具有外被动式冷却的方法及其装置
所属技术领域
本发明涉及暖通空调技术领域，是一种具有外被动式冷却的方法及其装置，适用于各类居住、公共建筑及工业建筑中，以有效减少房间透光性围护结构的太阳辐射得热量。
技术背景
中国2005年颁布实施的《公共建筑节能设计标准》中指出：中国建筑用能已经超过全国能源消费总量的1/4，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上，而在建筑用能中，暖通空调的能耗又占到了27.4%左右，因此大力倡导暖通空调节能，对于建设资源节约型、环境友好型的低碳型社会有着至关重要的作用。
空调设备夏季承担的冷负荷主要由空调房间的冷负荷、机组本身产热需要消除的冷负荷及新风负荷三部分构成。按照不同的地区，不同的气象条件，不同的设备条件，及围护结构的不同，三部分所占的冷负荷比例有所不同，但空调房间的得热形成的冷负荷为主要权重部分，必须引起充分的重视。而房间的总冷负荷由以下部分构成：1、人员、室内电器设备的散热散湿量；2、窗户的太阳辐射得热形成的冷负荷；3、围护墙体、屋面等通过导热、对流形成的冷负荷；4、室内区域外新风通过门窗渗透形成的冷负荷。
根据相关资料，在建筑围护结构中，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍，约占建筑围护结构总能耗的40％至50％。因此，增强门窗的保温隔热性能，减少门窗能耗，是改善室内热环境质量和提高建筑节能水平的重要环节。
对于建筑室内环境来说, 太阳辐射热是十分重要的的外扰，在围护结构中，外窗对空调冷负荷有明显的影响。由于玻璃的传热系数远大于墙体和屋顶等非透明围护结构，其形成的空调冷负荷所占比例要大得多，据统计，通过窗流失的热量占建筑能耗的46％，透过玻璃的日射得热冷负荷约占空调冷负荷的20%至30%。必须引起充分的重视。另据有关研究，全球居住建筑以及非居住建筑冷负荷的一半为太阳辐射得热负荷，其中通过窗户的太阳辐射得热又占绝大部分。
因此，窗是建筑节能的薄弱环节，是建筑能耗的黑洞，是控制建筑能耗的主要方向。
透过大气层到达地面的太阳辐射中包括直射辐射和散射辐射，而建筑围护结构外表面从空中所接受的散射辐射包括三项，即天空散射辐射，地面反射辐射和大气长波辐射。通常情况下（入射角＜60°）太阳光照射到普通玻璃表面后，7.3%的能量被反射，不会成为房间的得热；79%直接透过玻璃直接进入室内，全部成为房间的热量；还有13.7%则被玻璃吸收，而使玻璃温度提高。被吸收的这部分能量中，4.9%又将以长波热辐射和对流的方式传至室内，而余下的8.8%同样以长波热辐射和对流的方式散至室外，不会成为房间的得热。因此玻璃的反射率越高，透过率和吸收率越低，太阳得热量就越少。
为了有效遮挡太阳辐射，减少夏季空调负荷，采用遮阳设施是目前常用的手段，按照设置位置的不同，可分为外遮阳设施、内遮阳设施，或者是介于外遮阳设施、内遮阳设施之间的，将百叶安装在两层玻璃之间的方式，称之为双层皮幕墙。
透过玻璃窗进入室内的日射得热系由透过窗玻璃直接进人室内的日射(简称透射日射)和窗玻璃吸收日射后以对统和辐射方式再传人室内的热量(简称吸收再放热)这两部分组成。
内遮阳设施可以反射掉部分太阳辐射，但向外反射的一部分又会被玻璃反射回来，使得反射作用减弱。内遮阳只是暂时将太阳辐射热隔绝在内遮阳以外，但这些辐射热量除部分被反射的室外，大部分被遮阳帘和玻璃吸收后通过辐射、对流等方式重新进入室内，全部成为室内得热，并没有从根本上降低室内的空调负荷。
外遮阳设施的作用要好于内遮阳设施，但外遮阳设施由于外遮阳常年暴露在恶劣的外界环境中，要承受长期日晒雨淋和变化无常的风荷载，容易损坏，在外界大气环境中污染后降低其反射太阳光线的能力，不易清洗；影响建筑的造型，不美观；一些不当的遮阳措施既达不到有效的隔热，还会给居住生活带来更多的不便。
