被动式太阳房设计在炎热气候下的优化方案

在炎热气候下，采用遮阳装置会减少非空调建筑物的太阳得热。自然冷却系统可将热量从建筑物转移到温度低于室内的环境冷源中去（Givoni，1994）。这些冷源包括利用通风的环境干球（Gage等，2001）、通过蒸发冷却的环境湿球（Ford等，2012）、通过辐射冷却的夜空（Dimoudi和Androutsopoulos，2006）和通过地面导热冷却的土壤（Al-Ajmi等，2006）。相关分类如表12.1所示。被动式冷却通常仅需少量能量输入就能在干旱和潮湿的炎热气候中显著改善室内舒适性。冷却风机和其他空气动力源也可以显著提高舒适度。舒适性所需的最高温度可以提高几度。改变相对湿度对舒适性的影响并不明显：将相对湿度从20%增加至60%仅等效于1K的温升对舒适度的影响。虽然提高湿度不会明显降低人们的舒适度，但为了控制霉菌的数量，空气湿度通常需保持在68%以下。建筑物的两种除湿方法分别是使水蒸气在低温表面上凝结和直接利用干燥剂吸收水分。一般而言，凝结所需的低温条件仅依靠被动式冷却系统是无法实现的。

在一定的气候条件下，当环境干球温度明显上升到高于舒适性所需的最高温度时（即具有较大冷负荷的气候），可以采用以下技术：

1）双层玻璃；

2）减少渗风，通过空气-空气换热器进行通风；

3）墙体保温；

4）加护墙板。

表12.1 被动式冷却系统的分类

在相对温和的气候条件下，建筑物的夜间通风是一种简单、高性价比的冷却方法。如果夜间环境干球温度足够低，则可以充分地冷却建筑物中的蓄热体，以便在蓄热体吸收白天热负荷的情况下不会使室内温度升高到不舒适的水平。夜间通风采用自然循环还是强制循环的方式取决于风速和建筑物的设计。对于某些气候条件，在白天限制通风可能是有利的（仅保持健康所需的最小值），可以使建筑物的得热最小化。如果采用的是自然通风，则窗户的布局、视野和微气候都是设计时需要考虑的重要因素。预测穿过建筑物的气流模式时所涉及的不确定性因素，可能导致难以定量预测系统性能。

地下掩体是将一个建筑体部分或完全埋入地下，可通过以下两种方式降低冷负荷：

1）土壤的作用类似于额外的热阻层（尤其是夏季土壤比较干燥），能有效减少空气的渗透；

2）如果地表平面下的温度明显低于所需的内部温度，那么热量将从建筑物传递到周围的土壤中。

如果冷负荷足够小并且土壤温度足够低，则不需要进一步冷却。然而，在极端的气候条件下，由于冷负荷太大、土壤温度太高，在整个夏季则不能提供有效的冷却。由于土壤热容和导热系数的约束，当周围土壤温度升高到无法继续吸热时，其从建筑物吸收的热量将会受到限制。(www.xing528.com)

吸风罩使用塔形结构来转移和冷却进入建筑物的气流。空气在通过砌筑塔的蓄热体时会被冷却。这种冷却方法是相对常见的形式，特别是在伊朗的旧市场建筑物中。伊朗科尔曼（Kerman）集市上的吸风塔如图12.26所示。

图12.26 伊朗科尔曼的吸风塔及其工作原理

在直接蒸发冷却中，外部空气掠过浸泡在水中的纤维垫，被绝热降温加湿，使干球温度达到其湿球温度。随后，空气被输送到建筑物中。

在间接蒸发冷却系统中，低温空气是通过换热器冷却建筑物中的空气，而不是进行直接换热。其优点是可以避免水蒸气进入室内，因此提高了蒸发冷却在半湿润气候环境中的适用性。最有效的吸风塔结构采用平板空气-空气逆流换热器。换热器内表面有一侧保持湿润，使蒸发冷却是在其内部而不是在另外的设备内发生。

在更潮湿的气候条件下，较高的湿球温度限制了在不使用非常大的气流或换热器的情况下可获得的蒸发冷却量。在这样的气候下，屋顶散热冷却系统可以使用温度最低的环境冷源，也就是夜空。在潮湿的夏季，无云夜空的辐射温度比环境干球温度低大约10℃。然而，如果天空被云层覆盖，其辐射温度将接近环境温度。根据简单的经验关系，可以根据环境干球温度和湿度以及天空的云层覆盖程度预测天空温度。在晚上，暴露在夜空下水平表面的散热率为每单位温差5W/m²。如果屋顶可以进行储热，则夜间蓄冷量可以用于建筑物全天的冷却。这样的系统已经用于远程电信中转站（Schmalz，1979）以及在炎热干旱气候中可移动建筑物（Ghiraldi，1984）的冷却。

蓄热屋顶系统（Hay和Yellot，1969）由内含深度15cm水层的隔热板组成。在夜晚，打开面板并将水暴露在空气中。水可以放在露天的水池中，也可以包裹在像水床一样的塑料中。通过在夜间向天空辐射而使水得到冷却，并且如果使用露天水池或浸湿的袋子，也会发生蒸发冷却。在黎明时，面板被关闭以防止受到太阳辐射或来自外部空气的对流而获得热量。水冷却天花板，然后通过辐射和浮力共同驱动的自然对流来对建筑物内部进行冷却。与能够在房间中产生冷表面的其他被动式冷却系统一样，该系统通过使用风机循环内部空气来增加对流耦合，提高舒适度。蓄热屋顶的主要缺点是其采用了非常规结构。屋顶或天花板需要承受150kg/m²的水，同时还要避免泄漏，所以施工时需要相当谨慎。建造可移动面板时也需要小心，以保证其操作可靠且不需要过多的维护。尽管部件的批量生产可以降低成本并增加可靠性，该系统的安装费用仍很高。蓄热屋顶系统也可以在有阳光时打开面板利用太阳能加热水，以实现太阳能供热。然而，它不适合用于较高纬度和具有明显降雪的区域，也不适合用于改建的建筑物。

目前开发了一种新的冷却系统，其通过垂直水柱从房间吸收热量，水加热后被向上输送到带遮阳设施的屋顶水池中，主要通过蒸发作用将热量排到周围环境中。水池底部的冷水通过另一条管路下降，重新进入水柱的底部，如图12.27所示（Crowther和Melzer，1979；Crowther，1979）。

图12.27 自然循环水冷却系统运行原理剖面图

该系统的优点是，虽然散热主要通过蒸发实现，但没有额外的蒸汽进入房间。在美国加利福尼亚州萨克拉门托（Sacremento）附近进行的试验表明，即使在异常炎热的天气下，该系统也能提供足够的冷量（Hammond，1980）。目前，该系统已被改进，包括采用：①热交换薄膜（将敞开的蒸发水池与热虹水分离，因为后者需要保持清洁）；②有效的遮阳装置，可以遮挡所有直射辐射，但不影响池内进行蒸发冷却。为了防止在炎热气候下因静止水池而导致的相关疾病，有人提出将捕食蚊子幼虫的食蚊鱼放入换热器上方的蒸发池内。