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1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：113053浅层敞开式屋面蓄水层蒸发冷却性能研究杨晚生1,2 郭开华1 郭创2 谢孺强2（1中山大学 工学院，广东 广州 51000）（2广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）（Tel：13580343059，Email:gdyangwansh）摘 要：浅层敞开式蓄水屋面由于具有蓄水层浅、屋面荷载小、蒸发性能好、对屋面具有养护功能、夜间散热快等优点，但也存在由于蓄水层浅，其蒸发冷却作用受到一定的限制等缺点，从而影响了其工程应用，本文对浅层蓄水屋面在自然气候条件下的蒸发冷却性能进行了实验研究，获得了其蒸发冷却性能、平均蒸发率
2、和蒸发潜热量变化规律，并分析了太阳辐射强度、室外空气温度和相对湿度对蒸发率的影响关系，这些实验研究结果为可上人式浅层蓄水屋面的构造模式优化提供了基础依据。关键词： 浅层；敞开式；蓄水屋面；蒸发隔热0 引言对于屋面蓄（淋）水蒸发隔热技术国内外学者很早就有展开了相关课题的研究。例如1958年赵鸿佐教授在西安对房屋室内自然通风状况下的洒水屋面蒸发隔热性能进行了研究1-2。1977年国家建委建筑研究院对蓄水屋盖的热工性能进行了研究3。1980年重庆建筑科技大学陈启高教授对蓄水屋盖水面的反射系数进行了测定 3。 2005年华南理工大学孟庆林教授带领他的研究团队采用太阳能动力循环泵和依靠收集雨水补充屋面蒸
3、发用水对住宅玻璃光顶淋水降温进行了实验研究4，获得了丰硕的研究成果。国内其他学者也对蓄水屋面的传热动态特性进行了相关研究5-7。此外对于屋面淋水隔热实验，国内文献多见于储粮库屋面上的隔热应用，如文献812中不同的研究者对粮食储备库的屋面淋水隔热进行了实验研究，通过测试屋面内外表面温度和室内温度来分析了淋水屋面的隔热效果，但均未能对其隔热机理进行理论探讨。 国际上，G.A. Florides 13和Zahra Ghiabaklou 14提出了用于墙体隔热的、瀑布隔热装置，利用水幕形成的蒸发效应对窗户或玻璃进行冷却。N.M. Nahar 15针对干旱地区的气候特点，提出了如下屋面蓄水的应用模式：在
4、屋面蓄水水面上设置浮动隔热层，夏天白天隔热层将太阳辐射阻隔，晚上移开水面隔热层，利用蒸发冷却作用对屋面进行蒸发冷却；冬天白天移开水面隔热层，吸收太阳辐射，提高屋面温度；晚上则加盖移动隔热层，以减小蓄水层水温的降低，保持屋面温度。M.K. Ghosal 16针对温室进行了屋面淋水隔热蒸发的实验研究，研究者在温室屋面上设置黄麻布，利用淋水系统将水喷淋在黄麻布上，水分在太阳照射下在黄麻布上蒸发，起到冷却隔热效应。文献1718对水面带有漂浮物的屋面蓄水池的蒸发冷却效应进行了数学分析计算，获得了该装置的理论计算模型（2003年）。文献19针对中东地区的气候特点，提出下屋面组合蒸发隔热模式，利用屋面蓄水层
5、上面的隔热板隔绝太阳辐射，同时在隔热板和蓄水层之间利用机械通风方式进行水分蒸发。综上所述，如何合理地构造浅层蓄水隔热屋面，使之既能实现屋面的蒸发冷却效应，又不过分增加屋面的荷载，是实现浅层蓄水屋面隔热工程应用的研究方向和焦点，本文从敞开式浅层蓄水屋面在自然气候状况下的模块化实验入手，对其蒸发隔热性能进行实验研究，以获得其蒸发冷却特性，并为进一步构造浅层蓄水屋面的隔热模式提供实验依据。1 实验模块构造本蓄水实验模块尺寸为12001200200mm，蓄水模块构造见图1。实验的主要目的是通过自然气候条件下的测试掌握浅层蓄水模块的蒸发隔热效应，同时与其它屋面蒸发隔热模块进行对比，获得其基本的隔冷却性能
