被动式蒸发冷却下向通风降温技术在干热地区的研究与应用

被动式蒸发冷却下向通风降温技术在干热地区的研究与应用

文章介绍了被动式蒸发冷却下向通风降温技术，讲述了其工作原理，影响因素和应用优势，并以以色列布劳斯坦沙漠建筑研究中心和美国凤凰城奥康纳联邦法院为例，详细讲述了该技术在建筑实例中的应用，一方面以实例展示了该项技术在实际项目中的应用效果，另一方面通过对比同种技术下两者之间不同的降温效果，体现了被动式建筑的设计原则是以人为本总体考量而不是简单的技术堆砌。

标签：被动式蒸发冷却下向通风降温技术；被动式建筑设计；干热地区；布劳斯坦沙漠研究中心；奥康纳联邦法院

Abstract： This paper introduces the technology of passive evaporative cooling with directional ventilation， describes its working principle， influencing factors and application advantages， and takes the Blaustein Desert Architecture Research Center in Israel and the O’Connor Federal Courthouse in Phoenix in the United States as examples. The application of this technology in building example is described in detail. On the one hand， the application effect of this technology in the actual project is demonstrated by examples； on the other hand， the different cooling effects between the same technology and the same technology are compared. It shows that the design principle of passive architecture is the overall consideration of people-oriented rather than simple technical stacking.

Keywords： passive evaporative cooling with downward ventilation； passive architectural design； dry-hot areas； Blaustein Desert Research Center； O’Connor Federal Courthouse

前言

被动式下向通风降温技术（PDC）作为中庭建筑中常用的被动式散热通风技术，为建筑提供了大量自然通风，保证了室内热环境的舒适性，而将蒸发冷却技术与PDC技术相结合，产生的被动式蒸发冷却下向通风降温技术（PDEC）利用了蒸发产生的冷空气和水蒸气混合气体代替室外空气，利用水蒸发吸热带动空气流动代替通风机械，提高了通风效率，降低了对环境的负荷。该项技术已经在美国、中东等地区广泛的应用，并且效果显著，有很好的应用前景。

1 PDEC的原理、效果与影响因素

1.1 PDEC的工作原理

依据热空气上升冷空气下降的基本原理，PDC技术将外部冷空气引入建筑内部，与室内热空气形成混合，将热空气送入建筑上部，并通过建筑顶部的排风口将热空气排出，实现通风降温的目的。在我国，PDC在岭南地区有较为广泛

的应用，该地区夏季湿度高，温度并不太高，PDC技术所形成的自然通风就可以营造出舒适的室内热环境。然而，在中东等干热地区，因为空气过于干燥，单纯的PDC技术不能保证室内环境的舒适度。当地人会在风口设置水罐，利用水的蒸发，一方面水蒸发吸热，降低了空气温度，另一方面水汽通过风口进入室内，提高了建筑内部的舒适性。而PEDC技术正是利用了这一原理，将室外空气引入，并通过水的蒸发冷却降低空气温度提高空气湿度，并使湿润的冷空气从建筑下部進入建筑内部，达成通风降温的效果。

1.2 PDEC的影响因素

应用PDEC技术时，建筑内部空气与水在冷却塔蒸发冷却的过程中，空气的温度沿湿球温度线下降，所以，PDEC技术的效果与空气中的水蒸气含量和饱和条件下水蒸气含量相关。所以，在不同的地区，由于空气温度和湿度的改变，PDEC的降温能力也有所不同。因此，判定是否使用该项技术以前，必须先评估项目所在地区的气候条件，依据该地区的全年气象数据来计算该技术的具体降温效果。除此之外，影响PDEC效果还有两个因素，分别是冷却塔的形式构造与入风口的尺寸大小，还有喷水系统的选择和排水量。研究证明，冷却塔的进风口朝向最好面向夏季风的主导风向，而排风口最好处于夏季风的背风向，除此之外，排风口在设计时要结合空气动力学的原理，避免空气乱流。而对于喷水系统的选择，分别有喷雾水系统，喷淋水系统已经混合喷水系统，经性能测试得知，制冷效果最好的系统是混合喷水系统。

2 PDEC的优势

2.1 降低成本

PDEC技术利用水的自然蒸发代替了机械通风系统，减少了空调管道和吊顶，从而在一定程度上降低了建筑层高，节约了建筑成本。

2.2 节能减排

空调系统是现代建筑运行能耗的主要组成部分之一，在炎热地区，空调系统耗能大概占据整个建筑能耗的45%左右，而采用PDEC技术的建筑，可以减少空调运行制冷能耗的60%-80%，即降低建筑能耗30%左右。而且该技术利用的是水，并不会造成污染性气体的排放，避免了对环境造成太大的负荷。2.3 缓解城市热岛现象

空调系统在制冷时，一方面将室内热量排出，另一方面利用大量能源，排放了大量的二氧化碳和污染气体，而PDEC技术消耗能源极低，减少了二氧化碳的排放，而且排出的空气温度并不会太高，可以缓解城市的热岛现象。