双层皮窗户幕墙结合内、外遮阳的特点，采用将百叶设置在两层玻璃之间，尽管消除了外遮阳设施的部分缺点，但由于百叶吸热后升温会加热玻璃间层的空气，其中部分热量会向室内传导而降低了其隔热能力，目前有技术是在玻璃间层采取通风措施，通过自然通风或机械通风把玻璃间层的热量排到室外，这样就可以使得其遮阳隔热作用更接近于外遮阳设施。其存在的缺点主要在于两层玻璃间空气层厚度通常较小，导致空气流量有限，降温效果有限。其次是夹层百叶仍然存在被来流空气污染的问题，且污染后的清洁甚至比外遮阳设施更为困难。另外其次整体制作成本较高，与建筑的配合存在困难，随着使用时间的不同，太阳高度角的不同，百叶的开启角度需要电动调节机构，增加其初投资成本和维护保养的成本。
因此，从控制稳定的室内空气环境，对建筑形式和围护结构来说，全面掌控一定要求围护结构对建筑实现室内外的全面隔绝，无论是自然采光、空气渗透还是热传递。室内外的彻底隔绝才可以对室内各物理参数进行有效的调控，相对来说，所需要的能源消耗也就越少，越节能。然而从环境的改善出发，首先要追求自然采光、自然通风、甚至对围护结构的传热性能来说，有些地域从气候特点出发有时也希望围护结构成为连接室内外的“能量传输通道”，这样的两种理念就会追求完全不同的建筑形式和围护结构形式。
综上所述，窗户是建筑节能的薄弱环节，造成的室内冷热负荷增大的主要因素，但是，一直以来还未见到既能满足室内空气调节的需要又能大幅度减少能耗且成本低的室内空气调节的方法及其装置的报道。
发明内容
本发明提供了一种具有外被动式冷却的方法及其装置，其克服了现有技术之不足，有效解决了由于窗户等透光性围护结构因太阳辐射得热量高而造成的室内区域温度高的问题，其能有效地大幅度减少窗户等透光性围护结构造成的室内区域温度的升高且成本较低，易与建筑物配合。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种具有外被动式冷却的方法，其按下述方法进行：室内区域外的空气经过蒸发制冷装置处理后通过外被动式冷却装置的排风空腔后被排出室内区域；其中，外被动式冷却装置包括内遮阳设施和透光性围护结构，内遮阳设施自身或透光性围护结构自身或内遮阳设施与透光性围护结构之间形成的不少于一层的气流通道为排风空腔；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成；室内区域是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。
下面是对上述技术方案之一的进一步优化或/和选择：
上述排风被排风机压入排风空腔并排出室内区域或者排风被排风机吸入排风空腔并排出室内区域，排风机位于排风空腔内或排风空腔外。
在上述排风空腔的进风处安装有蒸发制冷装置,该蒸发制冷装置采用直接蒸发制冷装置。
在上述排风空腔的内壁上或/和内遮阳设施的水冷空腔的内壁上有不少于一层的开式湿帘水膜装置。
上述开式湿帘水膜装置包括喷头、水泵和接水槽，水泵将水槽中的水通过水管送给喷头，而喷头喷出的水形成水膜并落入接水槽内。
在上述室内区域内或室内区域外或排风空腔的进风处有同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置, 室内区域外的空气经过蒸发制冷装置冷却后从进风处进入排风空腔内,蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给喷头，接水槽内的水流回蒸发制冷装置的进水管。
在上述排风空腔的壁上有不少于一层的闭式水冷装置，室内区域内或室内区域外或排风空腔的进风处有同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置，室内区域外的空气经过蒸发制冷装置冷却后从进风处进入排风空腔内，蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给闭式水冷装置的进水管，闭式水冷装置的水经过出水管流回蒸发制冷装置的进水管。
