015年第1期總第43卷第287期建锍節(jié)能■保溫隔熱與材料doi:10.3969 J.Issn.1673-7237.2015.01016排風(fēng)隔熱窗的熱工性能分析張沖,王勁柏,徐新華,康靖(華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系,武漢430074摘要:研究一種新型的建筑外窗結(jié)枃——排風(fēng)隔熱窗,其由3層普通白玻璃、內(nèi)置的遮陽百葉及玻璃之間的氣流空腔構(gòu)成。排風(fēng)隔熱窗是將室內(nèi)空調(diào)排風(fēng)通過玻璃間的氣流空腔排到室外,利用空調(diào)排風(fēng)低品位的冷量/熱量減少外窗在供冷/供熱季時形成的空調(diào)負荷,達到排風(fēng)熱回收的效果,同時它可以根據(jù)供冷/供熱季的不冋切換換其排風(fēng)通道。通過建立傳熱欻學(xué)模型,對該結(jié)構(gòu)和2種常規(guī)外窗結(jié)枃在典型夏熱冬冷氣候條件下的節(jié)能效果進行分析比較。結(jié)果表明,排風(fēng)隔熱窗可以有效地降低室內(nèi)側(cè)玻璃表面與室內(nèi)空氣之間的溫差,減少外窗形成的室內(nèi)負荷,改善室內(nèi)的熱舒適性關(guān)鍵詞:排風(fēng)隔熱窗;排風(fēng)熱回收;建筑節(jié)能;熱舒適性中圖分類號:TU111.4文獻標志碼:A文章編號:1673-7237(2015)01-0062-05Thermal Performance of an Exhaust Air Insulation windowZHANG Chong, WANG Jin-bo, XU Xin-hua, KANG Jing(Department of Building Environment and Energy Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract: A novel triple glazing airflow window inte grated with between-glass venetian blinds is proposed. One of the two air channels hosts blinds and is used for low-grade exhaust air flow from indoor toexterior environment, while the other acts like a double glazed pane. The air flow way can be switched fromthe outer channel for cooling mode)to the inner one for heating mode ). Based on energy balance, a nuSimulation is carried out to compare its thermal performances with that of the commonly used double andtriple glazing windows. Results show that the exhaust air insulation window can reduceloads and enhance indoor thermal comforKeywords: exhaust air insulation window; exhaust air heat recovery, building energy efficiency; thermal comfo0引言要途徑采用大面積的外窗或全玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑的外窗節(jié)能技術(shù)通常是以降低傳熱系數(shù),或是增加種設(shè)計趨勢,在提供充分的自然采光之外,能較好地滿太陽輻射得熱的控制作為主要機制。其中低傳熱系數(shù)足建筑的美學(xué)需求。然而,外窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)中保溫的外窗技術(shù)包括多層中空玻璃、真空玻璃、氣凝膠玻璃隔熱最薄弱的環(huán)節(jié),透明的玻璃結(jié)構(gòu)在夏季還會造成等,而電致變色玻璃則是通過改變玻璃的光學(xué)特性,從大量的太陽輻射得熱。