巧借天工来降温:通风冷却的那些事
天气热了,当然是要看点凉快的东西。当然,现在有空调,有风扇,有电冰箱,要凉快很简单。不过在很久很久以前,没有这些东西的时候,咋办比较好呢?
用冰块降温当然是一个好想法,甚至在电冰箱普及之前,很多地方都有『冰箱』,是真的要往里面放冰块的。不过冰块毕竟用一块少一块,而且价格也相对较高,甚至有些地方根本就没有成冰块的条件,比如冬季气温不够低。怎么办呢?
图文不太相关1. 前言
我好像很久没有写过科技类专题博文了,这主要是很多情况下都只能泛泛而谈,聊聊自己的看法,也从挖掘这些边角知识里面找到乐趣,尤其是喜欢探寻『以前的人们如何解决类似问题』,仅此而已,实在是不能说对这些主题包括有太深入的研究,这当然也包括本文,毕竟笔者不是制冷领域的专家,只是对这些技术很感兴趣而已。
不过,这并不妨碍我们来看看过去人的做法,看看在他们的夏天里,如何解决降温的问题。毕竟,升温总是容易的,烧火,晒太阳,甚至摩擦双手,都可以。但想要降温,就不是那么容易了。在没有压缩机的年代,想要找点什么凉快的东西,除了上面提到的『冬天采冰夏天用』,以及可能存在的硝石(硝酸钙,也有可能是硝酸钾)制冷外,就只能依靠大自然的力量了。
查资料的时候,笔者倒是看到有部分资料(例如这个和这个,不过未仔细查证)里面提到,虽然硝石溶解于水时确实是吸热的,但实际吸热量其实并不算太大,换句话说,硝石制冷的实际效果可能并不是太好,至少不会说『水里加入硝石就结冰了』。早年间的科普文章提到的『硝石制冷做冰淇淋』,可能存在牵强附会的嫌疑。
目前来看,各方对于这个说法比较认可的有:
- 大罐套小罐,外罐大量硝石冷却内罐里较少量的水
- 往碎冰、积雪等物品中加入硝石,来做冰淇淋
第二点,本质上和硝石并无太大关系,更何况还得有冰储备着才能用,主要的冷源还是冰。至于原理,单纯只是冰里面加入盐类物质可以降低熔点(依数性),冰熔化吸热,因此降低冰的温度而已,和你可能见过的『冰块加盐的冰淇淋机』是一样的。这里的盐当然也不仅仅限于硝酸盐,加食用盐(氯化钠),甚至别的盐,也是一样的,只是说硝酸盐自身的溶解吸热可能也有所帮助罢了。
讲之前,还是要插一句注解:由于资料查询的原因,下面的内容其实并不针对于某一个特定的地方,甚至有可能国外的内容占比也比较大,不一定适用于我们这里的情况(比如下面会讲到西亚地区的东西),所以看个乐就好。
此外,这个系列应该会有两篇文章,限于篇幅原因,本篇先主要讲各种通风降温的方式,下一篇会聊水蒸发制冷,可以点击此处查看。
2. 让空气狂奔
水的流动叫水流,空气的流动叫...
—— 风流!
