席仁靜 狄育慧 鄭 松

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西安市某大型商場(chǎng)噴淋屋頂天窗的降溫效果分析

席仁靜 狄育慧 鄭 松

（西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 西安 710048）

選取西安市大型商場(chǎng)的屋頂噴淋玻璃天窗、對(duì)照玻璃天窗和對(duì)照平屋頂為研究對(duì)象，測(cè)試了在高溫夏季天窗外表面的溫度，對(duì)比分析了屋頂天窗噴淋后的降溫效果。數(shù)據(jù)顯示，與對(duì)照屋頂天窗相比，噴淋天窗的降溫程度范圍為3 ℃～5.7 ℃，平均降低天窗溫度3.86 ℃，降溫率變化范圍為7.58%～12.72%，降溫率平均達(dá)到9.23%。同時(shí)SPSS獨(dú)立樣本檢驗(yàn)得到，兩者溫度差異顯著，95%的區(qū)間估計(jì)兩者的溫度之差約為[1.1,7.5]；與平屋頂相比，噴淋天窗的降溫程度變化范圍為11.6 ℃～17.5 ℃，屋頂平均溫度降低了13.09 ℃。降溫率變化范圍為25.16%-30.92%，平均降溫率達(dá)到27.58%。同時(shí)SPSS的方差分析及檢驗(yàn)顯示，與兩對(duì)照組相比，噴淋天窗均有顯著的降溫效果。

大型商場(chǎng)；屋頂天窗；天窗；SPSS

0 引言

當(dāng)今時(shí)代，建筑與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展成為人們關(guān)注及研究的重要課題，而建筑屋頂?shù)墓?jié)能研究一直都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。屋頂是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是處于氣候變化最強(qiáng)烈的部位，是影響室內(nèi)空間舒適性和能耗的關(guān)鍵。而有關(guān)資料顯示[1]，我國(guó)的建筑能耗目前已占社會(huì)總能耗的30%，并且有逐步提高到35%的趨勢(shì)。研究表明[2]，屋頂所占面積盡管小，但能耗占建筑總能耗8%-10%?，F(xiàn)代大型公共建筑中，中庭及天窗成為建筑師非常青睞的建筑形式，也越來(lái)越受到人們的歡迎，而玻璃天窗由于傳熱系數(shù)低、透光使其能耗驚人。調(diào)研發(fā)現(xiàn)在西安市的萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)、銀泰百貨、小寨賽格等大型商場(chǎng)中均廣泛應(yīng)用玻璃天窗。因此，本文通過(guò)與普通天窗及平屋頂對(duì)比，分析了西安某大型商場(chǎng)的噴淋屋頂天窗的降溫節(jié)能效果，為西安市屋頂天窗的節(jié)能研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的概況

實(shí)驗(yàn)對(duì)象A為西安市某大型商業(yè)綜合體建筑的中庭屋頂天窗，該商場(chǎng)地下二層，地上十層，共十二層，其中頂層三層為停車場(chǎng)，天窗建在中庭結(jié)構(gòu)七層屋頂上，高度近10 m。此噴淋天窗的規(guī)格為12 m×10 m，在天窗四角布置有8個(gè)噴淋頭，控制每隔1-2小時(shí)噴淋一次。對(duì)象建筑B共八層，地上七層，地下有負(fù)一層，屋頂天窗沒有噴淋系統(tǒng)。兩天窗的形式均采用鋼筋混凝土的鋼結(jié)構(gòu)，材料為鋼化玻璃。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

實(shí)驗(yàn)在室外溫度較高的7月份開展，選擇天氣晴朗的3天時(shí)間測(cè)試對(duì)象A的噴淋玻璃天窗及平屋頂外表面溫度，測(cè)試對(duì)象B的天窗外表面溫度。在商場(chǎng)A選擇一平屋頂區(qū)域作為對(duì)照，同樣在對(duì)象B選擇10 m×12 m天窗作為研究對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間段為10:00-18:00，其中每小時(shí)測(cè)試3次，在兩屋頂天窗上與對(duì)照平屋頂都均勻劃分6個(gè)區(qū)域測(cè)試，以每小時(shí)18個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為相應(yīng)時(shí)刻的天窗溫度。空氣溫度每次讀數(shù)3次，以每小時(shí)9個(gè)數(shù)據(jù)平均值作為相應(yīng)時(shí)刻室外空氣溫度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

