西安市某大型商场喷淋屋顶天窗的降温效果分析

席仁静 狄育慧 郑 松



西安市某大型商场喷淋屋顶天窗的降温效果分析

席仁静 狄育慧 郑 松

（西安工程大学环境与化学工程学院 西安 710048）

选取西安市大型商场的屋顶喷淋玻璃天窗、对照玻璃天窗和对照平屋顶为研究对象，测试了在高温夏季天窗外表面的温度，对比分析了屋顶天窗喷淋后的降温效果。数据显示，与对照屋顶天窗相比，喷淋天窗的降温程度范围为3 ℃～5.7 ℃，平均降低天窗温度3.86 ℃，降温率变化范围为7.58%～12.72%，降温率平均达到9.23%。同时SPSS独立样本检验得到，两者温度差异显著，95%的区间估计两者的温度之差约为[1.1,7.5]；与平屋顶相比，喷淋天窗的降温程度变化范围为11.6 ℃～17.5 ℃，屋顶平均温度降低了13.09 ℃。降温率变化范围为25.16%-30.92%，平均降温率达到27.58%。同时SPSS的方差分析及检验显示，与两对照组相比，喷淋天窗均有显著的降温效果。

大型商场；屋顶天窗；天窗；SPSS

0 引言

当今时代，建筑与环境的可持续发展成为人们关注及研究的重要课题，而建筑屋顶的节能研究一直都是人们关注的焦点。屋顶是建筑围护结构的重要组成部分，也是处于气候变化最强烈的部位，是影响室内空间舒适性和能耗的关键。而有关资料显示[1]，我国的建筑能耗目前已占社会总能耗的30%，并且有逐步提高到35%的趋势。研究表明[2]，屋顶所占面积尽管小，但能耗占建筑总能耗8%-10%。现代大型公共建筑中，中庭及天窗成为建筑师非常青睐的建筑形式，也越来越受到人们的欢迎，而玻璃天窗由于传热系数低、透光使其能耗惊人。调研发现在西安市的万达广场、银泰百货、小寨赛格等大型商场中均广泛应用玻璃天窗。因此，本文通过与普通天窗及平屋顶对比，分析了西安某大型商场的喷淋屋顶天窗的降温节能效果，为西安市屋顶天窗的节能研究提供参考。

1 实验对象与研究方法

1.1 实验场地的概况

实验对象A为西安市某大型商业综合体建筑的中庭屋顶天窗，该商场地下二层，地上十层，共十二层，其中顶层三层为停车场，天窗建在中庭结构七层屋顶上，高度近10 m。此喷淋天窗的规格为12 m×10 m，在天窗四角布置有8个喷淋头，控制每隔1-2小时喷淋一次。对象建筑B共八层，地上七层，地下有负一层，屋顶天窗没有喷淋系统。两天窗的形式均采用钢筋混凝土的钢结构，材料为钢化玻璃。

1.2 实验内容与方法

实验在室外温度较高的7月份开展，选择天气晴朗的3天时间测试对象A的喷淋玻璃天窗及平屋顶外表面温度，测试对象B的天窗外表面温度。在商场A选择一平屋顶区域作为对照，同样在对象B选择10 m×12 m天窗作为研究对象。

实验测试时间段为10:00-18:00，其中每小时测试3次，在两屋顶天窗上与对照平屋顶都均匀划分6个区域测试，以每小时18个数据的平均值作为相应时刻的天窗温度。空气温度每次读数3次，以每小时9个数据平均值作为相应时刻室外空气温度。

1.3 数据分析方法

在比较降温效果时，除了平均温度外，选取相对温差、降温程度和降温率作为温度分析指数，同时结合方差检验、检验和独立样本检验，分析与对照组相比，喷淋的玻璃屋顶天窗的降温效益。实验数据处理使用EXCEL 2007和SPSS 21.0数据分析软件。

其中相对温差、降温程度和降温率计算公式为：

式中，T为各研究对象屋顶温度；T为空气温度；T和T分别示对照屋顶和喷淋玻璃天窗各时刻的温度；为实验测试次数。

1.4 测试仪器

本次试验主要测试温度。环境温度的测试仪器选用美国TSI公司的Q-Trak空气品质测试仪器，温度测试的分辨率达到0.1 ℃。平屋顶和天窗温度的测试采用Testo红外测温仪，温度测试的分辨率也达到0.1 ℃。

