利用低能耗冷却技术创建热避难所：蒸发冷却器的有效性

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Creating thermal refuges with low?energy cooling: effectiveness of evaporative coolers

　　**摘要**
热浪日益危及公共健康，这凸显了迫切需要适合紧急情况下使用的低能耗冷却策略。其中，蒸发冷却（EC）系统代表了一种有前景的解决方案，能够在最少的能源和基础设施要求下创造临时性的热避难区，尤其是在炎热干燥的条件下。然而，关于其实际冷却能力的实验证据，特别是在不同的通风和边界条件下的证据仍然有限。本研究通过在一个受控气候室（5×5×2.53米）中进行的实验室测试，评估了两种EC系统的热性能，一种是房间整体单元，另一种是个人微型设备，测试温度设定为32°C。我们评估了：（i）室内空气温度和湿度的变化；（ii）空间气流和湍流分布；以及（iii）使用热人体模型测量的冷却效果（CE）。研究发现，整体房间EC系统将空气温度降低了最多2.8 K，并将相对湿度从15-20%提高到了52%；同时在人体模型上产生了平均3 K的冷却效果，在上半身区域则超过了5 K。当与个人EC设备结合使用时，尽管空气温度降低幅度有限，冷却效果提升到了6 K。空间映射显示了不均匀的气流和湍流，这增强了对流热传递。能耗较低（整体房间EC系统为220 W，个人EC系统为10 W），而水消耗量平均为2.6 L/h（0.034 L/h?m3）。这些发现表明，蒸发冷却能够以低能耗快速有效地提供降温效果，为极端高温事件期间保护脆弱人群提供了可扩展的解决方案。

**引言**
全球气候变化预计将增加热浪的持续时间、强度和频率[1]。尽管文献中对热浪的定义各不相同[2]，但热浪通常指的是相对于历史常态而言异常炎热和干燥的天气时期。世界气象组织（WMO）和世界卫生组织（WHO）进一步将热浪定义为对人类和自然系统具有“明显影响”的现象[3]。相关的健康风险取决于生理、人口统计、社会、经济和医疗因素的复杂相互作用，对儿童、老年人和患有慢性疾病的人来说尤其高，同时也强烈影响户外工作者[3],[4],[5]。

为了应对极端高温带来的日益严重的健康威胁，许多城市开始开发公共基础设施作为气候避难所[6,7]。这些“气候避难所”可以提供临时性的保护，防止极端温度的影响，通常涉及重新利用图书馆、市民中心、学校或绿地等现有设施[8]。然而，这些避难所的分布往往不公平，很大一部分高风险人群难以接触到[9]。此外，这些空间提供的短暂冷却可能不足以在长时间的热浪期间有效限制热负荷[10]。

虽然气候避难所在社区层面提供庇护，但住宅缓冲区也被提出作为应对气候变化的策略之一。住宅建筑中的气候避难区是专门为适应气候变化而设计的区域或房间，在那里局部微气候使居民能够在热浪期间保持安全[11,12]。尽管被动策略在创造这种微气候方面起着重要作用[11]，但空调（AC）仍然是减少室内热暴露的最广泛使用的解决方案。虽然空调在降温方面很有效，但它需要大量的能源，从而增加了对电网的压力，并引发了与获取冷却技术相关的关键社会问题[13]。空调的普及程度高度依赖收入，在许多国家主要由高收入人群使用，加剧了全球在冷却资源获取方面的不平等[14]。在美国，大约90%的人口拥有空调设备，而在冷却需求更高的地区（如南亚中部和非洲），空调设备仅占美国总量的1-2%[15]。随着温度上升和热浪频发，冷却需求已不再仅仅是舒适性的问题，而是生存的关键[16]。因此，需要紧急且可持续的策略来保护最脆弱的人群[17]。

此外，空调的频繁使用还增加了对电网的压力。2025年的一次热浪期间，法国的电力需求峰值增加了25%，该国的空调普及率较低；而在纽约，由于空调普及率很高，电力需求峰值增加了90%[18]。这种需求增加可能导致电力短缺和停电，危及基本服务。因此，在高温峰值时段使用空调可能会因为其对能源供应的影响而不可靠。高能耗峰值还会增加温室气体排放和热岛效应[19,20]。基于压缩机的空调使用占全球氢氟碳化合物排放量的65%，并预计会进一步提高地球平均表面温度[21]。

电风扇通过增加皮肤上的空气流动来促进对流和蒸发热量损失，从而提供了一种低能耗的冷却策略[22]。它们是低成本设备，耗电量仅为传统基于压缩机的空调系统的几瓦，同时避免了与制冷剂气体相关的负面环境影响[23]。风扇可以单独使用作为空调的替代品，或者与空调结合使用，从而减少压缩机的负荷和总体能耗[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29]。