在比較降溫效果時(shí)，除了平均溫度外，選取相對(duì)溫差、降溫程度和降溫率作為溫度分析指數(shù)，同時(shí)結(jié)合方差檢驗(yàn)、檢驗(yàn)和獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，分析與對(duì)照組相比，噴淋的玻璃屋頂天窗的降溫效益。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理使用EXCEL 2007和SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件。

其中相對(duì)溫差、降溫程度和降溫率計(jì)算公式為：

式中，T為各研究對(duì)象屋頂溫度；T為空氣溫度；T和T分別示對(duì)照屋頂和噴淋玻璃天窗各時(shí)刻的溫度；為實(shí)驗(yàn)測(cè)試次數(shù)。

1.4 測(cè)試儀器

本次試驗(yàn)主要測(cè)試溫度。環(huán)境溫度的測(cè)試儀器選用美國(guó)TSI公司的Q-Trak空氣品質(zhì)測(cè)試儀器，溫度測(cè)試的分辨率達(dá)到0.1 ℃。平屋頂和天窗溫度的測(cè)試采用Testo紅外測(cè)溫儀，溫度測(cè)試的分辨率也達(dá)到0.1 ℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 與對(duì)照玻璃天窗的比較

2.1.1 溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選擇了晴朗且氣溫高的八月份的三天，測(cè)試了對(duì)象A的噴淋玻璃天窗和對(duì)象B的對(duì)照玻璃天窗的表面溫度，把三天各時(shí)刻的溫度求平均值，數(shù)據(jù)如表1所示。并用折線圖1表示各時(shí)刻的溫度變化。

圖1 各時(shí)刻研究對(duì)象溫度折線圖

由表1數(shù)據(jù)計(jì)算得到研究對(duì)象平均溫度分別為35.37 ℃、37.42 ℃、41.27 ℃，其中對(duì)照天窗的溫度較高，而噴淋天窗與室外空氣的平均溫度接近，只差2.05 ℃，差異不明顯；圖1可以看出，各研究對(duì)象溫度呈單峰分布，從10:00開始逐漸升高，在14:00溫度達(dá)到最大值后開始下降，而噴淋天窗在10:00-11:00溫度下降，是因?yàn)樯虉?chǎng)10:00開始營(yíng)業(yè)，隨后噴淋系統(tǒng)才開始運(yùn)行，天窗表面溫度會(huì)有降低趨勢(shì)；圖2折線顯示，在10:00-14:00，對(duì)照天窗的溫度上升趨勢(shì)高于噴淋天窗，而從14:00開始，噴淋天窗的溫度降低很快，甚至在16:00開始低于空氣溫度。綜合所述，噴淋天窗降低了天窗表面溫度，減緩了溫度上升趨勢(shì)，增加了降溫速率，有較好的降溫效益。

表1 各時(shí)刻噴淋天窗溫度、對(duì)照天窗和室外空氣溫度統(tǒng)計(jì)表

2.1.2 降溫效果分析

根據(jù)所測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算了各時(shí)刻的相對(duì)溫差、降溫程度和降溫率，如表2所示。與室外環(huán)境空氣溫度相比，不計(jì)10:00的數(shù)據(jù)，噴淋天窗的相對(duì)溫差平均值達(dá)1.5 ℃，相對(duì)溫差范圍為-0.9 ℃-3.8 ℃；不計(jì)10:00的數(shù)據(jù)，與對(duì)照天窗相比，降溫程度平均值為4.3 ℃，降溫程度范圍為3 ℃-5.7 ℃，降溫率平均達(dá)到10.28%，降溫率變化范圍為7.58%-12.72%。

表2 噴淋天窗降溫效果數(shù)據(jù)分析表

2.1.3 方差分析及檢驗(yàn)

