stringtranslate.com

Пассивное охлаждение

Традиционная иранская система солнечного охлаждения с использованием ветряной башни

Пассивное охлаждение — это подход к проектированию зданий, который фокусируется на контроле теплопритока и рассеивании тепла в здании с целью улучшения теплового комфорта в помещении при низком или нулевом потреблении энергии. [1] [2] Этот подход работает либо путем предотвращения попадания тепла внутрь (предотвращение теплопритока), либо путем отвода тепла из здания (естественное охлаждение). [3]

Естественное охлаждение использует энергию на месте, доступную из естественной среды, в сочетании с архитектурным дизайном компонентов здания (например, ограждающих конструкций здания ), а не механические системы для рассеивания тепла. [4] Таким образом, естественное охлаждение зависит не только от архитектурного дизайна здания, но и от того, как природные ресурсы места используются в качестве поглотителей тепла (т. е. все, что поглощает или рассеивает тепло). Примерами поглотителей тепла на месте являются верхние слои атмосферы (ночное небо), наружный воздух (ветер) и земля/почва.

Пассивное охлаждение является важным инструментом проектирования зданий с учетом адаптации к изменению климата  , что позволяет снизить зависимость от энергоемкого кондиционирования воздуха в условиях потепления. [5] [6]

Обзор

Пассивное охлаждение охватывает все естественные процессы и методы рассеивания и модуляции тепла без использования энергии. [1] Некоторые авторы считают, что небольшие и простые механические системы (например, насосы и экономайзеры) могут быть интегрированы в пассивные методы охлаждения, если они используются для повышения эффективности естественного процесса охлаждения. [7] Такие приложения также называются «гибридными системами охлаждения». [1] Методы пассивного охлаждения можно разделить на две основные категории:

Профилактические методы

Этот древний римский дом избегает накопления тепла. Тяжелые каменные стены, небольшие внешние окна и узкий огороженный сад, ориентированный на север, затеняют дом, предотвращая накопление тепла. Дом выходит на центральный атриум с имплювием (открытым к небу); испарительное охлаждение воды вызывает поперечную тягу из атриума в сад .

Защита от или предотвращение теплопритоков охватывает все методы проектирования, которые минимизируют влияние солнечного тепла через оболочку здания и внутреннего тепла, которое генерируется внутри здания из-за присутствия людей и оборудования. Он включает в себя следующие методы проектирования: [1]

Методы модуляции и рассеивания тепла

Методы модуляции и рассеивания тепла основаны на естественных теплоотводах для хранения и удаления внутреннего притока тепла. Примерами естественных поглотителей являются ночное небо, почва и масса здания. [11] Таким образом, пассивные методы охлаждения, которые используют теплоотводы, могут действовать либо для модуляции притока тепла с помощью тепловой массы , либо для рассеивания тепла с помощью естественных стратегий охлаждения. [1]

Вентиляция

Пара коротких ветроуловителей ( малкаф ), используемых в традиционной архитектуре; ветер нагнетается вниз с наветренной стороны и выходит с подветренной стороны ( перекрестная вентиляция ). При отсутствии ветра циркуляция может осуществляться с помощью испарительного охлаждения на входе. В центре, шукшейка ( вентиляционное отверстие фонаря крыши ), используемое для затенения каа внизу, позволяя горячему воздуху подниматься из него ( эффект дымовой трубы ). [13]

Вентиляция как естественная стратегия охлаждения использует физические свойства воздуха для отвода тепла или охлаждения жильцов. В отдельных случаях вентиляция может использоваться для охлаждения конструкции здания, которая впоследствии может служить поглотителем тепла.

Эти две стратегии являются частью стратегий вентиляционного охлаждения .

Одним из конкретных применений естественной вентиляции является ночной продув.

Ночные промывания

Двор во Флоренции, Италия . Он высокий и узкий, с фонтаном, бьющим очень тонкими струйками воды внизу, и верхними комнатами, выходящими на него. Ночной смыв двора происходит автоматически, поскольку ночной воздух остывает; испарительное охлаждение охлаждает его еще больше и может использоваться для создания сквозняков и смены воздуха в течение дня. Окна можно оставлять открытыми круглосуточно.