3 PDEC在实际建筑中的应用

3.1 案例介绍

布劳斯坦沙漠建筑研究中心位于以色列内盖夫高地，属于温带大陆性气候，夏季平均气温略低，在32℃，相对湿度略高，在20%-30%，夏季防热和降温同样是该地区建筑所需要面对的问题。该建筑的建筑面积为1600m2，中庭面积520m2，建筑高度为三层，外立面较少采用玻璃幕墙。

奥康纳联邦法院位于美国索诺兰沙漠北部，属于亚热带大陆性气候，夏季平均气温最高值在40℃左右，室外湿度约为15%，夏季降温是该地区建筑面临的主要问题。该建筑的建筑面积为46500m2，中庭尺度为107m*46m，主入口位于建筑东侧，建筑主体为三层高度的圆柱体，外侧立面为全封闭的玻璃幕墙，东侧外立面采用了low-e玻璃幕墙。

3.2 案例比较

两个案例均采用了PDEC技术，通过热环境测试发现，两个建筑中庭空间的温度都获得了显著的降温效果，但是建筑内部的热舒适性完全不同，下文将两个案例互相对比，试图寻找同一降温系统的前提下，产生不同热舒适性的影响因素。

（1）建筑设计整体分析

沙漠建筑研究中心的设计人员是该研究中心的在职人员，其对于沙漠气候和沙漠地区的建筑有较为深入的研究，面积较大的中庭对整个建筑内部环境的影响非常显著，如何利用中庭空间，成为了整个方案需要面对的主要问题。

内部舒适性和气候适应性是该建筑的设计原则，设计人员充分的分析了当地的气候信息。在冬季，中庭作为温室来使用，通过顶部幕墙吸收太阳热量，并通过外墙的保温构造来减少热量流失，增加室内温度。在夏季，利用浅色外墙反射大量太阳辐射，外墙的保温材料同时也达到了隔热的效果，窗户的方向和尺度同样经过了建筑师的精心设计，窗户和通风口的主要开启方向为南向和北向，东西向没有开窗，一方面利用了当地夏季的主导风向增加了建筑内部通风，优化了建筑的风环境，另一方面减少了进入室内的太阳辐射。中庭的玻璃幕墙屋顶通过使用遮阳构件和特种玻璃，尽可能的降低了夏季太阳辐射对中庭内部温度的影响。

该建筑从建筑的布局到各个洞口的设计，遮阳保温构造的处理，幕墙玻璃的选择等等，都体现了被动式建筑的设计理念，使得建筑内部有着极佳的舒适性，减少了对制冷设备的依赖，同时，大面积的中庭由于PDEC技术的使用，取得了良好的降温效果，使得该建筑成为了PDEC技术的优秀案例。

奥康纳联邦法院是白色派大师迈耶的作品，拥有着极为强烈的个人风格，玻璃盒子的外立面通透简洁，然而，高达六层大面积的玻璃中庭，使得建筑很难用常规的空调降温来达成舒适的内部环境，因此该建筑同样选择了PDEC技术，建成后的能耗测试表明，PDEC技术的能耗相比同面积空调降温的能耗降低了75%，然而其热舒适性却未能达标。

从被动式角度考虑，全玻璃幕墙的设计有极大的局限性，由于建筑进深较大，无法彻底代替人工照明，即使建筑采用了遮阳构件和特种玻璃，依然有过量的太陽辐射进入建筑内部，使得整个建筑内部环境非常闷热。

（2）中庭设计的目的和PDEC系统的设计方式

奥康纳联邦法院的中庭是建筑与室外的国度空间，其PDEC系统的设计时在中庭顶部靠近走道的区域设置喷头，形成冷空气幕，阻隔中庭热空气进入人员活动区域。沙漠研究中心的中庭不仅仅作为交通空间而存在，同时被赋予了热交换空间的职能，内中庭的设计减少了外部热量的进入，冷却塔靠近建筑功能空间，使得人员活动区域的热环境极为舒适。

3.3 中庭降温效果测试与评价

建成后的热工模拟显示，沙漠研究中心夏季中庭内部温度与室外温差为14℃，与设计模拟结果基本相同，内部使用人员对建筑内部的热环境舒适度较为满意，而奥康纳联邦法院中庭降温设计值为11℃，而测量结果仅为6℃，主要原因是大面积的中庭接收了过量的太阳辐射，抵消了部分降温效果，调查显示被调查者普遍不满意建筑内部的热舒适性。

4 结束语

通过分析可知，PEDC技术在中庭空间有极为显著的降温效果，但并不能确保营造出一个舒适的中庭环境。两个案例的对比表明，被动式建筑并不是单纯的堆砌被动式技术所能达成的，想要真正的达成绿色节能的目的，需要设计师的精心设计，能否处理好建筑、技术、人和气候之间的和谐关系是PDEC技术获得满意热舒适度和节能的核心，必须将被动式的设计理念和技术的结合才能真正设计出真正的被动式建筑。

参考文献：

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