為驗(yàn)證噴淋天窗的降溫效益，對(duì)噴淋天窗和對(duì)照天窗的表面溫度做方差分析和檢驗(yàn)，考慮到噴淋天窗10:00的數(shù)據(jù)是在噴淋系統(tǒng)沒有運(yùn)行情況下記錄的，因此分析不考慮此時(shí)刻數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 關(guān)于溫度的獨(dú)立本T檢驗(yàn)表

Levene方差檢驗(yàn)顯示，在原假設(shè)方差相等情況下，=0.72，因?yàn)槠渲荡笥陲@著性水平，即：Sig.=0.41>0.05，說(shuō)明不能拒絕方差相等的原假設(shè)，接受兩個(gè)總體方差是相等的假設(shè)。均值方程檢驗(yàn)為檢驗(yàn)總體均值是否相等，由于在本例中，其值小于顯著性水平，即：Sig.=0.012＜0.05，因此表明天窗溫度與對(duì)照天窗溫度仍有顯著差異。噴淋天窗的表面溫度與對(duì)照天窗表面溫度之差95%的區(qū)間估計(jì)約為[1.1,7.5]。

2.2 與平屋頂表面溫度的對(duì)比

2.2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖2 各時(shí)刻測(cè)試對(duì)象溫度折線圖

在同樣的八月份的三天中測(cè)試，把三天各時(shí)刻的溫度求平均值，所得數(shù)據(jù)如表4所示。并計(jì)算各時(shí)刻天窗溫度與對(duì)照平屋頂溫度的降溫率和降溫程度，折線圖2是各時(shí)刻溫度變化趨勢(shì)。

由表4數(shù)據(jù)所示，對(duì)照組平屋頂?shù)臏囟让黠@較高，平均溫度達(dá)到了50.51 ℃，而噴淋天窗的平均溫度只有37.42 ℃，比對(duì)照組低13.09 ℃。噴淋天窗各時(shí)刻溫度的峰谷差為8.2 ℃，平屋頂?shù)姆骞葴夭顬?3 ℃，平屋頂溫度變化幅度相對(duì)較大。

圖2折線圖顯示，測(cè)試對(duì)象的溫度都呈單峰分布，從10:00開始，由于太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，溫度逐漸升高，在14:00達(dá)到溫度最高值，然后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低，溫度也逐漸降低。整體來(lái)說(shuō)，噴淋天窗的溫度折線比平屋頂溫度折線更平緩，表明噴淋天窗的溫度更加穩(wěn)定。

表4 各時(shí)刻溫度統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 降溫效果分析

如表5所示，與對(duì)照組平屋頂相比，噴淋天窗的降溫程度變化范圍為11.6 ℃-17.5 ℃，平均降低溫度14.33 ℃，降溫率范圍為25.16%-30.92%，平均降溫率達(dá)到27.58%。相對(duì)于平屋頂，由于玻璃天窗對(duì)太陽(yáng)輻射有更好的反射效果，同時(shí)噴淋水的蒸發(fā)冷卻吸熱使其降溫效果更加明顯。

表5 各時(shí)刻噴淋天窗的降溫效應(yīng)

2.2.3 方差分析與檢驗(yàn)

為考察噴淋的屋頂天窗的降溫效果，對(duì)噴淋天窗的溫度與平屋頂?shù)臏囟茸龇讲罘治?。如?所示，組間的均方差為820.823，組內(nèi)的均方差為15.126。從分布表中查得0.05（1,14）=4.6，0.01（1,14）=8.86，本實(shí)驗(yàn)中=54.265，因此噴淋玻璃天窗這種屋頂形式對(duì)屋頂溫度有非常顯著的影響，降溫效果明顯。顯著性水平表示因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)顯著影響的概率，≈0＜0.05，說(shuō)明在＝0.05顯著性水平下，檢驗(yàn)是顯著的，也表明噴淋天窗這種屋頂形式對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)屋頂溫度的影響顯著。

表6 方差分析表

2.3 噴淋頻率的分析

不難理解噴淋的噴與停的循環(huán)時(shí)間會(huì)對(duì)降溫效果有明顯的影響。噴淋之后，水的蒸發(fā)吸熱會(huì)有降溫效果，但水體完全蒸發(fā)后，由于太陽(yáng)的輻射和空氣的對(duì)流換熱都會(huì)使天窗升溫，圖3的折線圖是在13時(shí)噴淋后，13:00-14:00各時(shí)刻的溫度折線圖。