大面積的外窗會使得空調(diào)系統(tǒng)而實現(xiàn)控制室內(nèi)的太陽輻射得熱。外窗的動態(tài)隔熱技負荷大量增加而增大耗能叩。在多數(shù)建筑中,外窗導(dǎo)致術(shù)不同于上述的節(jié)能外窗,它是通過直接降低外窗的的傳熱損失約占外圍護結(jié)構(gòu)總傳熱損失的60%左右四。室內(nèi)側(cè)表面與室內(nèi)空氣的溫度差,從而減少外窗形成因此,提高建筑外窗的熱工性能是實現(xiàn)建筑節(jié)能的重的負荷。例如,陳清焰提出的雙向通風(fēng)窗技術(shù),它可以稿日期:2014-06-16;修回日期:2014-07-12有效地減少建筑能耗和提亮室內(nèi)空氣品質(zhì)。水流窗、基金項目:國家白然科學(xué)基魚61383513高?；究苾?nèi)嵌管式圍護結(jié)中國煤化工離幕墻阿也屬研業(yè)務(wù)費資助HUST(0118261034)于這一類,都可CNMHG低圍護結(jié)構(gòu)張沖,等:排風(fēng)隔熱窗的熱工性能分析表面與室內(nèi)空氣的溫度差,減少空調(diào)負荷態(tài)(即雙層中空玻璃)起到隔熱的作用,此時,排風(fēng)氣流排風(fēng)隔熱窗作為一種新型外窗動態(tài)隔熱技術(shù),直接作用于室內(nèi)側(cè)玻璃,使室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度極為其由3層普通白玻璃、可調(diào)節(jié)的遮陽百葉及玻璃之間接近室內(nèi)空氣溫度,減少溫差造成的熱散失。冬季時的氣流空腔構(gòu)成。該結(jié)構(gòu)可以充分利用低品位的空調(diào)般不使用遮陽百葉,讓太陽輻射熱盡可能進入室內(nèi)排風(fēng)的冷/熱量減少外窗形成的空調(diào)負荷,達到排風(fēng)充分吸收熱能。當太陽直射輻射較大時,由于冬季的太熱回收的效果,同時,可以有效提高室內(nèi)的熱舒適性。陽高度角較低,太陽直射輻射不做任何遮擋直接進入本文通過建立排風(fēng)隔熱窗的傳熱數(shù)學(xué)模型,利用數(shù)值室內(nèi)(特別是南向),會對室內(nèi)人員造成嚴重的眩暈計算的方法對其熱工性能及節(jié)能效果進行研究,并與此時,則調(diào)整遮陽百葉防止眩暈的發(fā)生,遮陽百葉吸收2種常規(guī)的外窗結(jié)構(gòu)進行分析比較。的太陽輻射熱,使排風(fēng)氣流的溫度升高,因此,可以進1排風(fēng)隔熱窗的結(jié)構(gòu)及隔熱機制步提高室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度。新型內(nèi)置遮陽的排風(fēng)隔熱窗的構(gòu)造如圖1所示,2數(shù)值計算傳熱模型它是由3層6mm透明白玻璃,2個15mm的氣流空2.1傳熱數(shù)學(xué)模型腔和可調(diào)節(jié)的遮陽百葉構(gòu)成,根據(jù)冬夏季需求不同其采用區(qū)域模型法對排風(fēng)隔熱窗進行離散,根據(jù)能可以切換運行模式,以達到最佳的隔熱效果。這種結(jié)構(gòu)量守恒原理,分別建立各離散子區(qū)域的能量平衡方程。外窗的保溫隔熱機制為:利用杋械排風(fēng)風(fēng)杋或是空調(diào)很多學(xué)者采用區(qū)域模型法硏究外窗的熱工性能,并用新風(fēng)機提供的室內(nèi)正壓,讓空調(diào)排風(fēng)流經(jīng)玻璃夾層間實驗結(jié)果驗證其可靠性。忽略沿玻璃長度方向的傳的氣流空腔最終排向室外,此時排風(fēng)氣流可以將以導(dǎo)熱,將排風(fēng)隔熱窗的三維問題簡化為二維傳熱問題。以熱形式傳向室內(nèi)的熱量(冬季為冷量)反向帶出至室外,夏季模式為例,將該外窗結(jié)構(gòu)劃分為3層玻璃、遮陽百從而使得室內(nèi)側(cè)玻璃表面的溫度極為接近室內(nèi)的空氣葉、排風(fēng)空腔和封閉空腔6層結(jié)構(gòu)來研究,同時,沿垂溫度。排風(fēng)隔熱窗夏季模式和冬季模式的差別,取決于直地面的高度方向?qū)⑦@6層結(jié)構(gòu)平均離散成n個控制排風(fēng)氣流通道和遮陽百葉位置的不同,兩種模式下進區(qū)域,如圖2所示。忽略排風(fēng)空腔層之外,其他結(jié)構(gòu)層風(fēng)口和排風(fēng)口的位置保持不變。