我那个年代的小学生似乎都挺爱打一些很奇怪的比方。比如说学校大门口附近,过了几条巷子之后,有一个卖各种小食品的小店(我以前在一期生活碎碎念里提到过类似产物)。这本来没什么,但小店上面的招牌却写的是『xx书屋』。我不知道为什么他要起这个名字,也许这是老招牌忘记摘下来了,但就这个书屋,在我们这帮小学生口里成了小店代名词,经常问人『下课后去不去书屋啊』——不一定去他家,但一定是买东西的意思。
上面的那个『风流』就是类似环境的产物,虽然已经忘了为什么风流这个正常的词汇也会产生奇怪的比方,甚至连这个词语是比喻什么的,都也已经忘记。但考虑到有书屋这个先例,恐怕也是什么很无厘头的理由吧。
扯远了,话题回来。古法降温第一招,其实就是加强通风。
2.1 被动通风
通风这个名字好像很高级,总感觉需要什么高端机械设备。其实不然,以前没有发达的科技的时候,人们就已经想出来了各种利用大自然的通风方式了。
2.1.1 将窗户劈开
只需要把窗户打开,这就是最简单的通风方式。
图源维基百科,作者Karl432其实很简单的道理,一个密不透风的房子,在大太阳底下,必然会被晒得很热。此时把窗户打开,虽然吹进来的风也是室温的风,但好歹可以把室内的空气置换出来,从而缓解甚至避免上述现象。
现代社会都是楼房为主,这个优势对于非顶层住户来说可能不太明显,但以前可没有高层建筑,大家都是平房,包括现在有些地方也是如此,因而还是挺有效的。尤其是对于靠近大山/森林的房子,开窗通风还可以感受到所谓的『山风』。至于山风的具体定义是什么,真的很难说,但其特点是较为凉爽湿润,风力较大,而且也相对较为干净。可能是因为森林里面阳光照射少,空气升温慢,再加上植物蒸腾作用也有点降温效果,所以相对温度也较低吧。
很多情况下,房子不只有一扇窗户,此时如果把盛行风方向上的两扇面对面的窗户打开,让自然风从一侧窗户流入,穿过屋子,再从另一侧窗户流出,这就形成了穿堂风。
2.1.2 穿堂而过的气流
打开对侧窗户,确实可以实现对流通风。不过,在实际的房屋建筑中,除了窗户之外,还有其他的结构也可以形成穿堂风,例如打开的门,门廊,阳台等。因为截面积较大,单位时间内能通过的空气体积当然也就更大,因此这些结构通常往往比单纯开窗要有更好的通风效果,在风力较大的地方,甚至可以带动全屋气流交换。
图源互联网,学地理的朋友应该看过这幅图似乎也是因为这个原因,穿堂风在风水学上是个不太吉利的说法,比如说『家有穿堂风,人财两手空』。当时的风水学为什么会得出这样的结论,恐怕已不可考,但合理怀疑还是和穿堂风的特性有关:风力较大,而且全屋有风,迷信一点的人就会觉得『财运都被吹跑了』。又或者可能是以前屋内生火做饭,过大的风会导致火苗抖动,热量损失,烧半天火都不能把饭做熟,甚至可能有吹飞的火星子点燃了其他物品,造成财产损失,也未可知。
抛开吉不吉利的问题不谈,很显然,这样的大风量气流交换,是完全可以解决室内热量堆积的问题的。不过注意前提:穿堂风依赖自然风,更具体地说,依赖的是房屋所在水平高度的自然风。在没有楼房的年代,平房较多,密密麻麻的建筑物会阻挡气流,此时又该怎么办呢?
2.1.3 不能占卜的塔
有一个国内似乎比较少见,在西亚和北非地区比较多见的东西,风塔(Windcatcher,其实字面翻译更好听,『捕风者』),就是用来解决这个问题的:把进出风口抬高到建筑物之上的位置,没有了遮挡,自然就能获得更强的风。
一般情况下,不需要抬高多少,无阻碍即可。比如下面的图片,就能看到屋顶上的风塔,大概也就是一层楼高,就能满足屋内通风降温的需求。当然,风塔的数量越多,风力也就越强——据说在当地,风塔的数量也是房子主人财力和地位的象征。
