排风隔热窗的热工性能分析

015年第1期总第43卷第287期建锍节能■保温隔热与材料doi:10.3969 J.Issn.1673-7237.2015.01016排风隔热窗的热工性能分析张冲,王劲柏,徐新华,康靖(华中科技大学建筑环境与能源应用工程系,武汉430074摘要:研究一种新型的建筑外窗结枃——排风隔热窗,其由3层普通白玻璃、内置的遮阳百叶及玻璃之间的气流空腔构成。排风隔热窗是将室内空调排风通过玻璃间的气流空腔排到室外,利用空调排风低品位的冷量/热量减少外窗在供冷/供热季时形成的空调负荷,达到排风热回收的效果,同时它可以根据供冷/供热季的不冋切換换其排风通道。通过建立传热欻学模型,对该结构和2种常规外窗结枃在典型夏热冬冷气候条件下的节能效果进行分析比较。结果表明,排风隔热窗可以有效地降低室内侧玻璃表面与室内空气之间的温差,减少外窗形成的室内负荷,改善室内的热舒适性关键词:排风隔热窗;排风热回收;建筑节能;热舒适性中图分类号:TU111.4文献标志码:A文章编号: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引言要途径采用大面积的外窗或全玻璃幕墙是现代建筑的外窗节能技术通常是以降低传热系数,或是增加种设计趋势,在提供充分的自然采光之外,能较好地满太阳辐射得热的控制作为主要机制。其中低传热系数足建筑的美学需求。然而,外窗是建筑围护结构中保温的外窗技术包括多层中空玻璃、真空玻璃、气凝胶玻璃隔热最薄弱的环节,透明的玻璃结构在夏季还会造成等,而电致变色玻璃则是通过改变玻璃的光学特性,从大量的太阳辐射得热。大面积的外窗会使得空调系统而实现控制室内的太阳辐射得热。外窗的动态隔热技负荷大量增加而增大耗能叩。在多数建筑中,外窗导致术不同于上述的节能外窗,它是通过直接降低外窗的的传热损失约占外围护结构总传热损失的60%左右四。室内侧表面与室内空气的温度差,从而减少外窗形成因此,提高建筑外窗的热工性能是实现建筑节能的重的负荷。例如,陈清焰提出的双向通风窗技术,它可以稿日期:2014-06-16;修回日期:2014-07-12有效地减少建筑能耗和提亮室内空气品质。水流窗、基金项目:国家白然科学基鱼61383513高校基本科内嵌管式围护结中国煤化工离幕墙阿也属研业务费资助HUST(0118261034)于这一类,都可CNMHG低围护结构张冲,等:排风隔热窗的热工性能分析表面与室内空气的温度差,减少空调负荷态(即双层中空玻璃)起到隔热的作用,此时,排风气流排风隔热窗作为一种新型外窗动态隔热技术,直接作用于室内侧玻璃,使室内侧玻璃表面温度极为其由3层普通白玻璃、可调节的遮阳百叶及玻璃之间接近室内空气温度,减少温差造成的热散失。冬季时的气流空腔构成。该结构可以充分利用低品位的空调般不使用遮阳百叶,让太阳辐射热尽可能进入室内排风的冷/热量减少外窗形成的空调负荷,达到排风充分吸收热能。当太阳直射辐射较大时,由于冬季的太热回收的效果,同时,可以有效提高室内的热舒适性。阳高度角较低,太阳直射辐射不做任何遮挡直接进入本文通过建立排风隔热窗的传热数学模型,利用数值室内(特别是南向),会对室内人员造成严重的眩晕计算的方法对其热工性能及节能效果进行研究,并与此时,则调整遮阳百叶防止眩晕的发生,遮阳百叶吸收2种常规的外窗结构进行分析比较。的太阳辐射热,使排风气流的温度升高,因此,可以进1排风隔热窗的结构及隔热机制步提高室内侧玻璃表面温度。新型内置遮阳的排风隔热窗的构造如图1所示,2数值计算传热模型它是由3层6mm透明白玻璃,2个15mm的气流空2.1传热数学模型腔和可调节的遮阳百叶构成,根据冬夏季需求不同其采用区域模型法对排风隔热窗进行离散,根据能可以切换运行模式,以达到最佳的隔热效果。这种结构量守恒原理,分别建立各离散子区域的能量平衡方程。外窗的保温隔热机制为:利用杋械排风风杋或是空调很多学者采用区域模型法硏究外窗的热工性能,并用新风机提供的室内正压,让空调排风流经玻璃夹层间实验结果验证其可靠性。忽略沿玻璃长度方向的传的气流空腔最终排向室外,此时排风气流可以将以导热,将排风隔热窗的三维问题简化为二维传热问题。以热形式传向室内的热量(冬季为冷量)反向带出至室外,夏季模式为例,将该外窗结构划分为3层玻璃、遮阳百从而使得室内侧玻璃表面的温度极为接近室内的空气叶、排风空腔和封闭空腔6层结构来研究,同时,沿垂温度。排风隔热窗夏季模式和冬季模式的差别,取决于直地面的高度方向将这6层结构平均离散成n个控制排风气流通道和遮阳百叶位置的不同,两种模式下进区域,如图2所示。忽略排风空腔层之外,其他结构层风口和排风口的位置保持不变。