不同控制區(qū)域之間延垂直方向的傳熱,各子區(qū)域的溫夏季模式切換構(gòu)件冬季模式度用中心節(jié)點溫度表示。排風(fēng)出口排風(fēng)空腔密閉空腔Section1TT·TSection2raT72·TT2·T·T陽百葉SectionjT, T·r·TT·T7室內(nèi)室外室內(nèi)Section n-1T·T!T·TnT過濾裝置Section n Tm .Te-TM·TTh.·T·Thx玻璃遮陽百葉玻璃排風(fēng)入口切換構(gòu)件圖2排風(fēng)隔熱窗的區(qū)域模型示意圖圖1排風(fēng)隔熱窗的結(jié)構(gòu)示意圖在同一區(qū)域內(nèi),各子區(qū)域之間可以建立6個能量夏季模式時:排風(fēng)氣流和遮陽百葉位于室外側(cè)的平衡方程。以第j層區(qū)域為例,熱傳遞示意圖如圖3所玻璃夾層之間,此時,室內(nèi)側(cè)的玻璃夾層處于封閉狀態(tài)示,考慮了各結(jié)構(gòu)層與空氣之間的對流換熱、玻璃層和即雙層中空玻璃),利用排風(fēng)的冷量,一定程度上阻止遮陽百葉的太陽輻射得熱、各結(jié)構(gòu)層之間的長波輻射室內(nèi)外導(dǎo)熱形式的熱量傳遞,同時,內(nèi)置的遮陽百葉可以阻止太陽輻射進入室內(nèi),減少室內(nèi)太陽輻射得熱。遮室內(nèi)陽百葉吸收大量的太陽輻射熱后,會造成嚴重?zé)岫逊eQT現(xiàn)象,此時室內(nèi)側(cè)的雙層中空玻璃可以阻止太陽輻射得熱傳遞進入室內(nèi),同時,利用溫度較低的排風(fēng)氣流將堆積的熱帶出到室外。冬季模式時:排風(fēng)氣流和遮陽百葉切換至室內(nèi)側(cè)中國煤化工的玻璃夾層之間,此時,室外側(cè)的玻璃夾層處于封閉狀CNMHG張沖,等:排夙隔熱窗的熱工性能分析換熱、玻璃內(nèi)外表面與室內(nèi)外環(huán)境之間的長波輻射換b=O(r2+72)T+7,)7-T,)(7-rm)(10)熱,忽略各玻璃層和遮陽百葉熱容的影響。第j層各子區(qū)域的能量平衡方程如下:hight +Taa +Ta室外側(cè)玻璃:式中:T為室外的天空溫度h(T-7)+h(T-7)+h(T7)+hn(T27)+Q1=0(1)可根據(jù) Swinbank模型計算得到:遮陽百葉:T=0.0552T(12)h(Tn-72)+h(7-72)+hTy-72)+h2(Ty-72)+Qa=0(2)23計算求解中間層玻璃為了研究排風(fēng)隔熱窗的節(jié)能特性,本文選擇雙層h(T73)+h2(T2-T3)+h(T73)+hT4-T)+Q=0(3)中空玻璃和3層中空玻璃加內(nèi)遮陽的結(jié)構(gòu)作為比較對室內(nèi)側(cè)玻璃象,3種窗的結(jié)構(gòu)如表2所示。計算中所需的各個玻璃h(T-7+)+ha(Ty-7+)+ha(Tm-7+)+h(Tm-7+)+Q0(4)系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù),如太陽光透射率和吸收率,均是通過排風(fēng)氣流空腔:WINDOW軟件計算所得。排風(fēng)隔熱窗的區(qū)域模型中有hn(Tl-Tn)+ha(7y7-)+2h(T2-T)pVca(T7)=0(5)60個節(jié)點的能量平衡方程,求解過程較為復(fù)雜,故使封閉空氣腔用 Matlab軟件進行編程、迭代求解直至收斂h T3-Ti)th(t+=0式中:h為各表面的傳熱系數(shù)表23種外窗的結(jié)構(gòu)組成T為室外空氣溫度玻璃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/mm遮陽位置T為室內(nèi)空氣溫度排風(fēng)隔熱窗6+15A+6+15A+6玻璃間內(nèi)置遮陽百葉3層中空玻璃6+12A+6+12A+6內(nèi)遮陽ρ為排風(fēng)空腔中氣流的密度雙層中空玻璃6+12A+6內(nèi)遮陽V為排風(fēng)氣流的流量Cm為排風(fēng)氣流的比熱。各區(qū)域中的6個能量平衡方程有6個溫度的未知3排風(fēng)隔熱窗與常規(guī)外窗的比較量,本研究沿高度方向?qū)⑴棚L(fēng)隔熱窗劃分為10個區(qū)選擇武漢作為夏熱冬冷地區(qū)的代表城市,武漢室域,故總共有60個溫度的未知量需要求解。