stringtranslate.com

Пассивное охлаждение

Традиционная иранская конструкция солнечного охлаждения с использованием ветряной башни.

Пассивное охлаждение — это подход к проектированию здания, который фокусируется на контроле притока тепла и рассеивании тепла в здании с целью улучшения теплового комфорта в помещении при низком потреблении энергии или вообще без него. [1] [2] Этот подход работает либо за счет предотвращения проникновения тепла внутрь помещения (предотвращение притока тепла), либо за счет отвода тепла из здания (естественное охлаждение). [3]

Естественное охлаждение использует энергию на месте, полученную из природной среды, в сочетании с архитектурным дизайном компонентов здания (например, ограждающей конструкции ), а не механическими системами для рассеивания тепла. [4] Таким образом, естественное охлаждение зависит не только от архитектурного дизайна здания, но и от того, как природные ресурсы объекта используются в качестве теплоотводов (т.е. всего, что поглощает или рассеивает тепло). Примерами локальных поглотителей тепла являются верхние слои атмосферы (ночное небо), наружный воздух (ветер) и земля/почва.

Пассивное охлаждение является важным инструментом проектирования зданий для адаптации к изменению климата  , снижая 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 методы пассивного охлаждения, если они используются для повышения эффективности процесса естественного охлаждения. [7] Такие приложения также называют «гибридными системами охлаждения». [1] Методы пассивного охлаждения можно разделить на две основные категории:

Профилактические методы

Этот древнеримский дом избегает перегрева. Тяжелые каменные стены, маленькие наружные окна и узкая огороженная садом ориентация на север затеняют дом, предотвращая приток тепла. Дом выходит в центральный атриум с имплювиумом (открытым небу); охлаждение воды испарением вызывает поперечную тягу из атриума в сад .

Защита или предотвращение притока тепла включает в себя все методы проектирования, которые сводят к минимуму влияние притока солнечного тепла через ограждающие конструкции здания и внутреннего притока тепла, который генерируется внутри здания из-за занятости и оборудования. Он включает в себя следующие методы проектирования: [1]

Методы модуляции и рассеивания тепла

Методы модуляции и рассеивания тепла основаны на использовании естественных теплоотводов для хранения и удаления внутреннего тепла. Примерами естественных поглотителей являются ночное небо, земная почва и масса зданий. [11] Таким образом, методы пассивного охлаждения, в которых используются радиаторы, могут либо модулировать приток тепла с помощью тепловой массы , либо рассеивать тепло посредством стратегий естественного охлаждения. [1]

Вентиляция

Пара коротких ловцов ветра ( малькаф ), используемых в традиционной архитектуре; ветер подавляется с наветренной стороны и уходит с подветренной стороны ( перекрестная вентиляция ). В отсутствие ветра циркуляцию можно обеспечить с помощью испарительного охлаждения на входе. В центре находится шукшейка ( отверстие для фонаря на крыше ), используемое для затенения ка внизу, позволяя при этом подниматься из него горячему воздуху ( эффект стека ). [13]

Вентиляция как стратегия естественного охлаждения использует физические свойства воздуха для отвода тепла или обеспечения охлаждения находящихся в нем людей. В отдельных случаях вентиляция может использоваться для охлаждения конструкции здания, которая впоследствии может служить теплоотводом.

Эти две стратегии являются частью стратегий вентиляционного охлаждения .

Одним из конкретных применений естественной вентиляции является ночная промывка.

Ночная промывка

Двор во Флоренции, Италия . Он высокий и узкий, с фонтаном, бьющим внизу очень тонкими струйками воды, и верхними помещениями, выходящими на него. Ночная промывка двора происходит автоматически по мере остывания ночного воздуха; испарительное охлаждение дополнительно охлаждает его и может использоваться для создания сквозняков и смены воздуха в течение дня. Окна можно оставить открытыми круглосуточно.