尽管风扇冷却有诸多优势，卫生当局建议在环境温度超过皮肤温度时不应使用风扇[30]。美国疾病控制与预防中心（CDC）将这一阈值设定为90°F（约32°C）[31]，而WHO则设定为40°C[5]。一些研究人员认为WHO的阈值缺乏足够的实证支持[32]，而另一些人则认为该阈值是合理的[33]。风扇的有效性不仅取决于环境温度，还取决于湿度和个体的出汗能力。在许多温暖潮湿的条件下，空气流动可以提高汗液蒸发的效率，即使在空气温度超过皮肤温度时，风扇仍然有益[34,35]。针对温度阈值的实验研究表明，在42°C和48%相对湿度下，风扇对年轻成年人有益[36]；而在40°C和50%相对湿度下，对于60-80岁的老年人来说，由于出汗反应减弱，风扇的使用效果不佳[37]。Morris等人[38]使用Gagge等人开发的体温调节模型[40]，根据环境和个人因素估计了健康年轻人、健康老年人（假设年龄相关的出汗量减少25%）以及服用抗胆碱能药物的老年人的使用阈值。作者提出了简单的风扇使用阈值：健康年轻人为39°C，健康老年人为38°C，服用抗胆碱能药物的老年人为37°C。Tartarini等人[39]使用该模型研究了不同条件下的热损失和生理变量。根据风速、代谢活动和衣物隔热性能，健康成年人可以使用风扇来降低热应激的最高操作温度可达到43.5°C。最近的人体实验确认，在相对湿度低至25%的环境中，健康成年人可以安全地使用风扇[33]。然而，在极端炎热和干燥的条件下（如热浪期间），风扇可能无效甚至有害，因为此时空气温度超过皮肤温度时会增加对流热吸收。这些发现表明，WHO的更新指南可能仍然较为保守，尽管需要进一步研究来评估风扇在老年人和其他热脆弱人群中的安全性[33]。

为了解决风扇在炎热干燥环境中的局限性，可以使用蒸发冷却将空气温度降低到风扇使用对人体有益的范围[41],[42],[43],[44],[45]。蒸发冷却器（EC）通过将流动的空气暴露在液态水中来工作，触发从液态到气态的相变，这是一个吸热过程。为此，风扇与一种称为基板或垫子的湿润多孔材料结合使用，空气通过这种材料循环，实现空气与水之间的热交换[46],[47],[48]。由此产生的蒸发过程将循环空气冷却到更低的温度和更高的相对湿度。然而，EC系统的冷却性能很大程度上取决于边界条件，特别是环境温度和相对湿度[49],[50],[51]。EC相比空调系统的优势在于其较低的能耗，与风扇相当，但冷却效果更高[52],[53],[54],[55],[56],[57],[58],[59],[60],[61]。冷却效果是指在相同环境条件下，使用该设备所能产生的相同热感觉或热损失[62,63]。除了节能外，EC还有减少制冷剂使用和相关温室气体排放的环境效益[42]。

最近的研究认为，风扇和蒸发冷却器是缓解当前和未来气候变化情况下空调使用的重要策略[15]。尽管关于电风扇在室内空间中的热舒适性影响已有大量研究，但大多数关于EC的出版物都将其作为空调系统的一部分进行讨论[59],[64],[65],[66]，或者专注于间接蒸发冷却（IEC）系统。几项全面的综述研究了它们的工作原理、配置和性能提升策略，包括实验和建模方法[67],[68],[69],[70],[71],[72],[73],[74]。这些研究强调了IEC系统作为传统空调的高效替代方案的巨大潜力，以及它们在多种气候条件和系统配置下的广泛应用性。然而，与间接系统相比，关于直接蒸发冷却（DEC），特别是便携式设备的实验数据和研究非常少，这说明在这方面存在重要的研究空白。

除了热性能外，便携性、成本、维护和能耗也是考虑在极端条件下在难民营使用蒸发冷却器的重要因素。便携式设备通常比管道式和壁挂式设备更经济实惠，使得这一策略可以应用于更广泛的人群，并且只在极端热需求时期启用。此外，EC在冷却房间时耗电量可比空调减少62-74%[60]，而个人蒸发冷却器即使在低功率（约10 W）下也能提供显著的冷却效果，因为它们更接近用户[75]。