迪拜的一座风塔,图源新华社网站,作者温新年也有些风塔会建造得更为高一些。比如下图,可以看到风塔的开口高出建筑物顶部很多,开口也更大一些。至于这么做的原因,可能是为了增强风力,因为遮挡更少,也有可能是为了减少地面浮尘对室内的污染。毕竟,这个圆形的建筑物不是普通房子,而是水窖(Ab anbar)的地面部分,此处的风塔可以加强通风,避免水窖内部出现结露等情况,同时还可以排走热空气,确保里面的水始终处于干净清凉的状态。
伊朗亚兹德市的一座风塔,图源维基百科,作者Diego Delso风塔的开口当然是要处于盛行风方向上,但至于是面向还是背向,就不是一定的。面向风向很好理解,这样风就可以从开口吹入,沿着塔身下降到需要用风的地方;而背向风向,就会在开口处形成低压区,此时风塔就变成了一个抽风机,将建筑物内的空气抽到外面。
风塔用于抽风的情况下,有一种应用是,室外空气先流经地下管道(甚至是流经坎儿井,即地下水道),通过地面耦合等方式给气流降温,再吹入室内,给室内降温,最后通过风塔被抽出室外,这也是一种给室内降温的方式。不过笔者很怀疑这种做法对空气质量的影响,毕竟地下管道要是干燥的还好,坎儿井这种终年有水的,保不准会生长青苔之类的东西,吹出来的空气真的没关系么?恐怕就算那时候的人们不知道细菌的概念,出风口有霉味也应该能察觉吧。
一般情况下,风塔需要在有盛行风的地方才能使用,这样才能利用自然风的力量。不过有时候,在炎热无风的天气里,风塔也能起到一定的通风作用,其秘诀就在于外面的大太阳。
2.1.4 让太阳抽风
中学物理告诉我们,空气受热膨胀,在质量不变的情况下密度就会降低,就会自然地向上浮起。结合上述使用风塔的地区的气候条件(温度高,太阳大),我们很容易知道,风塔受热之后,里面的空气就会向上流动,最终的效果就是,在炎热无风的情况下,也可以把室内的空气抽出室外,形成一定的通风效果,也就是浮力通风。现代社会里,能产生浮力通风效应的当然不仅限于风塔,也有专门设计的,比如所谓的『太阳能烟囱』便是其中一个例子,它在设计时就考虑到了利用太阳来加热空气的需求,因此会加强这方面的性能,比如使用玻璃外壁,内部安装黑色吸热管道等。
因为这玩意研究的人似乎不是很多(可能也和可用地域比较少有关),因此笔者很难找到合适的配图,有兴趣的读者可以自行搜寻,或者看一看笔者手边的这本远古时期的《十万个为什么》,大致理解一下:
集热盒的『上部通道』出口在室内,『上部排气孔』出口在室外这本书里提到的方案是利用房屋外墙来作为太阳能烟囱(集热盒)的一部分,然后通过切换集热盒的热风气流去向来改变其功能,热风进入室内就是取暖,热风排出室外就是用来抽风。硬要说的话,其实比较接近下面这幅示意图:
图源:energyeducation.ca不过,根据此类通风方式的原理可知,要有较为良好的通风效果,除了日照效果要好,烟囱要修高一些之外,空气温度差也很重要,如果空气本来就比较热,那么烟囱就无法再提升多少温度,体积变化小,抽风效果就不会太好。所以上图的那种结构其实不无道理,和普通风塔一样,空气预先经过地埋管道降温,一方面可以带动室内降温,另一方面也可以降低烟囱入风温度,进一步加强抽风的风力。
2.1.5 夜晚的凉风
有些地方,比如沙漠地区,干旱地区,地中海气候区,其最大的特征是气候干燥,昼夜温差大,以意大利半岛为例,根据各方说法来看,夏季昼夜温差一般在8到15℃这个范围内,假如某天气温日间达到了35℃,那么夜间气温可能就只有20到27℃,这已经是非常明显的温差了。
因此,在这些地方,人们还会使用另一种降温方式:夜间通风。
意大利佛罗伦萨旧宫,图源维基百科,作者MatthiasKabel上图中同样出现了类似风塔的结构,但仔细看会发现,周围有窗户,这是因为此『筒状结构』的周围其实是有居住空间的。具体来说,他的期望用途是:
- 白天,建筑物吸收人体、物品、自然环境的热量
- 夜间,建筑物的余热加热此筒状结构中的空气,空气受热上升
- 室外的低温空气从底部进入补充,给建筑物(尤其是房间)降温