2 实验结果与分析

2.1 与对照玻璃天窗的比较

2.1.1 温度数据统计

本实验选择了晴朗且气温高的八月份的三天，测试了对象A的喷淋玻璃天窗和对象B的对照玻璃天窗的表面温度，把三天各时刻的温度求平均值，数据如表1所示。并用折线图1表示各时刻的温度变化。

图1 各时刻研究对象温度折线图

由表1数据计算得到研究对象平均温度分别为35.37 ℃、37.42 ℃、41.27 ℃，其中对照天窗的温度较高，而喷淋天窗与室外空气的平均温度接近，只差2.05 ℃，差异不明显；图1可以看出，各研究对象温度呈单峰分布，从10:00开始逐渐升高，在14:00温度达到最大值后开始下降，而喷淋天窗在10:00-11:00温度下降，是因为商场10:00开始营业，随后喷淋系统才开始运行，天窗表面温度会有降低趋势；图2折线显示，在10:00-14:00，对照天窗的温度上升趋势高于喷淋天窗，而从14:00开始，喷淋天窗的温度降低很快，甚至在16:00开始低于空气温度。综合所述，喷淋天窗降低了天窗表面温度，减缓了温度上升趋势，增加了降温速率，有较好的降温效益。

表1 各时刻喷淋天窗温度、对照天窗和室外空气温度统计表

2.1.2 降温效果分析

根据所测试数据计算了各时刻的相对温差、降温程度和降温率，如表2所示。与室外环境空气温度相比，不计10:00的数据，喷淋天窗的相对温差平均值达1.5 ℃，相对温差范围为-0.9 ℃-3.8 ℃；不计10:00的数据，与对照天窗相比，降温程度平均值为4.3 ℃，降温程度范围为3 ℃-5.7 ℃，降温率平均达到10.28%，降温率变化范围为7.58%-12.72%。

表2 喷淋天窗降温效果数据分析表

2.1.3 方差分析及检验

为验证喷淋天窗的降温效益，对喷淋天窗和对照天窗的表面温度做方差分析和检验，考虑到喷淋天窗10:00的数据是在喷淋系统没有运行情况下记录的，因此分析不考虑此时刻数据，检验结果如表3所示。

表3 关于温度的独立本T检验表

Levene方差检验显示，在原假设方差相等情况下，=0.72，因为其值大于显著性水平，即：Sig.=0.41>0.05，说明不能拒绝方差相等的原假设，接受两个总体方差是相等的假设。均值方程检验为检验总体均值是否相等，由于在本例中，其值小于显著性水平，即：Sig.=0.012＜0.05，因此表明天窗温度与对照天窗温度仍有显著差异。喷淋天窗的表面温度与对照天窗表面温度之差95%的区间估计约为[1.1,7.5]。

2.2 与平屋顶表面温度的对比

2.2.1 数据统计

图2 各时刻测试对象温度折线图

在同样的八月份的三天中测试，把三天各时刻的温度求平均值，所得数据如表4所示。并计算各时刻天窗温度与对照平屋顶温度的降温率和降温程度，折线图2是各时刻温度变化趋势。

由表4数据所示，对照组平屋顶的温度明显较高，平均温度达到了50.51 ℃，而喷淋天窗的平均温度只有37.42 ℃，比对照组低13.09 ℃。喷淋天窗各时刻温度的峰谷差为8.2 ℃，平屋顶的峰谷温差为13 ℃，平屋顶温度变化幅度相对较大。

图2折线图显示，测试对象的温度都呈单峰分布，从10:00开始，由于太阳辐射增强，温度逐渐升高，在14:00达到温度最高值，然后太阳辐射强度降低，温度也逐渐降低。整体来说，喷淋天窗的温度折线比平屋顶温度折线更平缓，表明喷淋天窗的温度更加稳定。

表4 各时刻温度统计表

2.2.2 降温效果分析

如表5所示，与对照组平屋顶相比，喷淋天窗的降温程度变化范围为11.6 ℃-17.5 ℃，平均降低温度14.33 ℃，降温率范围为25.16%-30.92%，平均降温率达到27.58%。相对于平屋顶，由于玻璃天窗对太阳辐射有更好的反射效果，同时喷淋水的蒸发冷却吸热使其降温效果更加明显。

