喷雾冷却技术在典型微气候环境中诱导的空气温度和相对湿度场空间分布模式

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Spatial distribution patterns of air temperature and relative humidity fields induced by spray cooling in a typical microclimate environment

　　

摘要

城市热岛效应加剧了夏季城市的室外热暴露，促使在行人层面开展实用降温干预措施。喷雾系统作为一种减轻室外热应力的手段已被广泛采用。喷雾系统通过蒸发降低气温，但其效果难以推广，因为诱导的冷却和加湿响应强烈耦合且空间非均匀，导致有效影响范围对液滴输运和本地稀释十分敏感。为量化室外环境下的这些耦合微气候场，建立了一个三维计算流体动力学模型，采用欧拉-拉格朗日离散相框架，并进行了双向热量质量耦合，计算域为7.0 m × 2.0 m × 3.0 m，喷嘴位于离地2.9 m处，采用典型的中国夏季气候条件。喷雾性能通过温度降（ΔT）、相对湿度增量（ΔRH）、冷却效率（CE）、基于阈值在横截面上的有效面积，以及等效冷却和加湿体积进行表征。在参考条件下，潜热约占液滴侧热需求的94.2%，形成了一个高度局部化的近场核心，最大ΔT = 7.4 °C，最大ΔRH = 47.1%，峰值CE = 86%。有效冷却范围强烈依赖于所采用的阈值和方向性，显著冷却主要限制在3.5 m（长）× 1.6 m（高）× 0.6 m（宽）的体积内。相应的方向权重为：流向39.9%，垂直方向41.1%，跨流向19.0%。等效冷却和加湿体积随阈值增加呈快速指数收缩，衰减率分别为ΔT ≤ 2 °C时88.7%和ΔRH ≤ 10%时90.0%。为清晰区分近场和远场行为，基于最大均方根穿透长度引入了一个客观的穿透尺度。这些定量描述符为在受控低风条件下评估喷雾布局和运行提供了参考框架，旨在扩大有效冷却范围，而不仅仅是最大化局部峰值强度。

引言

城市热岛效应日益加剧了城市的夏季热暴露，放大了与热相关的健康风险，削弱了室外热舒适性[1], [2], [3]。因此，缓解城市热岛效应对于改善室外热环境和保障城市人体热舒适至关重要[4], [5]。为缓解城市热岛效应和局部城市过热，各种实用缓解方法已被提出，如冷屋顶和增加城市蒸发率[6], [7], [8], [9], [10]，这些方法在实践中已展现出可辨识的冷却性能。然而，上述方法缺乏高效冷却空间的能力，且未能提供具有成本效益的解决方案[11]。因此，迫切需要能够迅速改善行人层面微气候的实用且可推广的干预措施。

与前述被动方法相比，喷雾系统是一种方便且有益的主動冷却技术[12], [13]。该技术利用喷雾液滴高效地吸收环境空气中的热量，有助于解决室外高温问题[14]。喷雾系统已被广泛应用于城市热环境中。现场测量和数值研究一致表明，喷雾系统可降低近场气温并改善各种城市环境中的局部热条件[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]。

Huang等[15]分析了夏季喷雾的冷却性能，报告在稳定条件下，当气温为35 °C、相对湿度约为45%时，每个测点附近的气温降低了约5 °C。Zhang[16]发现喷雾冷却使候车区气温降低了约5 °C，未造成明显的潮湿感。Yang等[17]的研究表明，喷雾系统使城市广场的平均表面温度降低了10.7 °C，平均相对湿度增加了10.1%。Wang等[19]利用喷雾系统有效改善了建筑物中庭的热环境，实现了2 °C的气温降低。Sun等[20]证明，该技术的应用增强了中庭内的热条件，同时将周围房间的平均气温降低了2.06 °C，湿度增加了4.29%。Ding等[21]在室外中庭应用了喷雾系统，显著改善了热环境，平均气温和峰值气温分别降低了0.94–2.83 °C和2.92–5.21 °C。Du等[22]在狭窄街谷中实施了喷雾系统，发现在气温30.6 °C时，最大气温降低达到10.7 °C，同时在整个测量期间相对湿度增幅最大。Saleh等[23]提出了间歇式喷雾以增强动态室外热舒适性，而Zheng等[24]表明喷雾可在热带地区提供更节能且更有效的冷却。Wang等[25]开发了一种间歇式喷雾系统，并在典型炎热无风条件下进行了环境测量和问卷调查；结果表明，平均气温降低了2.42 °C，最大冷却为5.68 °C，而相对湿度平均增加了9.02%，最大增幅为22.21%。Zhang等[26]在青岛的一个公交车站应用了喷雾冷却系统，发现头部、鼻腔和胸部温度分别降低了2.6 °C、2.1 °C和3.3 °C。

此外，除了改变局部微气候外，喷雾系统还能显著改善人体热舒适，这在现场测量和建模研究中以SET*、PET、UTCI和WBGT等常见热应激和舒适指数的降低而得以体现[27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]。Ulpiani等[18]通过意大利的一项现场监测活动考察了干雾冷却，使用24喷嘴顶部系统，以10 s间隔在五个位置测量气温和相对湿度。其结果表明冷却性能与湿球温差、太阳辐射和风速密切相关。Ulpiani等[27]通过将环境监测与热舒适问卷调查相结合，进一步评估了意大利两个城市空间中的顶部水雾系统，结果显示气温和UTCI分别降低了高达8.2 °C和7.9 °C。现场部署进一步证实，喷雾可以提供切实的微气候效益，通常使近场气温降低约2–5 °C，在有利条件下偶尔报告更强的冷却效果，并使局部相对湿度增加数个百分点至数十个百分点[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]。