这种降温方式,就有个很有趣的点:『夜间通风』是笔者的翻译,其英文原词是Night flushing,重点是flushing,想表达的就是夜间的冷风把建筑物余热冲刷走这个概念。不过目前Chrome的网页翻译还会把这个词翻译为『夜间冲洗』,虽然意思大概是这个意思,但很容易让人误解这里面有大量水的参与。当然,这已经是一种改进了,因为flushing这个词有皮肤潮红的意思,所以之前机翻会直接翻译为『夜间潮红』,就......有点那啥。
话题回来。夜间通风听起来很美好,但实际上对使用条件的要求其实还要更高一些,更加进一步限制了其可用范围。比如最主要的就是,夜间湿度不能过大,温度也要低于舒适温度,这样才能有效降温,不能说我白天40℃晚上30℃,湿度还高达80%,这就没什么意义了。此外,建筑物的热质量要足够大,这样才能充分吸收白天产生的热量;夜间通风量也要足够大,以便完全去除白天所吸收的热量——其实说白了,所谓的夜间通风其实就是蓄冷空调,把夜晚的『冷量』存起来供白天使用,而不是像其他方式那样,可以在日间按需制冷。
2.2 机械通风
自然的力量确实是强大的,但是光靠自然的力量,有时候也不见得一定效果很好。比如上面说了那么多被动通风的技巧,但其本质上都要依赖两个点,要么是有风力较大的盛行风,要么是有较高的气温以及对应的垂直排气结构。在这些条件不一定能凑齐的情况下,就需要机械的帮忙了。
最简单的机械通风方式,其实就是扇扇子。因为这玩意实在是太简单直白了,没有什么太有趣的地方(除了一种叫Punkah的,长得很大的,装在屋顶的,需要派人手动去拉动的扇子外),因此就说这么多。
2.2.1 兼职与全职换气扇
换气扇,抽风机,随便你怎么叫,反正你家里的洗手间大概率就会有这玩意。
一种带拉线开关的换气扇,图源农广天地。选这个图是因为小时候看到这种奇特形状的换气扇,久久而不能忘这玩意其实也没太高的技术含量,就是用电来驱动的扇子,而且正好放在了两个空间之间,可以交换空气罢了。不过和上面提到的所有自然手段相比,换气扇最大的好处就是风力大,毕竟电能是一种高品位能源,相较于低品位还受限于外部环境的的常规太阳能来说,效果好了不是一星半点,太阳能烟囱还在慢慢等加热的时候,换气扇已经把空气都换完了。
如果实在是想利用太阳能,不想依赖外部能源输入,那就装个太阳能板吧,也比单纯使用太阳能烟囱要好很多。比如下面图片的这种,在美国据说卖得挺好,因为美国很多都是独栋住宅,有阁楼,又或者是院子里有个小棚屋来当工作间什么的,这玩意正好可以自动把热空气抽出室外,避免室内积热。某些情况下(比如装在阁楼)还可以降低全屋的气温。甚至也因此有衍生出别的用品,比如全屋风扇,安装在房屋主体与阁楼之间,功率更大,但也是用于把屋内热空气抽向阁楼并排出。
图源互联网,估计又是某个国产抽风机厂家以上说的是『全职』换气扇,那当然还有兼职的,其实就是上次提到的,准备一台鸿运扇(转页扇)放到窗框上,这就是一台换气扇,因为鸿运扇可以随时拿下来别做他用,所以算兼职。另外,市面上还衍生出了介于这两者之间的东西,叫窗式风扇的,内地几乎没有这类产品,反而是海外比较多,如下图:
图源维基百科,作者Nuberger13这类窗式风扇一般都会专门设计一个正反转开关,可以在抽风机与排气扇这两种模式之间切换。前者适用于雨后室外温度较低等场合,可以让它把室外凉爽空气吹入室内,把室内的热空气经过其他通道(例如渗透通风,敞开的门,等等)排出室外;而后者,就可以把室内的空气排出室外,适用于刚才所说的『夜间通风』场合,也就是让补充的空气先经过较冷的建筑物部分,降温之后,再进入需要供冷的室内,从排气扇处排出。
2.2.2 神秘的换气开关
除了上面说的排气扇之外,还有一种更为不引人注目的,也许早年间大量出现,现在的新款也不多见的,而且其设计用途也不是用来给室内制冷的,效果好不好也很难说的,甚至能不能用都不知道的,总之就是:你有留意过空调的『换气』功能吗?