6、规律，为合理构造浅层蓄水屋面的工程应用模式提供实验依据。蓄水模块于2010年7月19日14:48蓄水，蓄水池六个测点的初始平均高度为104.0mm。蓄水层测点高度采用静置式高度计进行检测。同时分别在蓄水表面和蓄水底面安装温度热电偶，为防止太阳辐射对测量水温热电偶的影响，将热电偶贴敷在泡沫塑料块上并使泡沫块漂浮于蓄水表面对其表面温度进行测量。图1 蓄水实验模块构造及测点布置1-模块板；2-蓄水层；3-热电偶；4-房辐射泡沫块；5-防水膜；6-隔热板；7-底面热电偶；8-高度尺2 实验测试结果及分析2.1测试数据的选取本实验测试于2010年7月20日开始，2010年9月1日测试结束。测试分析选取测
7、试期间内连续晴天段测试数据进行分析。本实验选取8月2日4日和8月29日31日连续两个晴天段数据进行分析。2.2测试结果及分析2.2.1蒸发冷却性能分析本蓄水模块在测试期间蓄水底面温度、蓄水表面温度、裸露屋面温度及室外空气温度的关系见图2图8。从蓄水层底面温度、表面温度与裸露屋面温度及空气温度比较可以分析得出如下结论：（1）蓄水层底面温度与室外空气温度表现出非常相近的变化规律，表现在二者逐时温度值大小和最大值出现时间的一致性（见图2）。这一规律反映出该浅层敞开式蓄水图2 蓄水底面温度与室外空气平均温度 图3蓄水表面温度与室外空气平均温度层对室外空气温度波的衰减和延迟性能都较差，隔热性能不好，与文
8、献3的研究结果一致；同时室外空气温度在大部分时段均略高于蓄水层底面温度（包括夜晚）。 （2）蓄水表面温度与室外空气温度关系见图3。从图中可以看出：蓄水表面温度最大值为44.0，出现在13：00时刻，室外空气温度最大值为38.0，出现在15：20时刻。实验测试数据分析结果显示：蓄水表面温度在9：2015：20这一时段高于室外空气温度，反映出这一时段蓄水层由于吸收太阳辐射热大于空气吸收的太阳辐射热量，使蓄水层温度高于周围空气温度，这一特性也直接导致了蓄水表面温度的最大值较空气温度最大值出现时刻早2.20min。在夜晚时段蓄水表面由于与大气及周围环境进行长波辐射散热，蓄水层温度下降较快，低于周围室外
9、空气温度。（3）裸露屋面温度是反映屋面传热量的重要性能参数，也是影响屋面传热的主要因素，裸露屋面温度越高，在同一屋面构造模式及室内外气象条件下，传入室内的热量也越大，因此，控制裸露屋面温度是实现屋面隔热的主要目标之一。本实验为比较蓄水屋面的蒸发隔热性能，将蓄水层底面温度与同一屋面区域裸露屋面温度进行比较（见图4）。从测试结果来看：裸露屋面最大值为52.5，出现时刻为13:40，比蓄水底面最高温度高出15.4，同时蓄水屋面最大值出现时间也延迟了60.0min，从与裸露屋面温度比较来看，蓄水层反映出一定的隔热和对高温的延迟性能，而且整个测试期间（包括夜晚）裸露屋面温度均较蓄水底面温度高，这一特性反
10、映出该浅层蓄水屋面较裸露屋面夜晚时段也具有良好的放热特性，蓄水层夜间散热速率大于裸露屋面散热速率。 图4 蓄水底面温度与裸露屋面平均温度 图5 蓄水底面温度与蓄水表面平均温度 图6裸露屋面温度与蓄水表面平均温度（4）从蓄水底面温度与蓄水表面温度比较可以分析得出（见图5）：蓄水底面最高温度为37.1，出现时刻为14：40；蓄水表面温度最大值为44.0，出现时刻为13：00，二者温差为6.9，时间延迟100min；同时在7：4016：20这一时段（大部分为白天时段），蓄水表面温度均高于蓄水底面温度，其它时段（大部分为夜晚时间）蓄水表面温度低于蓄水底面温度，这一变化特征反映出表面水层和底面水层与环境