上述蒸发制冷装置的出风分成两股，一股出风送入排风空腔内，另一股出风送入室内区域。
上述蒸发制冷装置采用间接蒸发制冷装置，该间接蒸发制冷装置的工艺风来自室内区域的排风并被直接排出室内区域。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种具有外被动式冷却的装置，其特征在于包括室内区域和具有外被动式冷却装置，而具有外被动式冷却装置包括内遮阳设施和透光性围护结构，内遮阳设施自身或透光性围护结构自身或内遮阳设施与透光性围护结构之间形成的不少于一层的气流通道为排风空腔，该排风空腔有进风处和排风处；蒸发制冷装置位于室内区域内或室内区域外，或者蒸发制冷装置位于透光性围护结构的顶部或/和透光性围护结构的底部或/和透光性围护结构的侧面，或者蒸发制冷装置位于能够放置的位置；蒸发制冷装置有进风口和出风口；蒸发制冷装置的进风口与室内区域外相通，蒸发制冷装置的出风口与排风空腔的进风处相通，排风空腔的排风处与室内区域外相通；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成；室内区域是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。
下面是对上述技术方案之二的进一步优化或/和选择：
在上述排风空腔的排风处或/和进风处安装有排风机。
上述排风机位于排风空腔内或排风空腔外。
在上述排风空腔的进风处安装有蒸发制冷装置,该蒸发制冷装置采用直接蒸发制冷装置。
上述排风空腔有不少于二层，且呈S形，该排风空腔有一个进风处和一个排风处。
上述排风空腔有不少于二层，每层排风空腔有进风处和排风处。
在上述排风空腔的内壁上或/和内遮阳设施的水冷空腔的内壁上有不少于一层的开式湿帘水膜装置。
上述开式湿帘水膜装置包括喷头、水泵和接水槽，水泵的进水管通入水槽中，水泵的出水管与喷头相通，喷头喷出的水形成水膜并落入接水槽内。
在上述室内区域内或室内区域外或排风空腔的进风处有同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置, 室内区域外的空气经过蒸发制冷装置冷却后从进风处进入排风空腔内,蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给喷头，接水槽内的水流回蒸发制冷装置的进水管。
在上述排风空腔的壁上有不少于一层的闭式水冷装置，该闭式水冷装置内有水冷空腔，室内区域内或室内区域外或排风空腔的进风处有同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置，室内区域外的空气经过蒸发制冷装置冷却后从进风处进入排风空腔内，蒸发制冷装置的冷水经过水泵和水管送给闭式水冷装置的进水管，闭式水冷装置的水经过出水管流回蒸发制冷装置的进水管。
上述蒸发制冷装置有两个出风口，一个出风口与排风空腔相通，另一个出风口与室内区域相通。
上述蒸发制冷装置采用间接蒸发制冷装置，该间接蒸发制冷装置的工艺风进风口与室内区域内相通，工艺风出风口与室内区域外相通。
上述内遮阳设施采用百叶窗，该百叶窗的叶片为横式或纵式，该叶片内有空腔，该空腔为排风空腔或/和水冷空腔。
上述百叶窗的叶片表面有高反射材料层或/和高吸热材料层。
本发明可以适用于各类居住、公共建筑及工业建筑中，以被动冷却的方式大幅吸收透光性围护结构的太阳辐射得热量，从而有效减低了室内的得热负荷，易于和建筑空间配合，成本较低。特别的是其在干热地区应用,其目的在于干空气能的高效梯度应用，有效降低窗户等透光性围护结构的得热负荷，实现能量更有效的梯级配置。在通过本发明具有外被动式冷却的方法及其装置大幅降低窗户得热这一建筑能耗的薄弱环节，由于构建了室内外气流热交换的顺畅通道，实现了室内区域外的空气和室内排风气流交换的建筑呼吸系统，室内空气品质好。特别地在干空气能蒸发制冷技术应用领域，使得其在家庭居住建筑的应用实现了突破性的进展。
