摘要：单层膜结构的新颖建筑所面临的节能问题是无法利用常规的节能软件进行计算的。文章介绍了在世界气象组织馆的项目中，结合建筑的设计创意，利用建筑外层全面喷雾的效果，人为创造了一个建筑室外的“小环境”，论证了在这个“小环境”中的展馆建筑围护结构的能耗很低，从而达到节能的目的。
关键词：单层膜结构建筑；喷雾；节能；蒸发冷却；湿球温度
0项目概况
工程建筑立意为“云中水滴”。这一设计思想的产生是依据该场馆的使用性质，从“气象”的概念出发，契合国家气象局云造型的标志。建筑整体上以4个大小各异、方向不同的白色扁圆球体相互融合，形成的组合体从各个角度看都能让人联想到一朵云。
为达成“云中水滴”的立意，在整个建筑亮白色膜布上均匀布满雾化的微喷水点，展览期间微喷水雾将全程开启。云的具象，弥漫的雾汽，使气象馆呈现出一团云雾。当日光高度角小于42°时，步行广场的观者背对太阳、面向气象馆，均可看到围绕建筑的彩虹。这样以气象为主题的展览就从馆内延伸至馆外，整个建筑也成为展览的一个部分。
1喷雾系统介绍
在建筑的膜结构外壳上满布的喷头，间距平均约1.5m。喷头有两种类型，一种喷雾直径在1～10μm之间，为形成云雾；一种喷水珠直径在0.5mm左右，为折射彩虹。开馆时间持续喷水雾，水雾大部分呈液滴状回落至膜表面，并由膜面自由滑落汇集到环建筑的景观水池内边溢水槽，由喷雾系统回收净化循环利用。
水景喷雾系统的技术数据为：喷雾系统循环水量173m3/h，其中雾化喷头（约1600只）循环水量10m3/h，珠状喷头（约280只）循环水量163m3/h。另外，喷雾过程由于水分蒸发、吹散、净化去污等造成的损失由自来水进行补充，平均补水量为5m3/h。
2喷雾系统对建筑外部气象小环境的改变
水雾及小液滴由均匀布置在建筑维护膜结构表面的喷嘴喷出，淋洒在膜的外表面上。室外膜法线方向1.5m左右高度的未饱和空气与水雾进行热、湿交换，使空气降温、增湿、净化；部分喷雾蒸发成水蒸气，其余落入下部的水槽内，经水泵再送至喷嘴，循环使用。建筑外部小环境的空气失去显热热量，温度降低，水蒸气进入空气使空气湿度增加，潜热量增加，因此，空气焓值基本不变，降温后的湿空气则改变了室外气象小环境。
2.1蒸发冷却原理分析
水在空气中具有蒸发能力。在没有其他热源条件下，水与空气间的热湿交换过程是空气传递显热给水，使空气的温度下降。而由于水的蒸发，不但空气的含湿量要增加，且进入空气的水蒸气带回一些汽化潜热。这两种热量相等，故水温会稳定于某一平衡温度，这一温度就是空气的湿球温度。只要空气不是饱和的，湿球温度总是低于干球温度，也即水温总是低于空气干球温度。所以，利用循环水直接喷淋空气可以取得空气的降温效果。
蒸发冷却的原理在制冷空调领域中往往应用于水直接蒸发式空调。在本项目中，喷雾系统恰似在建筑外部设置了水直接蒸发式空调。水滴和水雾极大地增加了与空气接触的水表面积，由于水的蒸发，空气和水的温度都降低，而空气的含湿量有所增加，空气的显热转化为潜热，这是一个绝热加湿过程。其热力过程原理如图3所示，对应的蒸发冷却过程如图4。由图可知，状态1的室外大环境空气在喷雾过程中与水进行热湿交换后，温度下降，含湿量增加，沿绝热线变化到状态2，而水温由tw2下降到tw1。从热力学分析的角度看，直接蒸发冷却的过程是一个流动、传热、传质同时发生，并且多个传热过程相互耦合、相互交叉影响的复杂不可逆热力过程。又由于蒸发冷却过程中的热量、质量传递推动势相对较小，因此蒸发型冷却技术属于低品位能源利用技术。同时，直接蒸发型冷却技术是利用自然环境空气中的干湿球温度差取得冷量，基本上不消耗或消耗极少量能源，且对环境无破坏作用。
图1 热力过程原理图 图2 蒸发冷却过程在 i-d 图
2.2简单的数学推理量化分析
蒸发型冷却过程中的热和质的交换问题，是传热界的一个主要研究方向，近年来国内外仍有许多学者正对此问题进行更深入的理论和实验研究。但从系统整体出发，综合考虑各个环节的热质交换特性的还没有。另一方面由于该问题自身的复杂性，水和空气间热质交换过程表现出高度的时变性和非线性特性，使得无论在物理模型的建立，还是在数学模型的求解上都非常困难，而且数学模型的建立都是基于一定的假设和理想条件之上的。
2.2.1水份蒸发带走的气化潜热Q
在喷雾进行过程中水的主要损失包括水份蒸发、吹散、排污三个方面，其中75%～88%是吹散、排污的损失，而水份蒸发仅占损失水量的12%～25%。根据喷雾系统的技术数据，平均补水量为5m3/h，则每小时蒸发水量约为600～1250kg。而1kg水在常压下蒸发能带走676W热量，则计算喷雾蒸发带走的气化潜热Q得：
Qmin=600kg×676W/1000=405.6kW，
Qmax=1250kg×676W/1000=845.0kW。
按建筑外维护膜表面积2200m2计算，平均每平方米膜面被所蒸发带走的热量q为184～384Ｗ。
2.2.2建筑外部小环境空气温度t2
由前述可知，膜外表面喷雾在开馆期间持续不间断的进行，并且雾化的液滴极大地增加了空气与循环水的接触面积。在这一前提下，可以推断室外小环境的空气能够与水雾进行非常充分的热湿交换；当空气处于当地大气压下的饱和状态，t2即为此状态下的饱和空气温度，膜外表面温度可认为与其周围空气温度相近，参考上海市夏季空调室外计算湿球温度28.2℃，将其判定为膜结构的外表温度。
2.2.3室内空气环境分析
气象馆仅设计夏季空调，展馆参观区域设置立式安装风机盘管，采取下送下回的送风方式，这样的气流组织使人员活动处于空调服务范围，而热空气由于密度差的原因聚集于馆内上部的空间。新风系统送风布置在室内4.5m左右高度，采取侧送风的方式，更利于形成室内空气上热下冷的竖向分层。根据上海世博局对临时建筑室内空调设计温度的规定，展馆内空调设计温度为26～28℃，本馆空调按此设计。馆内近膜顶的室内空气温度稍高于设计温度的上限28℃，也即建筑围护结构膜顶部的内表面温度。这样建筑的上部室内外温差微乎其微，基本上没有热交换；下部室内外温差按室内设计温度下限计仅2℃，热交换极为有限。
3结语
综上所述，为体现气象馆的内涵而设计的建筑形体、膜外围护体系和关键的喷雾系统，对建筑节能均极为有利。喷雾系统在建筑外创造的小气候环境从根本上改变了夏季室外气象条件；膜围护结构的两侧空气温度很接近，温差很小，导致围护结构传热量极小。因此本建筑在未做围护结构保温（实为保冷）的情况下，仍达到节能的目的。
论文作者:喻晓
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
标签：空气论文; 建筑论文; 温度论文; 过程论文; 潜热论文; 环境论文; 系统论文; 《基层建设》2018年第10期论文;