，有利于蒸发降温。

3.3 水温对降温效果的影响

城市市政供水温度比较稳定，实验测试日期间基本上都保持在30 ℃左右，如果能降低供水温度，则可以提高细水喷雾的降温效果。南宁市夏季雨量充沛，近年来进行了大量的海绵城市建设，具备雨水利用的基础条件，雨水蓄水池位于地下，温度也较低，有效利用则能降低供水温度。此外，南宁地区夏季热湿现象严重，主要依赖空调进行降温，大量的空调冷凝水也随之产生[5]，目前这些宝贵的水资源大部分都直接通过收集管道排放到了下水道，应采取相关的措施引入空调冷凝水作为辅助水源，既可以降低喷雾供水温度，又能充分利用可再生水资源。

4 结束语

通过以南宁地区某实验房为例测试了玻璃窗的喷雾蒸发降温性能表现，针对不同喷雾时间间隔、不同时段、不同玻璃层数、不同水温等工况进行了相关的实验研究，从测试结论可以看到，在南宁气候条件下，喷雾蒸发降温技术可以起到很好的降温效果。喷雾间隔时间越短降温效果越好，不同的情况下合理调整间隔时间可以提高降温效率。夏季典型日中白天高温时段喷雾效率最高，玻璃表面温度降温幅度最大，夜间喷雾效率偏低，但是玻璃表面温度可以降低至环境温度以下，起到较好的环境调节作用，可以应用在多层居住建筑、厂房等建筑外窗等。与单层和3层玻璃窗，喷雾技术在双层玻璃窗上的应用效果更好，目前南宁地区采用双层玻璃窗的比例很大，因此喷雾降温技术在建筑外窗上的降温应用具有很好的实践意义。南宁市空调冷凝水产生潜力高，合理的利用将可以使之成为很好的喷雾供水辅助水源，降低供水温度，提高节能降温效果。

在新的建筑节能形势下，每一种节能降温技术都应该为实现低碳的可持续发展发挥其应有的作用，可以预见的是喷雾蒸发降温技术能够成为南宁地区及广西其他城市建筑外窗节能的一种高效的降温解决方案。