圖3 13:00-14:00時(shí)刻溫度折線圖

由圖3可以看出，噴淋后在0-10 min時(shí)間內(nèi)，天窗溫度有下降趨勢(shì)，然后迅速上升，在40 min以后，溫度上升趨勢(shì)稍微變緩。在一小時(shí)時(shí)間內(nèi)峰谷溫度差達(dá)到了8 ℃，溫度波動(dòng)較大。若在13:30再次噴淋，13:00-13:30的平均溫度比13:00-14:00平均溫度低了2.36 ℃；若在13:40再次噴淋，13:00-13:40的平均溫度比13:00-14:00平均溫度低了1.45 ℃。這表明噴淋次數(shù)與降溫效果有密切聯(lián)系，因此為了提高噴淋天窗的降溫效果，建議適當(dāng)增加噴淋次數(shù)。

3 結(jié)論

（1）本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，與對(duì)照天窗相比，噴淋天窗能平均降低天窗溫度3.86 ℃，降溫程度范圍為3 ℃-5.7 ℃；降溫率變化范圍為7.58%-12.72%，降溫率平均達(dá)到9.23%。關(guān)于溫度的獨(dú)立樣本檢驗(yàn)，Levene方差檢驗(yàn)，噴淋天窗與對(duì)照天窗溫度的總體方差相等；同時(shí)均值方程檢驗(yàn)顯示，噴淋天窗與對(duì)照天窗溫度仍然有顯著的差異，其中95%的區(qū)間估計(jì)兩者的溫度之差約為[1.1,7.5]。

（2）同時(shí)與對(duì)照平屋頂相比，噴淋玻璃屋頂天窗可以平均降低屋頂平均溫度13.09 ℃，降溫程度變化范圍為11.6 ℃-17.5 ℃；降溫率達(dá)到25.16%-30.92%，平均降溫率達(dá)到27.58%，降溫效果顯著。同時(shí)差分析和檢驗(yàn)顯示，相對(duì)一般平屋頂，噴淋天窗有非常明顯的降溫效果。

（3）13:00-14:00的各時(shí)刻溫度分析顯示，13:00-13:30與13:00-13:40的平均溫度分別比13:00-14:00平均溫度低了2.36 ℃和1.45 ℃，因此建議增加噴淋次數(shù)與頻率。也建議噴淋天窗噴淋系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)智能控制，當(dāng)屋頂溫度達(dá)到設(shè)定溫度后再噴淋降溫。

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Cooling Effect Analysis of Spray Roof Skylight in a Large Shopping Mall in Xi'an

Xi Renjing Di Yuhui Zheng Song

( Institute of environmental and chemical engineering, Xi'an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

Choose Xi'an shopping malls one roof of spray glass skylights, control glass skylights and control flat roof as the research object, test the chamber skylight external surface temperature in the summer of high temperature, contrast analysis the roof skylight after of spray cooling effect. According to data, comparison with contrast housetop scuttle, spray skylight degree of cooling in the range of 3 ℃ to 5.7 ℃, the average decrease skylight temperature 3.86 ℃, cooling rate ranging 7.58% to 7.58%, cooling rate averaged 9.23%. And SPSS independent sampletests that the temperature has significant differences, 95% of the difference of the temperature of the interval estimation of both about [1.1, 7.5]; Compared with the flat roof, the degree of spray cooling of skylight range is 11.6 ℃ to 17.5 ℃, the average temperature of the roof was reduced by 13.09 ℃. Cooling rate ranges 25.16% to 25.16%, the average cooling rate reached 27.58%. Variance analysis andtest showed the spray skylights have a significant cooling effect by the SPSS.

Greening roof; Air purification; Cooling and humidification; SPSS

1671-6612（2018）04-435-05

TU111.4+8

A

西安市科技項(xiàng)目（SJW2015-06）

席仁靜（1992- ），男，在讀研究生，E-mail：545183309@qq.com

狄育慧（1964- ），女，教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail：545183309@qq.com

2017-09-02