Ночная промывка (также известная как ночная вентиляция, ночное охлаждение, ночная продувка или ночное конвективное охлаждение) — это стратегия пассивного или полупассивного охлаждения, которая требует увеличения движения воздуха в ночное время для охлаждения конструктивных элементов здания. [15] [16] Можно провести различие между естественным охлаждением для охлаждения воды и ночной промывкой для охлаждения тепловой массы здания . Для выполнения ночной промывки ограждающие конструкции здания обычно оставляют закрытыми в течение дня. Тепловая масса конструкции здания в течение дня действует как сток и поглощает тепло, поступающее 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 за счет конвекции. [17] Этот процесс снижает температуру воздуха в помещении и тепловой массы здания, обеспечивая конвективное, кондуктивное и лучистое охлаждение в течение дня, когда в здании находятся люди. [15] Ночная промывка наиболее эффективна в климатических условиях с большими суточными колебаниями, т.е. с большой разницей между максимальной и минимальной дневной температурой наружного воздуха. [18] Для оптимальной работы температура наружного воздуха в ночное время должна быть значительно ниже предела дневной зоны комфорта, равного 22 °C (72 °F), и не должна иметь низкую абсолютную или удельную влажность . В жарком и влажном климате суточные колебания температуры обычно невелики, а ночная влажность остается высокой. Ночная промывка имеет ограниченную эффективность и может привести к повышению влажности, что вызывает проблемы и может привести к высоким затратам энергии, если ее удаляют активные системы в течение дня. Таким образом, эффективность ночных промываний ограничена достаточно сухим климатом. [19] Чтобы стратегия ночного промыва была эффективной для снижения температуры в помещении и потребления энергии, тепловая масса должна быть достаточного размера и распределена по достаточно широкой площади поверхности, чтобы поглощать ежедневные поступления тепла в помещение. Кроме того, общая скорость воздухообмена должна быть достаточно высокой, чтобы отводить внутреннее тепло из помещения в ночное время. [17] [20] Существует три способа ночной промывки в здании:

Эти три стратегии являются частью стратегий вентиляционного охлаждения .

Использование ночной промывки в качестве стратегии охлаждения зданий имеет множество преимуществ, включая повышение комфорта и изменение пиковой энергетической нагрузки. [22] Энергия дороже всего в течение дня. Благодаря внедрению ночной промывки сокращается использование механической вентиляции в течение дня, что приводит к экономии энергии и денег.

Существует также ряд ограничений для использования ночного промыва, таких как удобство использования, безопасность, снижение качества воздуха в помещении, влажность и плохая акустика помещения. Для естественного ночного смыва процесс ежедневного ручного открытия и закрытия окон может оказаться утомительным, особенно при наличии москитных сеток. Эту проблему можно облегчить с помощью автоматических окон или вентиляционных жалюзи, как, например, в Manitoba Hydro Place . Естественный ночной смыв также требует, чтобы окна были открыты ночью, когда в здании, скорее всего, никого нет, что может вызвать проблемы с безопасностью. Если наружный воздух загрязнен, ночная промывка может подвергнуть жильцов воздействию вредных условий внутри здания. В шумных городских условиях открытие окон может создать плохие акустические условия внутри здания. Во влажном климате ночная промывка может привести к попаданию влажного воздуха, относительная влажность которого обычно превышает 90%, в самое прохладное время 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 к росту плесени.

Радиационное охлаждение

Инфракрасное окно атмосферы , частоты, в которых атмосфера необычайно прозрачна, представляет собой большой голубоватый блок справа. Объект, флуоресцентный в этих длинах волн, может охладиться до температуры ниже температуры окружающего воздуха.
Энергетический баланс радиационного охлаждения в иранском архитектурном элементе, яхчал

Все предметы постоянно излучают и поглощают лучистую энергию . Объект будет охлаждаться за счет излучения, если чистый поток направлен наружу, что имеет место ночью. Ночью длинноволновое излучение ясного неба меньше, чем длинноволновое инфракрасное излучение, исходящее от здания, поэтому существует чистый поток в небо. Поскольку крыша обеспечивает наибольшую поверхность, видимую ночному небу, эффективная стратегия заключается в том, чтобы спроектировать крышу в качестве радиатора. Типы стратегий радиационного охлаждения , в которых используется поверхность крыши, включают прямое и непрямое, [11] и флуоресцентное.