本发明的综合效果为：
1.本发明适用于各类居住、公共建筑及工业建筑中，其特有的被动式冷却集成装置在夏季有效的降低了房间的冷负荷，在冬季又可以形成保温空气夹层起到隔热的作用从而有效的降低房间的热负荷。
2.本发明由于室内负荷的降低使得整个暖通空调系统减小，其中包括暖通空调系统中的所有设备和用材，不仅可以在建筑上更容易配合，而且也为用户带来了更大的经济性，成本较低。
3.本发明在能源的应用上能够“分级利用、优化匹配”，送入室内的空气从16℃左右上升到26℃左右后，又和窗户附近的高温壁面和气流发生对流换热后才排出室外，在能量的利用上更加合理、充分。
4.本发明构建了室内外联系的通道，有效的解决了暖通空调系统中的排风无序的问题，使得室内外的气流更加顺畅。
5.本发明使得蒸发制冷空调技术在住宅建筑等民用建筑的大规模应用有了现实的基础。
6.本发明拓展了蒸发制冷空调适用的区域，不仅仅在干热地区使用，更可以在湿热地区得到很好的应用。
附图说明
附图1为本发明的实施例1的方法及其装置的示意图。
附图2为本发明的实施例2的方法及其装置的示意图。
附图3为本发明的实施例3的方法及其装置的示意图。
附图4为本发明的实施例4的方法及其装置的示意图。
附图5为本发明的实施例5的方法及其装置的示意图。
附图6为本发明的实施例6的方法及其装置的示意图。
附图7为本发明的实施例7的方法及其装置的示意图。
附图8为本发明的实施例8的方法及其装置的示意图。
附图9为本发明的实施例9的方法及其装置的示意图。
附图中的编码分别为：1为室内区域外的空气；2为直接蒸发制冷装置；3为排风机；4为排风管道；5为室内区域外的排风；6为内遮阳设施。B为室内区域；C为具有外被动式冷却装置。a为蒸发制冷装置。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据上述本发明的技术方案和实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合实施例对本发明作进一步论述：
实施例1：
如附图1所示，该具有外被动式冷却的装置包括室内区域B和具有外被动式冷却装置C，而具有外被动式冷却装置C包括内遮阳设施6和透光性围护结构，内遮阳设施6自身或透光性围护结构自身或内遮阳设施6与透光性围护结构之间形成的不少于一层的气流通道为排风空腔，该排风空腔有进风处和排风处；蒸发制冷装置a位于室内区域内或室内区域外，或者蒸发制冷装置a位于透光性围护结构的顶部或/和透光性围护结构的底部或/和透光性围护结构的侧面，或者蒸发制冷装置a位于能够放置的位置；蒸发制冷装置a有进风口和出风口；蒸发制冷装置a的进风口与室内区域外相通，蒸发制冷装置a的出风口与排风空腔的进风处相通，排风空腔的排风处与室内区域B外相通；内遮阳设施采用透光或非透光的材料制成；室内区域B是由透光性围护结构与其它围护结构所构成的室内空间。如附图1所示，排风空腔的进风处安装有蒸发制冷装置,该蒸发制冷装置采用直接蒸发制冷装置2。
该具有外被动式冷却的方法按下述方法进行：如附图1所示，室内区域B外的空气经过直接蒸发制冷装置2处理后通过外被动式冷却装置C的排风空腔后被排出室内区域B即成为室内区域外的排风5。
室内区域外的空气1通过进风处进入具有外被动式冷却装置C中的蒸发冷却装置，为等焓降温加湿（绝热加湿）过程，其加湿效率（饱和效率）和填料的种类（热湿交换的面积大小），热湿交换的时间的快慢(气流流经方向的厚度大小决定)，热湿交换间介质的流动方向有密切的关系，在理想情况下，如果热湿交换的面积无限大，时间无限长，则来流气流经过直接蒸发制冷装置，其饱和效率可达到100%，这时对应的出风干球温度为进风的湿球温度。在实际情况下，出风的干球温度趋近于进风的湿球温度，地区不同，室外气象状态不同，其温度降低的程度，但都有一定程度的降低。