Ночной смыв (также известный как ночная вентиляция, ночное охлаждение, ночная продувка или ночное конвективное охлаждение) — это пассивная или полупассивная стратегия охлаждения, которая требует повышенного движения воздуха ночью для охлаждения структурных элементов здания. [15] [16] Можно провести различие между свободным охлаждением для охлаждения воды и ночным смывом для охлаждения тепловой массы здания. Для выполнения ночного смыва обычно держат ограждающую конструкцию здания закрытой в течение дня. Тепловая масса конструкции здания действует как сток в течение дня и поглощает тепло, получаемое от жильцов, оборудования, солнечного излучения и проводимости через стены, крыши и потолки. Ночью, когда наружный воздух прохладнее, оболочка открывается, позволяя более прохладному воздуху проходить через здание, чтобы накопленное тепло могло рассеиваться путем конвекции. [17] Этот процесс снижает температуру внутреннего воздуха и тепловой массы здания, позволяя конвективному, кондуктивному и лучистому охлаждению происходить в течение дня, когда здание занято. [15] Ночной смыв наиболее эффективен в климате с большим суточным колебанием, т. е. большой разницей между дневной максимальной и минимальной температурой наружного воздуха. [18] Для оптимальной производительности ночная температура наружного воздуха должна быть значительно ниже предела дневной зоны комфорта в 22 °C (72 °F) и должна иметь низкую абсолютную или удельную влажность . В жарком влажном климате суточный перепад температуры обычно невелик, а ночная влажность остается высокой. Ночной смыв имеет ограниченную эффективность и может привести к высокой влажности, которая вызывает проблемы и может привести к высоким затратам на электроэнергию, если она удаляется активными системами в течение дня. Таким образом, эффективность ночного смыва ограничена достаточно сухим климатом. [19] Для того чтобы стратегия ночного смыва была эффективной для снижения температуры в помещении и потребления энергии, тепловая масса должна быть достаточно большой и распределена по достаточно большой площади поверхности, чтобы поглощать дневной прирост тепла в помещении. Кроме того, общая скорость воздухообмена должна быть достаточно высокой, чтобы удалять внутренний прирост тепла из помещения ночью. [17] [20] Существует три способа организации ночного смыва в здании:

Эти три стратегии являются частью стратегий вентиляционного охлаждения .

Использование ночного смыва в качестве стратегии охлаждения зданий имеет многочисленные преимущества, включая повышение комфорта и смещение пиковой энергетической нагрузки. [22] Энергия дороже всего в дневное время. Благодаря внедрению ночного смыва использование механической вентиляции в дневное время сокращается, что приводит к экономии энергии и денег.

Также существует ряд ограничений использования ночного смыва, таких как удобство использования, безопасность, ухудшение качества воздуха в помещении, влажность и плохая акустика помещения. При естественном ночном смыве процесс ручного открытия и закрытия окон каждый день может быть утомительным, особенно при наличии сеток от насекомых. Эту проблему можно облегчить с помощью автоматизированных окон или вентиляционных жалюзи, например, в Manitoba Hydro Place . Естественное ночное смыв также требует, чтобы окна были открыты ночью, когда здание, скорее всего, пустует, что может вызвать проблемы с безопасностью. Если наружный воздух загрязнен, ночное смыв может подвергнуть жильцов вредным условиям внутри здания. В шумных городских районах открытие окон может создать плохие акустические условия внутри здания. Во влажном климате ночное смыв может привнести влажный воздух, как правило, с относительной влажностью выше 90% в самую прохладную часть ночи. Эта влага может накапливаться в здании за ночь, что приводит к повышению влажности в течение дня, что приводит к проблемам с комфортом и даже росту плесени.

Радиационное охлаждение

В изучении теплопередачи радиационное охлаждение [23] [24] — это процесс, при котором тело теряет тепло посредством теплового излучения . Как описывает закон Планка , каждое физическое тело спонтанно и непрерывно испускает электромагнитное излучение .

Радиационное охлаждение применялось в различных контекстах на протяжении всей истории человечества, включая производство льда в Индии и Иране [25] , тепловые экраны для космических аппаратов [26] и в архитектуре. [27] В 2014 году научный прорыв в использовании фотонных метаматериалов сделал возможным дневное радиационное охлаждение. [28] [29] С тех пор оно было предложено в качестве стратегии смягчения локального и глобального потепления, вызванного выбросами парниковых газов, известной как пассивное дневное радиационное охлаждение . [30]
Инфракрасное атмосферное окно , частоты, в которых атмосфера необычайно прозрачна, — это большой голубоватый блок справа. Объект, флуоресцирующий в этих длинах волн, может охладиться до температуры ниже температуры окружающего воздуха.
Энергетический баланс радиационного охлаждения в иранском архитектурном элементе, яхчал

Испарительное охлаждение

Саласабиль (в настоящее время сухой) в Красном Форте в Дели , Индия. Саласабиль предназначен для максимального испарительного охлаждения; охлаждение, в свою очередь, может использоваться для циркуляции воздуха.