Охлаждение испарением

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

Эта конструкция основана на процессе испарения воды для охлаждения поступающего воздуха и одновременного повышения относительной влажности. На входе приточного воздуха установлен насыщенный фильтр, чтобы естественный процесс испарения мог охладить приточный воздух. Помимо энергии для привода вентиляторов, вода является единственным ресурсом, необходимым для обеспечения кондиционирования помещений. Эффективность испарительного охлаждения во многом зависит от влажности наружного воздуха; более сухой воздух обеспечивает большее охлаждение. Исследование результатов эксплуатации в Кувейте показало, что требования к мощности для испарительного охладителя примерно на 75% меньше, чем требования к мощности для обычного модульного кондиционера. [27] Что касается внутреннего комфорта, исследование показало, что испарительное охлаждение снижает температуру внутреннего воздуха на 9,6 °C по сравнению с температурой наружного воздуха. [28] Инновационная пассивная система использует испаряющуюся воду для охлаждения крыши, чтобы большая часть солнечного тепла не попадала внутрь. [29]

Древний Египет использовал испарительное охлаждение; [13] например, тростник развешивали на окнах и смачивали струящейся водой. [30]

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

Заземляющее соединение

Канат и ветроуловитель используются в качестве заземляющего канала как для заземления, так и для испарительного охлаждения. Вентилятор не требуется; всасывание с подветренной стороны ветряной башни вытягивает воздух вверх и наружу.

При соединении с землей умеренная и постоянная температура почвы действует как радиатор для охлаждения здания за счет проводимости . Эта стратегия пассивного охлаждения наиболее эффективна, когда температура земли ниже температуры окружающего воздуха, например, в жарком климате.

В обычных зданиях

Существуют «умные крыши» и «умные окна» для охлаждения, которые при низких температурах переключаются на обогрев. [32] [33] Самая белая краска может отражать до 98,1% солнечного света. [34]