外氣象參數(shù)來源于中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)2.2傳熱系數(shù)集的典型氣象年數(shù)據(jù)。本文計算了3種外窗結(jié)構(gòu)在冬能量平衡方程中各表面對流換熱系數(shù)的計算方夏季工況條件下,1天24b的熱工性能,計算時假設(shè)室法,如表1所示1,其中排風(fēng)空腔和密閉空腔各自兩內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)24h連續(xù)運行,且冬季室內(nèi)空氣溫側(cè)壁面的對流換熱系數(shù)相等。各結(jié)構(gòu)層表面之間的輻度保持在20℃,夏季為25℃。排風(fēng)隔熱窗的排風(fēng)速射換熱系數(shù)均采用等效輻射換熱系數(shù),計算方法如下率維持在0.5ms。模擬時忽略遮陽百葉的逐時調(diào)節(jié),假設(shè)夏季時一直使用百葉遮擋太陽輻射,用于減hn=o(r2+rx)xr2+7,)(1+1-1)(7)少室內(nèi)太陽得熱,冬季時則不使用百葉,提高室內(nèi)太陽能的利用ha=0(72+7y3)(72+ry)(3.1冬季工況的分析比較ha=o(73+)T3+7)(1+12-1)在分析排風(fēng)隔熱窗冬季的節(jié)能特性時,以北向為例,選擇室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和室內(nèi)散熱量作為比較式中:c為各層表面的黑體發(fā)射率的對象,其中室內(nèi)散熱量Q由兩部分組成:室內(nèi)太陽σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)。得熱量Q。及室內(nèi)側(cè)玻璃表面和室內(nèi)空氣之間溫差形玻璃表面和室外環(huán)境及室內(nèi)表面的輻射換熱系成的熱散失Q。,即Qm=QQ,結(jié)果如圖4和5所數(shù)為示。圖4表明采用排風(fēng)隔熱窗時,在冬季可以有效地提表1排風(fēng)隔熱窗各表面的對流換熱系數(shù)高室內(nèi)側(cè)玻璃的表面溫度,相比于雙層中空玻璃平均換熱表面對流換熱系數(shù)/w(m2K)排風(fēng)空腔h=562+3.9提高34℃,比3層中空玻璃提高約1℃,大大地降低密閉空腔Na=1+1.75967×100·Ra248了室內(nèi)的空調(diào)熱負荷,并且可以有效地減少冬季外窗遮陽百葉Nuy=0.51Res Pr37對室內(nèi)人員的冷輻射作用,提高室內(nèi)房間的熱舒適性玻璃室外側(cè)h=8.23+3.3xm-0.036圖5為3種結(jié)構(gòu)內(nèi)諑時嵩抉量,散熱量玻璃室內(nèi)側(cè)h=5.34為正值時表示外中國煤化工-為熱負荷;散注:為排風(fēng)速度:n為室外環(huán)境風(fēng)速熱量為負值時則CNMHG,太陽輻射張沖,等:排風(fēng)隔熱窗的熱工性能分析得熱抵消了溫差形成的熱散失,降低了室內(nèi)的熱負荷?？詹ＡУ奶栁章矢哂陔p層結(jié)構(gòu),故在太陽輻射較圖5表明采用排風(fēng)隔熱窗時,在冬季夜間可以有效地大時,其室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度會高于雙層結(jié)構(gòu),而由于減少室內(nèi)的散熱量,而在冬季白天太陽輻射增加時,可其隔熱性能較好,在夜間則始終低于雙層結(jié)構(gòu)。采用排以形成更多的室內(nèi)得熱。從表3可知,排風(fēng)隔熱窗冬季風(fēng)隔熱窗時,可利用室內(nèi)排風(fēng)的冷量,將排風(fēng)空腔中遮ld累積的散熱量為0.73MJm3,而3層和雙層中空玻陽百葉和玻璃所吸收的太陽輻射熱帶出到室外,一定璃分別為1.68MJm2和3.75MJ/m2,這表明在冬季排程度上阻止室外的熱量通過外窗進入室內(nèi),室內(nèi)側(cè)玻璃風(fēng)隔熱窗的使用可以顯著地降低室內(nèi)熱負荷,節(jié)能潛表面的最高溫度僅為27.6℃,遠遠低于常規(guī)的外窗。力明顯。圖7表明采用排風(fēng)隔熱窗時,在夏季可以有效地減少通過外窗形成的室內(nèi)得熱,降低室內(nèi)的空調(diào)冷負荷,同時該結(jié)構(gòu)室內(nèi)的逐時得熱量隨室外環(huán)境變化的波動相對較小。