Эта конструкция основана на процессе испарения воды для охлаждения входящего воздуха и одновременного повышения относительной влажности. Насыщенный фильтр размещается на входе подачи, поэтому естественный процесс испарения может охлаждать приточный воздух. Помимо энергии для привода вентиляторов, вода является единственным другим ресурсом, необходимым для кондиционирования внутренних помещений. Эффективность испарительного охлаждения во многом зависит от влажности наружного воздуха; более сухой воздух производит больше охлаждения. Исследование результатов полевых испытаний в Кувейте показало, что требования к мощности для испарительного охладителя примерно на 75% меньше, чем требования к мощности для обычного компактного кондиционера. [31] Что касается внутреннего комфорта, исследование показало, что испарительное охлаждение снижает температуру внутреннего воздуха на 9,6 °C по сравнению с температурой наружного воздуха. [32] Инновационная пассивная система использует испаряющуюся воду для охлаждения крыши, чтобы большая часть солнечного тепла не попадала внутрь. [33]

В Древнем Египте применялось испарительное охлаждение; [13] например, тростник подвешивали на окнах и смачивали струйками воды. [34]

Испарение из почвы и транспирация из растений также обеспечивают охлаждение; вода, выделяемая растением, испаряется. Сады и горшечные растения используются для охлаждения, как в хортусе дома , цубо -нива матия и т. д.

Заземление

Канат и ветроуловитель, используемые в качестве земляного канала, как для заземления, так и для испарительного охлаждения. Вентилятор не нужен; всасывание в подветренной части ветробашни вытягивает воздух вверх и наружу .

Заземляющая связь использует умеренную и постоянную температуру почвы, чтобы действовать как поглотитель тепла для охлаждения здания посредством теплопроводности . Эта пассивная стратегия охлаждения наиболее эффективна, когда температура земли ниже температуры окружающего воздуха, например, в жарком климате.