不同控制区域之间延垂直方向的传热,各子区域的温夏季模式切换构件冬季模式度用中心节点温度表示。排风出口排风空腔密闭空腔Section1TT·TSection2raT72·TT2·T·T阳百叶SectionjT, T·r·TT·T7室内室外室内Section n-1T·T!T·TnT过滤装置Section n Tm .Te-TM·TTh.·T·Thx玻璃遮阳百叶玻璃排风入口切换构件图2排风隔热窗的区域模型示意图图1排风隔热窗的结构示意图在同一区域内,各子区域之间可以建立6个能量夏季模式时:排风气流和遮阳百叶位于室外侧的平衡方程。以第j层区域为例,热传递示意图如图3所玻璃夹层之间,此时,室内侧的玻璃夹层处于封闭状态示,考虑了各结构层与空气之间的对流换热、玻璃层和即双层中空玻璃),利用排风的冷量,一定程度上阻止遮阳百叶的太阳辐射得热、各结构层之间的长波辐射室内外导热形式的热量传递,同时,内置的遮阳百叶可以阻止太阳辐射进入室内,减少室内太阳辐射得热。遮室内阳百叶吸收大量的太阳辐射热后,会造成严重热堆积QT现象,此时室内侧的双层中空玻璃可以阻止太阳辐射得热传递进入室内,同时,利用温度较低的排风气流将堆积的热带出到室外。冬季模式时:排风气流和遮阳百叶切换至室内侧中国煤化工的玻璃夹层之间,此时,室外侧的玻璃夹层处于封闭状CNMHG张冲,等:排夙隔热窗的热工性能分析换热、玻璃内外表面与室内外环境之间的长波辐射换b=O(r2+72)T+7,)7-T,)(7-rm)(10)热,忽略各玻璃层和遮阳百叶热容的影响。第j层各子区域的能量平衡方程如下:hight +Taa +Ta室外侧玻璃:式中:T为室外的天空温度h(T-7)+h(T-7)+h(T7)+hn(T27)+Q1=0(1)可根据 Swinbank模型计算得到:遮阳百叶:T=0.0552T(12)h(Tn-72)+h(7-72)+hTy-72)+h2(Ty-72)+Qa=0(2)23计算求解中间层玻璃为了研究排风隔热窗的节能特性,本文选择双层h(T73)+h2(T2-T3)+h(T73)+hT4-T)+Q=0(3)中空玻璃和3层中空玻璃加内遮阳的结构作为比较对室内侧玻璃象,3种窗的结构如表2所示。计算中所需的各个玻璃h(T-7+)+ha(Ty-7+)+ha(Tm-7+)+h(Tm-7+)+Q0(4)系统的光学参数,如太阳光透射率和吸收率,均是通过排风气流空腔:WINDOW软件计算所得。排风隔热窗的区域模型中有hn(Tl-Tn)+ha(7y7-)+2h(T2-T)pVca(T7)=0(5)60个节点的能量平衡方程,求解过程较为复杂,故使封闭空气腔用 Matlab软件进行编程、迭代求解直至收敛h T3-Ti)th(t+=0式中:h为各表面的传热系数表23种外窗的结构组成T为室外空气温度玻璃系统结构/mm遮阳位置T为室内空气温度排风隔热窗6+15A+6+15A+6玻璃间内置遮阳百叶3层中空玻璃6+12A+6+12A+6内遮阳ρ为排风空腔中气流的密度双层中空玻璃6+12A+6内遮阳V为排风气流的流量Cm为排风气流的比热。各区域中的6个能量平衡方程有6个温度的未知3排风隔热窗与常规外窗的比较量,本研究沿高度方向将排风隔热窗划分为10个区选择武汉作为夏热冬冷地区的代表城市,武汉室域,故总共有60个温度的未知量需要求解。外气象参数来源于中国建筑热环境分析专用气象数据2.2传热系数集的典型气象年数据。本文计算了3种外窗结构在冬能量平衡方程中各表面对流换热系数的计算方夏季工况条件下,1天24b的热工性能,计算时假设室法,如表1所示1,其中排风空腔和密闭空腔各自两内的中央空调系统24h连续运行,且冬季室内空气温侧壁面的对流换热系数相等。各结构层表面之间的辐度保持在20℃,夏季为25℃。排风隔热窗的排风速射换热系数均采用等效辐射换热系数,计算方法如下率维持在0.5ms。模拟时忽略遮阳百叶的逐时调节,假设夏季时一直使用百叶遮挡太阳辐射,用于减hn=o(r2+rx)xr2+7,)(1+1-1)(7)少室内太阳得热,冬季时则不使用百叶,提高室内太阳能的利用ha=0(72+7y3)(72+ry)(3.1冬季工况的分析比较ha=o(73+)T3+7)(1+12-1)在分析排风隔热窗冬季的节能特性时,以北向为例,选择室内侧玻璃表面温度和室内散热量作为比较式中:c为各层表面的黑体发射率的对象,其中室内散热量Q由两部分组成:室内太阳σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数。得热量Q。及室内侧玻璃表面和室内空气之间温差形玻璃表面和室外环境及室内表面的辐射换热系成的热散失Q。,即Qm=QQ,结果如图4和5所数为示。