由表3可知,排風(fēng)隔熱窗夏季1d累積的得熱量為1.96MJ/m2,雙層中空玻璃最高為7.7MJ/m2,而3層外窗結(jié)構(gòu)略低于雙層結(jié)構(gòu)為743MJm2,這表明夏季排風(fēng)隔熱窗的使用不僅可以大大減少室內(nèi)冷負荷排風(fēng)南熱窗降低空調(diào)能耗,而且可以顯著消除室內(nèi)冷負荷隨室外雙層屮坡璃環(huán)境變化的波動,減小空調(diào)設(shè)計冷負荷。士3層巾空玻璃時間h吾掛風(fēng)熱密圖43種結(jié)構(gòu)外窗冬季玻璃內(nèi)表面溫度的對比g353:甲空璃眾S0ד*義25扦風(fēng)陶熱窗村間h圖63種結(jié)構(gòu)外窗夏季玻璃內(nèi)表面溫度的對比時間/h貝隔圖53種結(jié)構(gòu)外窗冬季室內(nèi)散熱量的對比層型瑞表33種結(jié)構(gòu)外窗1d的累積換熱量玻璃系統(tǒng)雙層中空玻璃2層中空玻璃排風(fēng)隔熱窗冬季1d總散熱量/(MJ/m2)夏季1d總得7.70當?shù)臒崃?MJ/m2)間h3.2夏季工況的分析比較圖73種結(jié)構(gòu)外窗夏季室內(nèi)得熱量的對比在分析排風(fēng)隔熱窗夏季的節(jié)能特性時,以南向為4結(jié)論例,選擇室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和室內(nèi)得熱量作為比較本文建立了排風(fēng)隔熱窗的二維傳熱區(qū)域模型,采的對象,其中室內(nèi)得熱量Q。由兩部分組成:室內(nèi)太陽用數(shù)值計算的方法對其熱工性能和節(jié)能效果進行研得熱量Q及室內(nèi)側(cè)玻璃表面和室內(nèi)空氣之間溫差形究,并與常規(guī)外窗進行比較。結(jié)果表面,采用該結(jié)構(gòu)在成的得熱Q,即Qa=Q+Q,結(jié)果如圖6和7所示。冬/夏季均可以有效地降低玻璃室內(nèi)側(cè)表面和室內(nèi)空圖6表明采用常規(guī)外窗時,在夏季太陽輻射較大的情氣的溫差,提高了室內(nèi)房間的熱舒適性。相比于雙層和況下,由于玻璃和室內(nèi)遮陽百葉會吸收部分太陽輻射,3層中空玻璃,積得執(zhí)量該結(jié)構(gòu)分別減少會導(dǎo)致嚴重的熱堆積,雙層和3層中空玻璃的室內(nèi)側(cè)5.74MJ/m2和5中國煤化工散熱量則可玻璃表面溫度最高可達352℃和36℃。由于3層中減少302MJ/mCNMHG(下轉(zhuǎn)第79頁)黃金美,等:自然通風(fēng)在綠色建筑中的應(yīng)用升力,推動熱氣流上升,達到加強自然通風(fēng)的目的。太4結(jié)語陽輻射強度增加,則太陽能煙囪的壁面熱流密度增加良好、合理地利用自然通風(fēng),不僅從根本上實現(xiàn)了太陽能煙囪的壁面吸收的熱量增大,其內(nèi)外密度差越綠色建筑的基本理念——減少建筑能耗,還降低了對大,熱壓越大,“煙囪效應(yīng)”越明顯η。圖4就是利用太陽環(huán)境的不良影響。實現(xiàn)綠色建筑的“人一建筑一自然能與自然通風(fēng)相結(jié)合的實際工程案例。三者和諧共生,最終達到經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益的統(tǒng)一,是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的途徑。自然通中庭排風(fēng)窗風(fēng)技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用應(yīng)注意以下問題(1)因地制宜地利用自然通風(fēng)。自然通風(fēng)在不同地區(qū)應(yīng)用時,應(yīng)充分考慮當?shù)丨h(huán)境及氣候條件(2)自然通風(fēng)與其他方式綜合利用。自然通風(fēng)可以和多種能源利用方式相結(jié)合,如太陽能煙囪、自然采光天井、地道風(fēng)等,自然通風(fēng)的效果明顯得到提高,從而獲得更大的經(jīng)濟及社會價值。圖3中庭通風(fēng)參考文獻[]GB501892005,公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S][2]GB503782006綠色建筑評價標準S[3] 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