表5 各时刻喷淋天窗的降温效应

2.2.3 方差分析与检验

为考察喷淋的屋顶天窗的降温效果，对喷淋天窗的温度与平屋顶的温度做方差分析。如表6所示，组间的均方差为820.823，组内的均方差为15.126。从分布表中查得0.05（1,14）=4.6，0.01（1,14）=8.86，本实验中=54.265，因此喷淋玻璃天窗这种屋顶形式对屋顶温度有非常显著的影响，降温效果明显。显著性水平表示因素对实验结果无显著影响的概率，≈0＜0.05，说明在＝0.05显著性水平下，检验是显著的，也表明喷淋天窗这种屋顶形式对实验指标屋顶温度的影响显著。

表6 方差分析表

2.3 喷淋频率的分析

不难理解喷淋的喷与停的循环时间会对降温效果有明显的影响。喷淋之后，水的蒸发吸热会有降温效果，但水体完全蒸发后，由于太阳的辐射和空气的对流换热都会使天窗升温，图3的折线图是在13时喷淋后，13:00-14:00各时刻的温度折线图。

图3 13:00-14:00时刻温度折线图

由图3可以看出，喷淋后在0-10 min时间内，天窗温度有下降趋势，然后迅速上升，在40 min以后，温度上升趋势稍微变缓。在一小时时间内峰谷温度差达到了8 ℃，温度波动较大。若在13:30再次喷淋，13:00-13:30的平均温度比13:00-14:00平均温度低了2.36 ℃；若在13:40再次喷淋，13:00-13:40的平均温度比13:00-14:00平均温度低了1.45 ℃。这表明喷淋次数与降温效果有密切联系，因此为了提高喷淋天窗的降温效果，建议适当增加喷淋次数。

3 结论

（1）本次实验测试显示，与对照天窗相比，喷淋天窗能平均降低天窗温度3.86 ℃，降温程度范围为3 ℃-5.7 ℃；降温率变化范围为7.58%-12.72%，降温率平均达到9.23%。关于温度的独立样本检验，Levene方差检验，喷淋天窗与对照天窗温度的总体方差相等；同时均值方程检验显示，喷淋天窗与对照天窗温度仍然有显著的差异，其中95%的区间估计两者的温度之差约为[1.1,7.5]。

（2）同时与对照平屋顶相比，喷淋玻璃屋顶天窗可以平均降低屋顶平均温度13.09 ℃，降温程度变化范围为11.6 ℃-17.5 ℃；降温率达到25.16%-30.92%，平均降温率达到27.58%，降温效果显著。同时差分析和检验显示，相对一般平屋顶，喷淋天窗有非常明显的降温效果。

（3）13:00-14:00的各时刻温度分析显示，13:00-13:30与13:00-13:40的平均温度分别比13:00-14:00平均温度低了2.36 ℃和1.45 ℃，因此建议增加喷淋次数与频率。也建议喷淋天窗喷淋系统通过温度传感器，实现智能控制，当屋顶温度达到设定温度后再喷淋降温。

[1] 刘运龙.采暖地区屋顶节能技术分析[J].中国高新技术企业,2008,(14):81,83.

[2] 李娜.浙中地区民用建筑屋顶节能研究[D].杭州:浙江工业大学,2011.

[3] 赵俊波.郑州东站天窗系统的采光和节能设计方案[J].照明工程学报,2013,24(6):71-75.

[4] 张世功,梁荣嵘,张红丽,等.基于温湿指数的牛舍喷淋降温系统的控制[J].中国农学通报,2010,26(2):1-5.

[5] 杨洋,黄晨,王丽慧,等.世博轴喷雾降温前期调研及试验结果分析[J].制冷技术,2008,(1):6-10.

[6] 何泽能,钟志华,高阳华,等.喷雾降温外场试验结果的初步分析[J/].气象科学,2014,34(4):435-442.

[7] 彭鹏,郑洁,周玉礼,等.顶部采光的节能分析[J].照明工程学报,2007,(1):9-12,20

[8] Zhang Y, Pang L, Liu M, et al. Investigation of spray cooling: Effect of different heater surfaces under acceleration[J]. International Communications in Heat & Mass Transfer, 2015,75:223-231.

[9] Shi C, Li X, Chen Z. Design and experimental study of a micro-groove grinding wheel with spray cooling effect[J].中国航空学报(英文版), 2014,27(2):407-412.

[10] Munera S, Tao Y X. Effect of Prismatic Skylight on the Power Consumption and Air-Conditioning Loads[C]. ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2011:343-351.

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

西安市科技项目（SJW2015-06）

席仁静（1992- ），男，在读研究生，E-mail：545183309@qq.com

狄育慧（1964- ），女，教授，硕士生导师，E-mail：545183309@qq.com

2017-09-02