图4表明采用排风隔热窗时,在冬季可以有效地提表1排风隔热窗各表面的对流换热系数高室内侧玻璃的表面温度,相比于双层中空玻璃平均换热表面对流换热系数/w(m2K)排风空腔h=562+3.9提高34℃,比3层中空玻璃提高约1℃,大大地降低密闭空腔Na=1+1.75967×100·Ra248了室内的空调热负荷,并且可以有效地减少冬季外窗遮阳百叶Nuy=0.51Res Pr37对室内人员的冷辐射作用,提高室内房间的热舒适性玻璃室外侧h=8.23+3.3xm-0.036图5为3种结构内诼时嵩抉量,散热量玻璃室内侧h=5.34为正值时表示外中国煤化工-为热负荷;散注:为排风速度:n为室外环境风速热量为负值时则CNMHG,太阳辐射张冲,等:排风隔热窗的热工性能分析得热抵消了温差形成的热散失,降低了室内的热负荷。空玻璃的太阳吸收率高于双层结构,故在太阳辐射较图5表明采用排风隔热窗时,在冬季夜间可以有效地大时,其室内侧玻璃表面温度会高于双层结构,而由于减少室内的散热量,而在冬季白天太阳辐射增加时,可其隔热性能较好,在夜间则始终低于双层结构。采用排以形成更多的室内得热。从表3可知,排风隔热窗冬季风隔热窗时,可利用室内排风的冷量,将排风空腔中遮ld累积的散热量为0.73MJm3,而3层和双层中空玻阳百叶和玻璃所吸收的太阳辐射热带出到室外,一定璃分别为1.68MJm2和3.75MJ/m2,这表明在冬季排程度上阻止室外的热量通过外窗进入室内,室内侧玻璃风隔热窗的使用可以显著地降低室内热负荷,节能潜表面的最高温度仅为27.6℃,远远低于常规的外窗。力明显。图7表明采用排风隔热窗时,在夏季可以有效地减少通过外窗形成的室内得热,降低室内的空调冷负荷,同时该结构室内的逐时得热量随室外环境变化的波动相对较小。由表3可知,排风隔热窗夏季1d累积的得热量为1.96MJ/m2,双层中空玻璃最高为7.7MJ/m2,而3层外窗结构略低于双层结构为743MJm2,这表明夏季排风隔热窗的使用不仅可以大大减少室内冷负荷排风南热窗降低空调能耗,而且可以显著消除室内冷负荷随室外双层屮坡璃环境变化的波动,减小空调设计冷负荷。士3层巾空玻璃时间h吾挂风热密图43种结构外窗冬季玻璃內表面温度的对比g353:甲空璃众S0ד*义25扦风陶热窗村间h图63种结构外窗夏季玻璃内表面温度的对比时间/h贝隔图53种结构外窗冬季室内散热量的对比层型瑞表33种结构外窗1d的累积换热量玻璃系统双层中空玻璃2层中空玻璃排风隔热窗冬季1d总散热量/(MJ/m2)夏季1d总得7.70当的热量(MJ/m2)间h3.2夏季工况的分析比较图73种结构外窗夏季室内得热量的对比在分析排风隔热窗夏季的节能特性时,以南向为4结论例,选择室内侧玻璃表面温度和室内得热量作为比较本文建立了排风隔热窗的二维传热区域模型,采的对象,其中室内得热量Q。由两部分组成:室内太阳用数值计算的方法对其热工性能和节能效果进行研得热量Q及室内侧玻璃表面和室内空气之间温差形究,并与常规外窗进行比较。结果表面,采用该结构在成的得热Q,即Qa=Q+Q,结果如图6和7所示。冬/夏季均可以有效地降低玻璃室内侧表面和室内空图6表明采用常规外窗时,在夏季太阳辐射较大的情气的温差,提高了室内房间的热舒适性。相比于双层和况下,由于玻璃和室内遮阳百叶会吸收部分太阳辐射,3层中空玻璃,积得执量该结构分别减少会导致严重的热堆积,双层和3层中空玻璃的室内侧5.74MJ/m2和5中国煤化工散热量则可玻璃表面温度最高可达352℃和36℃。由于3层中减少302MJ/mCNMHG(下转第79页)黄金美,等:自然通风在绿色建筑中的应用升力,推动热气流上升,达到加强自然通风的目的。太4结语阳辐射强度增加,则太阳能烟囱的壁面热流密度增加良好、合理地利用自然通风,不仅从根本上实现了太阳能烟囱的壁面吸收的热量增大,其内外密度差越绿色建筑的基本理念——减少建筑能耗,还降低了对大,热压越大,“烟囱效应”越明显η。图4就是利用太阳环境的不良影响。实现绿色建筑的“人一建筑一自然能与自然通风相结合的实际工程案例。三者和谐共生,最终达到经济效益、社会效益和环境效益的统一,是实现建筑可持续发展战略的途径。自然通中庭排风窗风技术在绿色建筑中的应用应注意以下问题(1)因地制宜地利用自然通风。自然通风在不同地区应用时,应充分考虑当地环境及气候条件(2)自然通风与其他方式综合利用。自然通风可以和多种能源利用方式相结合,如太阳能烟囱、自然采光天井、地道风等,自然通风的效果明显得到提高,从而获得更大的经济及社会价值。