在现有的出版物中，Camargo等人[65]测试了蒸发冷却器产生的温度降低效果，比较了室内温度、室外温度和冷却器出口温度。该设备在巴西一个夏季温暖的城市中使用，室外温度范围为25-32°C。室外与出口温度之间的最大温差为7.4 K，室内与室外温度之间的最大温差为3.5 K。Rugani等人[60]发现，蒸发冷却器产生的温度和相对湿度变化取决于室外条件。作者在使用EnergyPlus软件模拟了四种不同气候条件下热浪期间EC的效果。结果显示，在较干燥温暖的气候条件下，温度下降幅度更大，相对湿度增加较为适中。在42°C和40%相对湿度的条件下，最大温差为12 K，相对湿度增加了65%；而在34°C和27%相对湿度的条件下，温差为3.5 K，相对湿度增加了35%。Sudprasert[59]在泰国一个炎热干燥的季节中测试了便携式EC在办公环境中的热感受影响，当时环境空气温度为29.0-33.1°C，相对湿度低于50%。该设备在7点热感受量表上产生的平均热感受为-0.6，介于中性略冷之间。在相同条件下，风扇产生的平均热感受为0（中性），表明蒸发冷却器的冷却效果更强。然而，在高速运行时，风扇的总体满意度更高；54%的参与者表示在使用风扇时希望温度保持不变，而使用蒸发冷却器时这一比例为40%。André等人[76]发现，与几种桌面风扇相比，人们更倾向于选择小型蒸发冷却器。该实验的温度条件比热浪期间常见的要凉爽和潮湿（平均28°C，70%相对湿度）。尽管一半的参与者希望购买个人蒸发冷却器而不是其他三种风扇，但在实验结束时了解到其价格较高后，他们的偏好发生了变化。安德烈等人[75]测试了这种蒸发冷却器（EC）与评分最高的风扇以及另一种更经济的蒸发冷却器的效果。这种经济型蒸发冷却器的价格几乎是受试者使用的蒸发冷却器的四分之一。使用热模型人进行的测试表明，这种经济型蒸发冷却器的冷却效果更好，达到了2.9 K，而另一种蒸发冷却器为2.2 K，风扇则为1.4 K。这一结果表明，经济型个人蒸发冷却器能够在人体内产生比台式风扇更高的热损失。尽管文献中报告了其潜力，但现有的研究数量仍然有限。以前的研究主要依赖于简化的模拟方法，如改编的EnergyPlus模块，这些方法缺乏准确表示用水量、能源消耗以及所占用环境中温度降低程度的必要输入[60]。此外，这种建模框架无法捕捉冷却效果的空间分布，而这对于提供实用的用户指导至关重要。在这种情况下，使用真实设备进行实验测量具有显著的优势，可以评估它们对室内环境和人员的不均匀影响，以及房间级设备和个人级设备之间的相互作用。本研究旨在验证使用便携式直接蒸发冷却器创建室内热避难区的有效性，考虑了两种系统的组合：一种是针对整个房间的系统，另一种是直接针对个人的系统。我们通过量化蒸发冷却器的以下能力来评估其有效性：(i) 在提高相对湿度的同时降低室内空气温度；(ii) 在温暖条件下增加人员的热损失。此外，我们还绘制了这些效果在房间内的空间分布图，以推荐在热浪事件中的最佳摆放位置。

**方法**
该方法包括四个步骤。为了实现第一个目标，我们在受控环境中监测了整个房间蒸发冷却器产生的温度和相对湿度变化（1）。达到稳定的热状态后，我们绘制了室内环境参数的空间分布图（2）。为了实现第二个目标，我们使用热模型人评估了整个房间蒸发冷却器和局部蒸发冷却器的冷却效果（3 和 4）。

**图3**显示了所有测试场景下的高温室和蒸发冷却器出口空气温度及相对湿度（RH）趋势。我们所有的测试都是在不带暖通空调（HVAC）的情况下进行的，蒸发冷却器处于最低功率设置（220 W）。图3a显示，在带暖通空调的两种情况下（t(0)到t(50)期间），温度变化约为2.0 K。而不带暖通空调的情况（虚线洋红色线）下，温度降低了约2.8 K。所有场景都显示出了强烈的初始冷却效果。

**蒸发冷却器的热效应**
当前的实验结果表明，蒸发冷却器可以通过增加人员的热损失来提高室内的热舒适度，尤其是在炎热干燥的条件下。虽然房间温度的降低相对有限（约2-3 K），但结合使用整个房间蒸发冷却器和个人蒸发冷却器时，冷却效果非常显著，可达到6 K。单独使用整个房间蒸发冷却器只能达到这一效果的一半，尽管它单独负责改变了房间温度。

**结论**
本研究通过实验验证了蒸发冷却器在炎热干燥的热浪场景中改善室内热条件的有效性。整个房间蒸发冷却器使房间温度降低了多达2.8 K，而对热模型人的干式冷却效果达到了3 K，与个人蒸发冷却器结合使用时则提高到6 K。这些发现表明，感知到的热缓解不仅取决于空气温度和相对湿度，还取决于气流动态。

**写作过程中的人工智能工具的使用**
在准备这项工作期间，我们使用了Grammarly、Copilot和chatGPT来提高手稿的可读性和语言质量，并分别生成了图形摘要中的图标。所有内容都经过了审查、编辑和批准。我们对最终发布的版本负全部责任。

**作者贡献声明**
Roberto Rugani：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原初草稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。
Maíra André：撰写 – 审阅与编辑、撰写 – 原初草稿、可视化、验证、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。
Marco Picco：撰写 – 审阅与编辑、可视化、验证、监督、研究、概念化。
Giacomo Salvadori、Stefano Schiavon、Roberto Lamberts、Hui Zhang
美国加州大学伯克利分校建筑环境研究中心