В обычных зданиях

Существуют «умные кровельные покрытия» и «умные окна» для охлаждения, которые переключаются на обогрев при низких температурах. [36] [37] Самая белая формула краски может отражать до 98,1% солнечного света. [38]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdef Сантамоурис, М.; Асимакуполос, Д. (1996). Пассивное охлаждение зданий (1-е изд.). Лондон: James & James (Science Publishers) Ltd. ISBN 978-1-873936-47-4.
  2. ^ Лео Сэмюэл, DG; Шива Нагендра, SM; Майя, MP (август 2013 г.). «Пассивные альтернативы механическому кондиционированию воздуха в зданиях: обзор». Строительство и окружающая среда . 66 : 54–64. Bibcode : 2013BuEnv..66...54S. doi : 10.1016/j.buildenv.2013.04.016.
  3. ^ Mj, Limb (1998-01-01). «BIB 08: Аннотированная библиография: Пассивная технология охлаждения для офисных зданий в жарком сухом и умеренном климате».
  4. ^ Найлс, Филип; Кеннет, Хаггард (1980). Пассивный солнечный справочник . Сохранение энергетических ресурсов Калифорнии. ASIN  B001UYRTMM.
  5. ^ «Охлаждение: скрытая угроза изменению климата и целям устойчивого развития». phys.org . Получено 18 сентября 2021 г.
  6. ^ Форд, Брайан (сентябрь 2001 г.). «Пассивное испарительное охлаждение с нисходящим потоком: принципы и практика». Arq: Architectural Research Quarterly . 5 (3): 271–280. doi :10.1017/S1359135501001312. ISSN  1474-0516. S2CID  110209529.
  7. ^ Дживони, Барух (1994). Пассивное и низкоэнергетическое охлаждение зданий (1-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-28473-4.
  8. ^ ab Brown, GZ; DeKay, Mark (2001). Солнце, ветер и свет: стратегии архитектурного дизайна (2-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-471-34877-1.
  9. ^ Caldas, L. (январь 2008 г.). «Создание энергоэффективных архитектурных решений с применением GENE_ARCH: эволюционно-ориентированная генеративная система проектирования». Advanced Engineering Informatics . 22 (1): 54–64. doi :10.1016/j.aei.2007.08.012.
  10. ^ Caldas, L.; Santos, L. (сентябрь 2012 г.). «Создание энергоэффективных патио-домов с GENE_ARCH: объединение эволюционной генеративной системы проектирования с грамматикой форм». Труды 30-й Международной конференции по образованию и исследованиям в области автоматизированного архитектурного проектирования в Европе (ECAADe) [Том 1] (PDF) . Том 1. стр. 459–470. doi :10.52842/conf.ecaade.2012.1.459. ISBN 978-9-49120-702-0. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2013 г. . Получено 26 ноября 2013 г. .
  11. ^ Лехнер, Норберт (2009). Отопление, охлаждение, освещение: устойчивые методы проектирования для архитекторов (3-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 978-0-470-04809-2.
  12. ^ Хоссейн, Мд Мунтасир; Гу, Мин (2016-02-04). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и потенциалы». Advanced Science . 3 (7): 1500360. doi :10.1002/advs.201500360. ISSN  2198-3844. PMC 5067572 . PMID  27812478. 
  13. ^ ab Mohamed, Mady AA (2010). S. Lehmann; HA Waer; J. Al-Qawasmi (ред.). Традиционные способы борьбы с климатом в Египте. Седьмая международная конференция по устойчивой архитектуре и городскому развитию (SAUD 2010). Устойчивая архитектура и городское развитие . Амман, Иордания: Центр изучения архитектуры в арабском регионе (CSAAR Press). стр. 247–266.(чб-версия с низким разрешением)
  14. ^ Грондзик, Уолтер Т.; Квок, Элисон Г.; Стайн, Бенджамим; Рейнольдс, Джон С. (2010). Механическое и электрическое оборудование для строительства (11-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-19565-9.
  15. ^ ab Блондо, Патрис; Сперандио, Морис; Аллард, Фрэнсис (1997). «Ночная вентиляция для охлаждения зданий летом». Солнечная энергия . 61 (5): 327–335. Bibcode : 1997SoEn...61..327B. doi : 10.1016/S0038-092X(97)00076-5.
  16. ^ ab Артманн, Николай; Манц, Генрих; Гейзельберг, Пер Квольс (февраль 2007 г.). «Климатический потенциал пассивного охлаждения зданий ночной вентиляцией в Европе». Applied Energy . 84 (2): 187–201. Bibcode : 2007ApEn...84..187A. doi : 10.1016/j.apenergy.2006.05.004.
  17. ^ ab DeKay, Mark; Brown, Charlie (декабрь 2013 г.). Солнце, ветер и свет: стратегии архитектурного дизайна. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-33288-7.
  18. ^ Дживони, Барух (1991). «Производительность и применимость пассивных и малоэнергетических систем охлаждения». Энергия и здания . 17 (3): 177–199. Bibcode : 1991EneBu..17..177G. doi : 10.1016/0378-7788(91)90106-D.
  19. ^ Гриффин, Кеннет А. (3 мая 2010 г.). Ночной смыв и тепловая масса: максимизация естественной вентиляции для экономии энергии с помощью архитектурных особенностей (магистр строительных наук). Univ. Southern California . Получено 1 октября 2020 г.
  20. ^ Грондзик, Уолтер; Квок, Элисон; Стайн, Бенджамин; Рейнольдс, Джон (январь 2011 г.). Механическое и электрическое оборудование для зданий . John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-03940-3.
