云中水滴水噴霧系統(tǒng)節(jié)能設計研究

“云中水滴”水噴霧系統(tǒng)節(jié)能設計研究

摘要：單層膜結(jié)構的新穎建筑所面臨的節(jié)能問題是無法利用常規(guī)的節(jié)能軟件進行計算的。文章介紹了在世界氣象組織館的項目中，結(jié)合建筑的設計創(chuàng)意，利用建筑外層全面噴霧的效果，人為創(chuàng)造了一個建筑室外的“小環(huán)境”，論證了在這個“小環(huán)境”中的展館建筑圍護結(jié)構的能耗很低，從而達到節(jié)能的目的。關鍵詞：單層膜結(jié)構建筑；噴霧；節(jié)能；蒸發(fā)冷卻；濕球溫度0項目概況工程建筑立意為“云中水滴”。這一設計思想的產(chǎn)生是依據(jù)該場館的使用性質(zhì)，從“氣象”的概念出發(fā)，契合國家氣象局云造型的標志。建筑整體上以4個大小各異、方向不同的白色扁圓球體相互融合，形成的組合體從各個角度看都能讓人聯(lián)想到一朵云。為達成“云中水滴”的立意，在整個建筑亮白色膜布上均勻布滿霧化的微噴水點，展覽期間微噴水霧將全程開啟。云的具象，彌漫的霧汽，使氣象館呈現(xiàn)出一團云霧。當日光高度角小于42°時，步行廣場的觀者背對太陽、面向氣象館，均可看到圍繞建筑的彩虹。這樣以氣象為主題的展覽就從館內(nèi)延伸至館外，整個建筑也成為展覽的一個部分。1噴霧系統(tǒng)介紹在建筑的膜結(jié)構外殼上滿布的噴頭，間距平均約1.5m。噴頭有兩種類型，一種噴霧直徑在1～10μm之間，為形成云霧；一種噴水珠直徑在0.5mm左右，為折射彩虹。開館時間持續(xù)噴水霧，水霧大部分呈液滴狀回落至膜表面，并由膜面自由滑落匯集到環(huán)建筑的景觀水池內(nèi)邊溢水槽，由噴霧系統(tǒng)回收凈化循環(huán)利用。水景噴霧系統(tǒng)的技術數(shù)據(jù)為：噴霧系統(tǒng)循環(huán)水量173m3/h，其中霧化噴頭（約1600只）循環(huán)水量10m3/h，珠狀噴頭（約280只）循環(huán)水量163m3/h。另外，噴霧過程由于水分蒸發(fā)、吹散、凈化去污等造成的損失由自來水進行補充，平均補水量為5m3/h。2噴霧系統(tǒng)對建筑外部氣象小環(huán)境的改變水霧及小液滴由均勻布置在建筑維護膜結(jié)構表面的噴嘴噴出，淋灑在膜的外表面上。室外膜法線方向1.5m左右高度的未飽和空氣與水霧進行熱、濕交換，使空氣降溫、增濕、凈化；部分噴霧蒸發(fā)成水蒸氣，其余落入下部的水槽內(nèi)，經(jīng)水泵再送至噴嘴，循環(huán)使用。建筑外部小環(huán)境的空氣失去顯熱熱量，溫度降低，水蒸氣進入空氣使空氣濕度增加，潛熱量增加，因此，空氣焓值基本不變，降溫后的濕空氣則改變了室外氣象小環(huán)境。2.1蒸發(fā)冷卻原理分析水在空氣中具有蒸發(fā)能力。在沒有其他熱源條件下，水與空氣間的熱濕交換過程是空氣傳遞顯熱給水，使空氣的溫度下降。而由于水的蒸發(fā)，不但空氣的含濕量要增加，且進入空氣的水蒸氣帶回一些汽化潛熱。這兩種熱量相等，故水溫會穩(wěn)定于某一平衡溫度，這一溫度就是空氣的濕球溫度。只要空氣不是飽和的，濕球溫度總是低于干球溫度，也即水溫總是低于空氣干球溫度。所以，利用循環(huán)水直接噴淋空氣可以取得空氣的降溫效果。蒸發(fā)冷卻的原理在制冷空調(diào)領域中往往應用于水直接蒸發(fā)式空調(diào)。在本項目中，噴霧系統(tǒng)恰似在建筑外部設置了水直接蒸發(fā)式空調(diào)。水滴和水霧極大地增加了與空氣接觸的水表面積，由于水的蒸發(fā)，空氣和水的溫度都降低，而空氣的含濕量有所增加，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為潛熱，這是一個絕熱加濕過程。