图3中庭通风参考文献[]GB501892005,公共建筑节能设计标准[S][2]GB503782006绿色建筑评价标准S[3] ASHRAE62-1989,满足可接受室内空气品质的通风[S[4凌林自然通风热舒适探讨建筑节能2010.38(236):23-25[5彭小云自然通风与建筑节能[工业建筑,2007,37(3):5-9,阿吴利瑞潘康康陈步超某建筑中庭自然通风效果测定与评价建筑热能通风空调,2011,30():86-89[7]李安桂郝彩侠张海平太阳能烟囱强化自然通风实验研究[太阳I学报,2009,30(4)460-463图4建筑太阳能烟囱作者简介:黄金美(1984),女,云南人,毕业于天津大学,工程师,建筑环境与设备工程专业,从事建筑节能方向的研究( huangjinmeid07@163com)(上接第排风隔热窗可以有效利用低品位的室内空调排风,实6]徐新华双层皮通风围护结构的热特性模型研究综述门建筑节能,现排风热回收,大大地减少室内冷热负荷,降低空调能2013,41(1):38-43耗。本文仅针对排风隔热窗进行了简单的介绍并对其张冲夏热冬冷地区排风留能耗特性分时武汉华中科技大学012热工性能和节能效果进行了初步的研究,下一步还有 switchable airflow window [Cy/China: Proceedings of6 h International很多工作要做,包括将该结构外窗与传统的排风热回 Conference on Sustainable Development in Building and Environment2013收装置进行比较,以及影响因素的参数分析和结构上[9朱颖心建筑环境学[北京:中国建筑工业出版社,2005的优化等[1oJiru T E, Haghighat F. Modeling ventilated double skin facade-Azonal approach J). Energy and Buildings, 2008, 40(8): 1567-1576参考文献[1 IZanghirella F, Perino M, Serra V. A numerical model to evaluate the[IJASHRAE Handbook of Fundamentals [S). Chapter 15: Fenestration. thermal behaviour of active transparent facades []. Energy and BuildingsAmerican Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning 2011,43(5): 1123-1138[12JASHRAE Handbook of Fundamentals []. American Society of[2Jella B P, Hynd A, Gustavsen A, et al. Fenestration of today and Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. 1993tomorrow: A state-of-the-art review and future research opportunities [J ]. [13 Swinbank WC. Long-wave radiation from clear skies []. Quarterlyolar Energy Materials Solar Cells, 2012, 96: 1-25Journal of the Royal Meteorological Society, 1963, 89(381)-339-3483] Gosselin JR, Chen Y. a dual airflow window for indoor air qualityaprovement and energy conservation in buildings.HvAC&R作者简介:张冲(9),男,博土研究生,从事建筑围护结构节能技术方Research,2008,14(3):359-372向的研究( zhangchongahust. edu.cn)[]Chow T T, Li C Y, Liquid-filled solar glazing design for buoyar指导教师:王劲柏(1963),博士,教授,从事建筑节能及可再生能源利用water-flowJ]. Building and Environment, 2013, 60: 45-55方向的研究[S]朱求源徐新华朴在元内嵌管式围护结构的节能效果研究[建筑科徐新华中国煤化工及可再生能源利学,201127(12):100-103用、暖通空调模拟HaCNMHG