11、传热特性的差异。在7：4016：20（白天时段）时段，蓄水表面由于很快吸收太阳辐射热，温度升高速率较底面水层温度升高速率快；当太阳辐射强度减弱，周围环境温度降低时，蓄水表面水层散热速率较底面水层快，温度降低亦较大。（5）裸露屋面温度与蓄水表面温度比较见图6。裸露屋面温度最高值为52.5，出现在13：40这一时刻，蓄水表面温度最大值为44.0，出现在13：00时刻。二者最大值之差为8.5，蓄水层表面较裸露屋面最高值的延迟时间为40min。同时测试时间段内，裸露屋面温度均比蓄水表面温度高，表面蓄水层夜间散热速率大于裸露屋面散热速率。2.2.2蒸发率及蒸发热量 本实验蓄水模块在测试工况下蓄水层高度变
12、化见图7和图8。不同测试期段的水分平均蒸发量和平均蒸发率见表1，各时段蒸发率占全体蒸发量的比例见表2，蒸发潜热量见表3。表1 不同测试期段的水面下降高度和平均蒸发率测试时间8-28-38-4平均水分蒸发量(kg)平均蒸发率（kg/h）白天下降高度(cm)0.370.420.290.364.3560.484晚上下降高度(cm)0.180.130.230.182.1780.145合计0.550.550.520.546.5340.272测试时间8-298-308-31平均水分蒸发量(kg)平均蒸发率（kg/h）白天下降高度(cm)0.320.320.320.323.8720.430晚上下降高度(cm
13、)0.190.240.260.232.7830.186全天0.510.560.580.556.6550.277 图7 8月2-5日蓄水层高度变化曲线 图 8 8月29 -9月1日蓄水层高度变化曲线表2 不同时段蒸发量占总蒸发量的比例日期8月2日8月3日8月4日8月29日8月30日8月31日平均0.6730.7640.5580.6270.5710.5520.6240.3270.2360.4420.3730.4290.4480.376注：、分别表示白天蒸发量，夜晚蒸发量和全天总蒸发量，。表3 测试期段内单位蒸发潜热量计算测试日期太阳辐射强度（W/m2）单位时间内蒸发潜热量（W/m2）平均值最大值白
14、天夜晚 全天平均8-2626.61012.0285.5083.33159.140.4560.3078-3577.1962.0324.0760.18159.140.5620.3348-4581.8917.0223.77106.48150.460.3850.3138-29572.8869.0246.9287.97147.570.4310.3128-30643.8916.0246.9287.97162.030.3840.3058-31588.0857.0246.9287.97167.830.4200.345平均598.4922.2262.3585.65157.720.4380.3192.2.3蒸发率
15、变化规律本实验测试模块白天时段蒸发率逐时变化规律见图9。该蒸发率随时间呈三次多项式变化规律，即随着时间（8：30开始），=0.8967，时间段：8：3017：30蒸发率逐渐缓慢增大，达到最大值后，逐渐变小。式中 蒸发率，kg/(m2h)；时间，h。公式适应范围和条件：广州8月连续晴天段，室外平均风速范围：。图9 蒸发率的回归公式2.2.4结果分析及讨论从以上测试分析结果可以得出以下一些结论：（1）浅层（10cm）敞开式蓄水屋面的对室外空气温度的衰减和延迟特性不显著；（2）浅层敞开式蓄水屋面夜间散热特性与裸露屋面相比较好，夜间由于水层蓄热引起的反向传热问题不明显；（3）白天时段由于太阳辐射的作用
16、，表面水层温度上升速率较大，通过遮挡、通风等方式可有效降低表面水层对太阳辐射的吸收，从而降低整个蓄水层温度。（4）浅层开敞式蓄水模块在白天段的蒸发量大于夜晚的蒸发量，白天平均蒸发率是夜晚平均蒸发率的2.8倍；白天总蒸发量占全天蒸发率的比例为62.4%；（5）白天时段单位面积蒸发潜热量占平均太阳辐射强度的比例为43.8%，全天平均总蒸发潜热量占平均太阳辐射强度的比例为31.9%，这一结果表明白天蓄水层吸收的太阳辐射热量中有43.8%左右通过水分蒸发所形成的汽化潜热散放；（6）在白天时段蓄水屋面的蒸发率呈三次多项式变化规律，蒸发率逐渐增大，达到最大值后逐渐减小。2.3 蒸发率影响因素分析一般情况下