温度降低后的室内区域外的空气随后进入具有外被动式冷却装置C中排风空腔，吸收窗户的太阳辐射得热量及室内部分得热量后，通过设置在顶部的排风机，通过排风管路排出。
实施例1的优点在于：通过该装置，室内区域外的空气1仅仅在具有外被动式冷却装置C中形成降温过程，由于新风不送入室内房间，工艺流程简单，设置方便。在降低窗户得热量的同时，可有效降低室内其它的得热量，使得室内负荷有效减低，或者通过该装置在部分地区、部分时间段替代空调的部分功能，或者是，在高温高湿地区，集成蒸发制冷技术的具有外被动式冷却装置C得到真正的实际应用。
实施例2
如附图1和2所示，实施例2与实施例1的不同之处在于：实施例2的排风空腔有不少于二层，且呈S形，该排风空腔有一个进风处和一个排风处。
实施例3
如附图1至3所示，实施例3与实施例1和2的不同之处在于：如附图3所示，实施例3的排风空腔的内壁上有不少于一层的开式湿帘水膜装置，流过排风空腔内的空气能与开式湿帘水膜装置的水膜相接触；该开式湿帘水膜装置包括喷头、水泵和接水槽，水泵将水槽中的水通过水管送给喷头，而喷头喷出的水形成水膜并落入接水槽内。开式湿帘水膜装置为单层的。扩展的水膜为空气气流和水的热湿交换介质，和填料不同的是，在发生热湿交换形成冷风通过对流换热消除窗户或室内得热量的同时，水膜本身形成了一道冷屏障，可通过辐射换热消除窗户的太阳辐射得热量。
实施例4
如附图3和4所示，实施例4与实施例2的不同之处在于：如附图4所示，实施例2的开式湿帘水膜装置为双层的。
实施例5
如附图1至4所示，实施例5与实施例1至4的不同之处在于：如附图5所示，实施例5的蒸发制冷装置a位于室内区域内（也可根据实际需要位于室内区域外或窗户的顶部或窗户的底部或窗户的内侧或窗户的外侧或窗户的侧面），排风空腔的内壁上有不少于一层的开式湿帘水膜装置，而附图5所示仅为单层的。蒸发制冷装置a为同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置，冷水通入单层开式湿帘水膜结构，通过辐射换热消除窗户的太阳辐射得热量；与此同时，a中的排风接入C，通过对流换热消除窗户的部分得热量。符合冷量梯度利用的原则，冷量利用更高效。
实施例6
如附图5和6所示，实施例6与实施例5的不同之处在于：如附图6所示，实施例6的开式湿帘水膜装置为双层的，通过辐射换热消除窗户的太阳辐射得热量；与此同时，a中的排风接入C，通过对流换热消除窗户的部分得热量。
实施例7
如附图1至6所示，实施例7与实施例1至6的不同之处在于：如附图7所示，实施例6的排风空腔的壁上有不少于一层的闭式水冷装置，附图7所示仅为单层的，室内区域B内或排风空腔的进风处有同时输出冷风和冷水的蒸发制冷装置a，室内区域B外的空气经过蒸发制冷装置a冷却后从进风处进入排风空腔内，蒸发制冷装置a的冷水经过水泵和水管送给闭式水冷装置的进水管，闭式水冷装置的水经过出水管流回蒸发制冷装置a的进水管。
实施例8
如附图7和8所示，实施例8与实施例7的不同之处在于：如附图7所示，实施例7的闭式水冷装置为双层的。
实施例9
如附图1至8所示，实施例9与实施例1至8的不同之处在于：如附图9所示，实施例9的排风空腔的进风处安装有蒸发制冷装置a，而蒸发制冷装置的冷水从水箱底部通入开式湿帘水膜结构或闭式水冷装置中，升温后的回水回到蒸发制冷装置a，形成循环；与此同时，室内区域外的空气1经过蒸发制冷装置a进入C中的空腔，通过对流换热消除窗户的部分得热量，然后通过排风机3排出B。室内区域外的空气1没有进入室内区域B.该装置符合冷量梯度利用的原则，冷量利用更为高效和彻底。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。例如：蒸发制冷装置可有两个出风口，一个出风口与排风空腔相通，另一个出风口与室内区域相通；内遮阳设施采用百叶窗，该百叶窗的叶片为横式或纵式，该叶片内有空腔，该空腔为排风空腔或/和水冷空腔。百叶窗的叶片表面有高反射材料层或/和高吸热材料层。