其熱力過程原理如圖3所示，對應的蒸發(fā)冷卻過程如圖4。由圖可知，狀態(tài)1的室外大環(huán)境空氣在噴霧過程中與水進行熱濕交換后，溫度下降，含濕量增加，沿絕熱線變化到狀態(tài)2，而水溫由tw2下降到tw1。從熱力學分析的角度看，直接蒸發(fā)冷卻的過程是一個流動、傳熱、傳質(zhì)同時發(fā)生，并且多個傳熱過程相互耦合、相互交叉影響的復雜不可逆熱力過程。又由于蒸發(fā)冷卻過程中的熱量、質(zhì)量傳遞推動勢相對較小，因此蒸發(fā)型冷卻技術屬于低品位能源利用技術。同時，直接蒸發(fā)型冷卻技術是利用自然環(huán)境空氣中的干濕球溫度差取得冷量，基本上不消耗或消耗極少量能源，且對環(huán)境無破壞作用。圖1熱力過程原理圖圖2蒸發(fā)冷卻過程在i-d圖2.2簡單的數(shù)學推理量化分析蒸發(fā)型冷卻過程中的熱和質(zhì)的交換問題，是傳熱界的一個主要研究方向，近年來國內(nèi)外仍有許多學者正對此問題進行更深入的理論和實驗研究。但從系統(tǒng)整體出發(fā)，綜合考慮各個環(huán)節(jié)的熱質(zhì)交換特性的還沒有。另一方面由于該問題自身的復雜性，水和空氣間熱質(zhì)交換過程表現(xiàn)出高度的時變性和非線性特性，使得無論在物理模型的建立，還是在數(shù)學模型的求解上都非常困難，而且數(shù)學模型的建立都是基于一定的假設和理想條件之上的。2.2.1水份蒸發(fā)帶走的氣化潛熱Q在噴霧進行過程中水的主要損失包括水份蒸發(fā)、吹散、排污三個方面，其中75%～88%是吹散、排污的損失，而水份蒸發(fā)僅占損失水量的12%～25%。根據(jù)噴霧系統(tǒng)的技術數(shù)據(jù)，平均補水量為5m3/h，則每小時蒸發(fā)水量約為600～1250kg。而1kg水在常壓下蒸發(fā)能帶走676W熱量，則計算噴霧蒸發(fā)帶走的氣化潛熱Q得：Qmin=600kg×676W/1000=405.6kW，Qmax=1250kg×676W/1000=845.0kW。按建筑外維護膜表面積2200m2計算，平均每平方米膜面被所蒸發(fā)帶走的熱量q為184～384Ｗ。2.2.2建筑外部小環(huán)境空氣溫度t2由前述可知，膜外表面噴霧在開館期間持續(xù)不間斷的進行，并且霧化的液滴極大地增加了空氣與循環(huán)水的接觸面積。在這一前提下，可以推斷室外小環(huán)境的空氣能夠與水霧進行非常充分的熱濕交換；當空氣處于當?shù)卮髿鈮合碌娘柡蜖顟B(tài)，t2即為此狀態(tài)下的飽和空氣溫度，膜外表面溫度可認為與其周圍空氣溫度相近，參考上海市夏季空調(diào)室外計算濕球溫度28.2℃，將其判定為膜結(jié)構的外表溫度。2.2.3室內(nèi)空氣環(huán)境分析氣象館僅設計夏季空調(diào)，展館參觀區(qū)域設置立式安裝風機盤管，采取下送下回的送風方式，這樣的氣流組織使人員活動處于空調(diào)服務范圍，而熱空氣由于密度差的原因聚集于館內(nèi)上部的空間。新風系統(tǒng)送風布置在室內(nèi)4.5m左右高度，采取側(cè)送風的方式，更利于形成室內(nèi)空氣上熱下冷的豎向分層。根據(jù)上海世博局對臨時建筑室內(nèi)空調(diào)設計溫度的規(guī)定，展館內(nèi)空調(diào)設計溫度為26～28℃，本館空調(diào)按此設計。館內(nèi)近膜頂?shù)氖覂?nèi)空氣溫度稍高于設計溫度的上限28℃，也即建筑圍護結(jié)構膜頂部的內(nèi)表面溫度。這樣建筑的上部室內(nèi)外溫差微乎其微，基本上沒有熱交換；下部室內(nèi)外溫差按室內(nèi)設計溫度下限計僅2℃，熱交換極為有限。3結(jié)語綜上所述，為體現(xiàn)氣象館的內(nèi)涵而設計的建筑形