17、，影响水分蒸发率的主要因素包括室外空气温度、太阳辐射强度、室外风速和室外相对湿度等气象参数。太阳辐射强度、室外空气温度和相对湿度与蒸发率的关系分析如下。2.3.1太阳辐射强度 太阳辐射对蒸发率的影响见图10。从图中可以分析得出：（1）太阳辐射强度与蒸发图10太阳辐射强度与蒸发率 图11 太阳辐射强度与蒸发率延迟关系率在测试时段内表现出相似的变化特点，即二者皆呈现为先增大，达到某一最大值后再逐渐减小的近扁平正态变化规律；（2）太阳辐射强度对蒸发率的影响表现出延迟特性，即蒸发率最大值出现的时间比太阳辐射强度最大值出现的时间延迟了约3.03.5h，这一延迟特性反映出蓄水层对太阳辐射热的吸收特性（见图
18、11）。2.3.2室外空气温度室外空气温度对蒸发率的影响关系见图12和图13。从上述图中可以分析得出：（1）随着室外空气温度的缓慢升高，水分蒸发率逐渐增大，但蒸发率最大值出现的时间较室外空气温度延迟约1.5h（见图15）；（2）室外空气温度与蒸发率表现出较好的线性正相关关系，及随着室外空气温度的升高，蒸发率增大，二者的变化关系公式为：，相关系数，适用时段：8：3015：30。式中 水分蒸发率，kg/(m2h)；室外空气温度，。室外平均风速范围：。图12 室外空气温度与蒸发率的关系 图13蒸发率和室外空气温度回归曲线2.3.3相对湿度室外空气相对湿度对蒸发率的影响表现为线性负相关特性，即随着室外
19、相对湿度的降低，水分蒸发率逐渐增大（见图14）；相对湿度出现最小值的时刻，正是蒸发率出现图14 相对湿度和蒸发率的关系 图15 相对湿度和蒸发率回归曲线最大值的时刻，这是因为空气中的相对湿度大小从某种程度上反映了空气中水蒸气含量的多少和水蒸气压力的大小（，式中空气相对湿度，%；空气中水蒸气压力，Pa；对应温度下空气中水蒸气饱和压力，Pa。），空气相对湿度越小，表明空气中水蒸气压力越小，在其它参数一定的情况下，水分从蓄水层向周围空气中迁移的速率越大，蒸发率就越高。相对湿度与蒸发率的关系公式为（图15）：，相关系数，适用时段：8：3015：30。式中 水分蒸发率，kg/(m2h)；室外空气相对湿度
20、，%。室外平均风速范围：。2.3.4结果分析从上述蒸发率的影响因素测试计算结果可以得出：（1）太阳辐射与蒸发率的变化呈现为相似的变化特征，但蒸发率相对与太阳辐射的变化表现出3.03.5h的延迟特性，这一结果反映出蓄水层首先对太阳辐射进行吸收，当水温升高到一定值时，水分开始蒸发。（2）空气温度对蒸发率表现出较好的线性正相关特性，但空气温度对蒸发的影响存在1.01.5h的延迟特性；相对湿度对蒸发率表现出较好的负相关特性，相对湿度对蒸发率的影响基本无延迟现象，反映出相对湿度对蒸发率影响具有及时性。（3）测试不确定度分析：水面高度变化是测试蓄水层蒸发率的重要参数，其测试准确性会影响到测试结果的误差大小
21、，本测试采用高度尺进行测试，其最小刻度为1mm，测试期段白天水面下降高度范围为：29.042.0cm，夜晚水面下降高度范围为：18.026.0cm，高度测试的相对误差为：白天：2.4%3.4%，夜晚：3.8%5.5%。3结束语浅层敞开式蓄水屋面的蒸发隔热性能研究是实现浅层蓄水屋面工程应用基础，也是优化构造浅层蓄水屋面模式的理论基础，本文从对浅层开敞式蓄水屋面在实际气候状况下的蒸发冷却特性进行了研究，获得了南方典型夏季气候状况下蓄水屋面的特性参数，可为进一步优化蓄水屋面工程应用模式提供必要的实验依据，限于篇幅，关于浅层遮挡式蓄水屋面和不同高度蓄水屋面的性能将另文介绍。参考文献1赵鸿佐.屋面淋水降
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