Смотрите также

Рекомендации

  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, генеральный директор; Шива Нагендра, С.М.; Майя, депутат (август 2013 г.). «Пассивные альтернативы механическому кондиционированию зданий: обзор». Строительство и окружающая среда . 66 : 54–64. doi :10.1016/j.buildenv.2013.04.016.
  3. ^ Limb MJ, 1998: «Технологии пассивного охлаждения для офисных зданий. Аннотированная библиография». Центр инфильтрации и вентиляции воздуха (AIVC) , 1998 г.
  4. ^ Найлз, Филип; Кеннет, Хаггард (1980). Справочник по пассивной солнечной энергии . Сохранение энергетических ресурсов Калифорнии. АСИН  B001UYRTMM.
  5. ^ «Охлаждение: скрытая угроза изменению климата и устойчивым целям». физ.орг . Проверено 18 сентября 2021 г.
  6. ^ Форд, Брайан (сентябрь 2001 г.). «Пассивное испарительное охлаждение с нисходящей тягой: принципы и практика». Arq: Ежеквартальный журнал архитектурных исследований . 5 (3): 271–280. дои : 10.1017/S1359135501001312. ISSN  1474-0516.
  7. ^ Аб Гивони, Барух (1994). Пассивное и низкоэнергетическое охлаждение зданий (1-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 978-0-471-28473-4.
  8. ^ аб Браун, GZ; ДеКей, Марк (2001). Солнце, ветер и свет: стратегии архитектурного проектирования (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 978-0-471-34877-1.
  9. ^ Кальдас, Л. (январь 2008 г.). «Создание энергоэффективных архитектурных решений с использованием GENE_ARCH: система генеративного проектирования, основанная на эволюции». Высшая инженерная информатика . 22 (1): 54–64. дои : 10.1016/j.aei.2007.08.012.
  10. ^ Кальдас, Л.; Сантос, Л. (сентябрь 2012 г.). «Создание энергоэффективных домов с патио с помощью GENE_ARCH: сочетание эволюционной системы генеративного проектирования с грамматикой форм». Материалы 30-й Международной конференции по образованию и исследованиям в области компьютерного архитектурного проектирования в Европе (ECAADe) [Том 1] (PDF) . Том. 1. С. 459–470. doi : 10.52842/conf.ecaade.2012.1.459. ISBN 978-9-49120-702-0. Архивировано из оригинала (PDF) 2 декабря 2013 года . Проверено 26 ноября 2013 г.
  11. ^ аб Лехнер, Норберт (2009). Отопление, охлаждение, освещение: методы устойчивого проектирования для архитекторов (3-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: ISBN John Wiley & Sons, Inc. 978-0-470-04809-2.
  12. ^ Хоссейн, Мэриленд Мунтасир; Гу, Мин (04 февраля 2016 г.). «Радиационное охлаждение: принципы, прогресс и потенциал». Передовая наука . 3 (7): 1500360. doi :10.1002/advs.201500360. ISSN  2198-3844. ПМК 5067572 . ПМИД  27812478. 
  13. ^ Аб Мохамед, Мэди А.А. (2010). С. Леманн; ХА Ваер; Дж. Аль-Кавасми (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 арабского региона (CSAAR Press). стр. 247–266.(черно-белая версия с низким разрешением)
  14. ^ Грондзик, Уолтер Т.; Квок, Элисон Г.; Штейн, 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. ^ аб Блондо, Патрис; Сперандио, Морис; Аллард, Фрэнсис (1997). «Ночная вентиляция для охлаждения зданий летом». Солнечная энергия . 61 (5): 327–335. Бибкод : 1997SoEn...61..327B. дои : 10.1016/S0038-092X(97)00076-5.
  16. ^ аб Артманн, Николай; Манц, Генрих; Гейзельберг, Пер Кволс (февраль 2007 г.). «Климатический потенциал пассивного охлаждения зданий ночной вентиляцией в Европе». Прикладная энергетика . 84 (2): 187–201. doi :10.1016/j.apenergy.2006.05.004.
  17. ^ Аб ДеКей, Марк; Браун, Чарли (декабрь 2013 г.). Солнце, ветер и свет: стратегии архитектурного проектирования. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-33288-7.
  18. ^ Гивони, Барух (1991). «Производительность и применимость пассивных и низкоэнергетических систем охлаждения». Энергия и здания . 17 (3): 177–199. дои : 10.1016/0378-7788(91)90106-D.
  19. Гриффин, Кеннет А. (3 мая 2010 г.). Ночная промывка и тепловая масса: максимизация естественной вентиляции для энергосбережения за счет архитектурных особенностей (магистр строительных наук). унив. Южная Калифорния . Проверено 1 октября 2020 г.