然而，尽管喷雾的冷却潜力已得到充分记录，但其诱导的耦合温度-湿度场的空间分布仍难以使用一致的定量指标进行描述。现有的大多数证据仍然是特定案例的，通常以离散点测量或基于舒适度的有效距离范围来报告。因此，本研究引入了截面积、等效体积和方向衰减描述符，以在规定的边界条件下表征三维喷雾诱导的温度和湿度场。先前的喷雾冷却研究主要依赖于现场测量、风洞测试、半经验模型和CFD模拟。测量提供了直接证据，但通常局限于离散点，而简化模型通常描述平均冷却潜力，无法完全捕捉三维羽流的不均匀性。尽管Montazeri等[35]等详细的CFD研究为液滴热量和质量传递提供了有用参考，但对有效冷却和加湿范围的空间量化仍然有限。因此，本研究引入了截面积、等效体积和方向衰减描述符，以表征喷雾诱导的温度和湿度场。例如，Huang等[15]观察到冷却强度存在明显的距离衰减，随着测量位置远离喷嘴，气温降低迅速减小。Ulpiani等[27]根据热舒适标准得出结论，冷却效果在距喷嘴1.2–1.5 m处最佳。喷嘴方向和高度设计的优化对喷雾系统的冷却效率有显著影响。此外，Giuseppe等[36]结合实验和数值模拟分析了喷嘴的影响。与2.8 m高度的喷嘴相比，3.3 m高度喷嘴的降温降低了0.1–0.5 °C，而2.3 m高度喷嘴的降温增加了0.1–0.7 °C。

尽管研究表明喷雾系统在改善城市热环境方面具有可证明的潜力，但仍存在显著的空白。首先，喷雾冷却表现出明显的气候依赖性：喷雾形成的温度-湿度场强烈受环境气象条件控制，因此喷雾系统的有效影响范围难以以可推广的方式表征。因此，阻碍更广泛部署的一个关键障碍是如何将喷雾效益量化为可迁移的性能描述符和稳健的优化标准。

在本研究中，开发了一个CFD模型，以解析室外城市热环境中的液滴热量和质量传递。采用受控低风参考条件，气温33 °C，相对湿度50%，风速0.2 m/s，太阳辐射800 W/m2。在该规定边界条件下，本研究旨在：(1)分析液滴粒径分布及相关的热量和质量传递模式；(2)量化喷雾下气温和湿度的空间分布特征；以及(3)表征等效冷却和加湿体积。主要贡献如下：

图1展示了总体研究框架，包括四个主要部分：建立城市室外热环境的液滴模型（第2节）；在典型工况下表征液滴粒径分布及相关的热量和质量传递模式（第3.1节）；分析喷雾冷却下气温场的空间特征（第3.2节）；研究喷雾冷却下相对湿度场的空间特征（第3.3节）；以及量化喷雾诱导的等效冷却和加湿体积，证明其随ΔT和ΔRH阈值增加的收缩趋势，并提供拟合关系来参数化这种阈值依赖的衰减（第3.4节）；稳态和瞬态工况的对比研究（第3.5节）。

物理模型

为研究代表性室外条件下喷雾诱导的气温（Ta）和相对湿度（RH）场的空间分布特征，建立了一个三维室外物理模型，如图2所示。计算域尺寸为7.0 m（长）× 2.0 m（宽）× 3.0 m（高）；其边界包括速度入口、压力出口、壁面和对称面，以表示室外热环境。喷嘴放置在坐标原点，离地2.9 m。

结果

为研究典型气候条件下喷雾系统中温度和湿度场的分布模式，结果部分分别考察了Ta和RH场在流体域xy平面、xz平面和yz平面中的分布。计算了每个平面的等效冷却面积以及流体域的等效冷却和加湿体积，以评估喷雾系统的性能。等效面积和等效体积被用于

定义喷雾冷却的有效影响范围

先前的研究通常从热环境和舒适度改善的角度界定喷雾冷却的有效范围，从而指导喷嘴布局和运行。例如，基于舒适度的评估表明，在距喷嘴约1.2–1.5 m处通常观察到更显著的效果[27]。其他研究考察了喷嘴高度对局部气温的影响，报告在3.3 m处相对于2.8 m额外冷却约0.1–0.5 °C，在2.3 m处约0.1–0.7 °C[36]。

稳态低风参考条件的适用性

本研究使用的0.2 m/s稳态入流风速应被视为受控低风参考条件。该设置有助于在统一的边界条件下隔离喷雾诱导的液滴输运、蒸发以及温度和湿度再分布，但无法完全代表真实室外风环境的变异性。为澄清这一假设，进行了补充的风速敏感性分析。随着入流风速增加，

结论

为研究受控低风参考条件下喷雾冷却诱导的气温和湿度场的空间分布特征，本研究建立了一个耦合的液滴热量和质量传递模型，并使用截面积和等效体积描述符量化了喷雾诱导的冷却和加湿范围。主要结论总结如下：

(1) 潜热主导的冷却机制。在受控低风条件下，

作者贡献声明

葛黎明：写作–审稿与编辑，写作–初稿，软件，构思。
魏萌：方法论，调查研究，数据整理。
胡晨曦：写作–审稿与编辑，验证，软件。

孟曦：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、验证、监督、软件。
利益冲突声明
我们声明，我们没有与其他个人或组织存在任何可能不当影响我们工作的财务或个人关系。同时，在任何产品、服务和/或公司中，我们没有任何专业或其他个人利益（无论何种性质或种类），这些利益可能被解读为影响了本手稿中呈现的观点或对手稿的评审。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号：52478093）和山东省自然科学基金（批准号：ZR2023ME029）的资助。
葛利民|魏蒙|胡晨曦|孟曦