笔者家里的老格力,可见换气按钮当年(千禧年前后)的很多空调遥控器上都有这个换气按钮,这当然是因为遥控器是公模,也就是说,针对不同SKU,比如无制热功能的,机器只需要选择性无视某个信号或软件屏蔽某些按键,就可以用同款遥控器遥控不同机型,省掉单独配置的麻烦。换气这个概念能出现在公模上,就已经暗示了当年所谓的『健康空调』这个概念有多火爆。改开后经济发展,科技发展,生活质量提高,到了千禧年前后,正好就是『空调病』这个概念开始冒头的时候。周围都说要健康吹空调,要吹健康空调,直接结果就是,那时候的空调没有『换气』,『负离子』,『光触媒』都不好意思拿出来卖;只要你往广告词上写这些东西,你这就是健康空调。
然而,别的功能我不好说,换气,是需要安装换气附件才能用的,如果没有安装换气附件,按下遥控器换气开关,机器只会响一声,然后就没有别的动作了,没有气流交换,空气也就不会变清新。或曰,我该怎么判断自己的空调有没有换气附件呢,很简单,如下图所示,换气附件是一个大盒子,而且也会多出来一两根管子,很显眼的:
安装在室外的换气附件,图源空调杰哥上面的图还是从视频里面截的,从他的视频发布时间判断,大概也就是这几年的产品。至于为什么要去视频里截图,很简单,如果你直接去搜索『空调换气附件』,会发现很难搜索到可用的图片,除非加上某个特定品牌,才能在无人问津的淘宝店里面找到一两张这个附件的阵容(运气好的话确实也能买回来研究研究)。换气附件普及率,可以说是一言难尽,这种东西一般是作为高端SKU的一部分,或者中低端SKU的选配件,来出售。问题是,世纪初能装高端SKU(或者加选配件的,下同)的家庭能有多少?所以很多情况下,遥控器上的换气功能就是废的,反正一般人也不知道这玩意起不了作用,顶多给人一种心理安慰,觉得这个空调真的在换气,那就行了。
这个所谓的换气功能,在2015年之后,就很难见到踪迹了,因为一方面是这玩意确实噪音大(毕竟就是外挂一个大风机),而且单纯的换气功能也有损失冷量的问题,另一方面就是,空调领域有了一个更高大上更牛逼的概念取代了它:新风。
2.2.3 新新的风
新风就是牛逼一点的的换气功能,解释完毕,本节结束。
不是,这玩意还有什么太高大上的概念吗?无非就是给原来的换气功能,换一个噪音更小的风机,加几层功能很好的过滤器(比如HEPA滤网,活性炭滤网),再加一根排风管道,再高级一些的可能还配备热回收功能,就这样,没了,完全可以把他看做『进风口在室外的空气净化器』,还想要什么很牛逼的功能吗?
笔者经常提的一件事是,一代人有一代人的AI。现在是AI调温,五年前是人体感应,十年前是新风空调, 十五年前是幻月游戏,二十年前是负离子,三十年前是微电脑。习惯了厂家拿着名词吹的人很快就能发现,这么多年都是这么过来的,譬如说那负离子,偌大一个房间就靠空调里面火柴盒大小的一个负离子发生器,可能有点用,但有用不太可能;再比如那微电脑,铭牌上一贴,好高大上哦,结果机器拆开一看,不是波纹管温控器,而是热电偶控制俩继电器,微得不能再微了。
当然,笔者不是说全盘否定新风功能,毕竟这玩意你说有没有用,那确实有,至少换气量上来了,也是比那个什么负离子功能要有用多了。如果你所在的地方雾霾较多,空气质量不算太好的,那么买个有新风功能的空调,过滤一下室外空气再送入室内,而不是直接开窗,也是可以的。不过买之前,笔者建议还是先掂量掂量,如果空气污染比较严重,那么空调的新风功能可能效果未必如意。单独购买空气净化器或者新风机,可能用处会更大,价格也便宜些,毕竟术业有专攻嘛。
3. 写在最后
通风降温就讲这么多吧,反正来来去去都是那些技术。下一篇会聊水蒸发制冷,这玩意的应用范围倒是广一些,毕竟相变吸热确实猛一些,总比那慢悠悠的通风要好——事实上,通风制冷很多都不会单独使用,而是会配合水蒸发制冷,进一步加强效果,比如上面提到的『气流先经过坎儿井』,就是一个例子。
最近很久没更新,主要就是因为在写这篇文章,绝对不是因为货币战争玩上头了。
另外,纪念册抢到了第一批。
(完)
硝石制冷?穿越者必备啊
理论上确实如此,不过要实现可用的降温效果,硝石的量估计不能太少,而且硝酸盐的毒性可能也是个问题。当然,用完之后不要忘记把硝酸盐蒸发出来,以便下次再继续加水用。