  20. ^ Грондзик, Уолтер; Квок, Элисон; Штейн, Бенджамин; Рейнольдс, Джон (январь 2011 г.). Механическое и электрическое оборудование для зданий . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-118-03940-3.
  21. ^ Пфаферотт, Йенс; Херкель, Себастьян; Яшке, Мартина (декабрь 2003 г.). «Проектирование пассивного охлаждения ночной вентиляцией: оценка параметрической модели и моделирование здания с измерениями». Энергия и здания . 35 (11): 1129–1143. doi :10.1016/j.enbuild.2003.09.005.
  22. ^ Шавив, Эдна; Езиоро, Авраам; Капелуто, Исаак (2001). «Тепловая масса и ночная вентиляция как стратегия проектирования пассивного охлаждения». Возобновляемая энергия . 24 (3–4): 445–452. дои : 10.1016/s0960-1481(01)00027-1.
  23. ^ Шарифи, Айюб; Ямагата, Йошики (декабрь 2015 г.). «Пруды на крыше как пассивные системы отопления и охлаждения: систематический обзор». Прикладная энергетика . 160 : 336–357. doi :10.1016/j.apenergy.2015.09.061.
  24. ^ Раман, Аасват П.; Анома, Марк Абу; Чжу, Линьсяо; Рефаэли, Иден; Фань, Шаньхуэй (ноябрь 2014 г.). «Пассивное радиационное охлаждение ниже температуры окружающего воздуха под прямыми солнечными лучами». Природа . 515 (7528): 540–544. Бибкод :2014Natur.515..540R. дои : 10.1038/nature13883. ISSN  1476-4687. PMID  25428501. S2CID  4382732.
  25. Бернетт, Майкл (25 ноября 2015 г.). «Пассивное радиационное охлаждение». big.stanford.edu .
  26. ^ Бердал, Пол; Чен, Шэрон С.; Десталья, Хьюго; Кирхштеттер, Томас В.; Левинсон, Роннен М.; Залич, Майкл А. (декабрь 2016 г.). «Флуоресцентное охлаждение объектов, подвергающихся воздействию солнечного света - пример рубина». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 157 : 312–317. дои : 10.1016/j.solmat.2016.05.058 .
  27. ^ Махешвари, врач общей практики; Аль-Рагом, Ф.; Сури, РК (май 2001 г.). «Энергосберегающий потенциал испарительного охладителя непрямого действия». Прикладная энергетика . 69 (1): 69–76. дои : 10.1016/S0306-2619(00)00066-0.
  28. ^ Амер, Э.Х. (июль 2006 г.). «Пассивные варианты солнечного охлаждения зданий в засушливых районах». Энергия . 31 (8–9): 1332–1344. doi :10.1016/j.energy.2005.06.002.
  29. ^ Победите жару с помощью простого решения для охлаждения, которое стоит десятую часть переменного тока.
  30. ^ Бахадори, Миннесота (февраль 1978 г.). «Пассивные системы охлаждения в иранской архитектуре». Научный американец . 238 (2): 144–154. Бибкод : 1978SciAm.238b.144B. doi : 10.1038/scientificamerican0278-144. S2CID  119819386.
  31. ^ аб Квок, Элисон Г.; Грондзик, Уолтер Т. (2011). Справочник Зеленой студии. Экологические стратегии схематического проектирования (2-е изд.). Берлингтон, Массачусетс: Архитектурная пресса. ISBN 978-0-08-089052-4.
  32. ^ Тан, Кечао; Донг, Кайчен; Ли, Цзячэнь; Гордон, Мадлен П.; Райхертц, Финнеган Г.; Ким, Хёнджин; Ро, Юнсу; Ван, Цинцзюнь; Линь, Чан-Ю; Григоропулос, Костас П.; Джави, Али; Урбан, Джеффри Дж.; Яо, Цзе; Левинсон, Роннен; У, Цзюньцяо (17 декабря 2021 г.). «Температурно-адаптивное радиационное покрытие для всесезонного терморегуляции бытовых помещений». Наука . 374 (6574): 1504–1509. Бибкод : 2021Sci...374.1504T. doi : 10.1126/science.abf7136. OSTI  1875448. PMID  34914515. S2CID  245263196.
  33. ^ Ван, Шаньчэн; Цзян, Тэнъяо; Мэн, Юн; Ян, Жунгуй; Тан, Банда; Лонг, Йи (17 декабря 2021 г.). «Масштабируемые термохромные умные окна с пассивным регулированием радиационного охлаждения». Наука . 374 (6574): 1501–1504. Бибкод : 2021Sci...374.1501W. doi : 10.1126/science.abg0291. PMID  34914526. S2CID  245262692.
  34. ^ Ли, Сянъюй; Народы, Джозеф; Яо, Пейян; Жуань, Сюлинь (15 апреля 2021 г.). «Ультрабелые краски и пленки BaSO4 для замечательного дневного субатриентного радиационного охлаждения». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 13 (18): 21733–21739. doi : 10.1021/acsami.1c02368. ISSN  1944-8244. PMID  33856776. S2CID  233259255 . Проверено 9 мая 2021 г.