  21. ^ Пфафферотт, Йенс; Херкель, Себастьян; Яшке, Мартина (декабрь 2003 г.). «Проектирование пассивного охлаждения ночной вентиляцией: оценка параметрической модели и моделирование зданий с измерениями». Энергия и здания . 35 (11): 1129–1143. Bibcode : 2003EneBu..35.1129P. doi : 10.1016/j.enbuild.2003.09.005.
  22. ^ Шавив, Эдна; Йезиоро, Абрахам; Капелуто, Исаак (2001). «Тепловая масса и ночная вентиляция как стратегия проектирования пассивного охлаждения». Возобновляемая энергия . 24 (3–4): 445–452. doi :10.1016/s0960-1481(01)00027-1.
  23. ^ Фань, Шанхуэй; Ли, Вэй (март 2022 г.). «Концепции фотоники и термодинамики в радиационном охлаждении». Nature Photonics . 16 (3): 182–190. Bibcode : 2022NaPho..16..182F. doi : 10.1038/s41566-021-00921-9. S2CID  246668570.
  24. ^ Ли, Вэй; Фань, Шаньхуэй (1 ноября 2019 г.). «Радиационное охлаждение: сбор холода Вселенной». Optics and Photonics News . 30 (11): 32. Bibcode : 2019OptPN..30...32L. doi : 10.1364/OPN.30.11.000032. S2CID  209957921.
  25. ^ "Персидский ледяной дом, или как сделать лед в пустыне". Field Study of the World . 2016-04-04 . Получено 28-04-2019 .
  26. ^ Шао, Гаофэн и др. (2019). «Улучшенная стойкость к окислению высокоэмиссионных покрытий на волокнистой керамике для многоразовых космических систем». Corrosion Science . 146 : 233–246. arXiv : 1902.03943 . Bibcode :2019Corro.146..233S. doi :10.1016/j.corsci.2018.11.006. S2CID  118927116.
  27. ^ Хоссейн, Мд Мунтасир; Гу, Мин (2016-02-04). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и потенциалы». Advanced Science . 3 (7): 1500360. doi :10.1002/advs.201500360. PMC 5067572 . PMID  27812478. 
  28. ^ Хео, Се-Ён; Джу Ли, Гил; Сон, Ён Мин (июнь 2022 г.). «Сброс тепла с помощью фотонных структур: радиационное охлаждение и его потенциал». Журнал химии материалов C. 10 ( 27): 9915–9937. doi :10.1039/D2TC00318J. S2CID  249695930 – через Королевское химическое общество.
  29. ^ Раман, Аасват П.; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рафаэли, Эден; Фань, Шаньхуэй (2014). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами». Nature . 515 (7528): 540–544. Bibcode :2014Natur.515..540R. doi :10.1038/nature13883. PMID  25428501. S2CID  4382732 – через nature.com.
  30. ^ Мандей, Джереми (2019). «Борьба с изменением климата посредством радиационного охлаждения». Джоуль . 3 (9): 2057–2060. Bibcode : 2019Joule...3.2057M. doi : 10.1016/j.joule.2019.07.010 . S2CID  201590290.
  31. ^ Махешвари, ГП; Аль-Рагом, Ф.; Сури, РК (май 2001 г.). «Потенциал энергосбережения косвенного испарительного охладителя». Applied Energy . 69 (1): 69–76. Bibcode :2001ApEn...69...69M. doi :10.1016/S0306-2619(00)00066-0.
  32. ^ Амер, Э. Х. (июль 2006 г.). «Пассивные варианты солнечного охлаждения зданий в засушливых районах». Энергия . 31 (8–9): 1332–1344. Bibcode : 2006Ene....31.1332A. doi : 10.1016/j.energy.2005.06.002.
  33. ^ Раджванши, Анил К. (30 марта 2017 г.). «Победите жару с помощью простого решения для охлаждения, которое стоит десятую часть кондиционера». Лучшая Индия .
  34. ^ Бахадори, МН (февраль 1978 г.). «Пассивные системы охлаждения в иранской архитектуре». Scientific American . 238 (2): 144–154. Bibcode : 1978SciAm.238b.144B. doi : 10.1038/scientificamerican0278-144. S2CID  119819386.
  35. ^ ab Kwok, Alison G.; Grondzik, Walter T. (2011). The Green Studio Handbook. Экологические стратегии для схематического проектирования (2-е изд.). Burlington, MA: Architectural Press. ISBN 978-0-08-089052-4.
  36. ^ Tang, Kechao; Dong, Kaichen; Li, Jiachen; Gordon, Madeleine P.; Reichertz, Finnegan G.; Kim, Hyungjin; Rho, Yoonsoo; Wang, Qingjun; Lin, Chang-Yu; Grigoropoulos, Costas P.; Javey, Ali; Urban, Jeffrey J.; Yao, Jie; Levinson, Ronnen; Wu, Junqiao (17 декабря 2021 г.). «Температурно-адаптивное излучающее покрытие для всесезонного бытового терморегулирования». Science . 374 (6574): 1504–1509. Bibcode :2021Sci...374.1504T. doi :10.1126/science.abf7136. OSTI  1875448. PMID  34914515. S2CID  245263196.
  37. ^ Ван, Шаньчэн; Цзян, Тенгьяо; Мэн, Юнь; Ян, Ронггуй; Тан, Ган; Лонг, И (17 декабря 2021 г.). «Масштабируемые термохромные интеллектуальные окна с пассивным регулированием радиационного охлаждения». Science . 374 (6574): 1501–1504. Bibcode :2021Sci...374.1501W. doi :10.1126/science.abg0291. PMID  34914526. S2CID  245262692.
  38. ^ Ли, Сянъюй; Пиплз, Джозеф; Яо, Пэйян; Жуань, Сюлинь (15 апреля 2021 г.). «Ультрабелые краски и пленки BaSO4 для замечательного дневного субокружающего радиационного охлаждения». ACS Applied Materials & Interfaces . 13 (18): 21733–21739. doi :10.1021/acsami.1c02368. ISSN  1944-8244. PMID  33856776. S2CID  233259255. Получено 9 мая 2021 г.