排風(fēng)隔熱窗的熱工性能分析

015年第1期總第43卷第287期建锍節能■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)境與能源應用工程系,武漢430074摘要:研究一種新型的建筑外窗結枃——排風(fēng)隔熱窗,其由3層普通白玻璃、內置的遮陽(yáng)百葉及玻璃之間的氣流空腔構成。排風(fēng)隔熱窗是將室內空調排風(fēng)通過(guò)玻璃間的氣流空腔排到室外,利用空調排風(fēng)低品位的冷量/熱量減少外窗在供冷/供熱季時(shí)形成的空調負荷,達到排風(fēng)熱回收的效果,同時(shí)它可以根據供冷/供熱季的不冋切換換其排風(fēng)通道。通過(guò)建立傳熱欻學(xué)模型,對該結構和2種常規外窗結枃在典型夏熱冬冷氣候條件下的節能效果進(jìn)行分析比較。結果表明,排風(fēng)隔熱窗可以有效地降低室內側玻璃表面與室內空氣之間的溫差,減少外窗形成的室內負荷,改善室內的熱舒適性關(guān)鍵詞:排風(fēng)隔熱窗;排風(fēng)熱回收;建筑節能;熱舒適性中圖分類(lèi)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代建筑的外窗節能技術(shù)通常是以降低傳熱系數,或是增加種設計趨勢,在提供充分的自然采光之外,能較好地滿(mǎn)太陽(yáng)輻射得熱的控制作為主要機制。其中低傳熱系數足建筑的美學(xué)需求。然而,外窗是建筑圍護結構中保溫的外窗技術(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,透明的玻璃結構在夏季還會(huì )造成等,而電致變色玻璃則是通過(guò)改變玻璃的光學(xué)特性,從大量的太陽(yáng)輻射得熱。大面積的外窗會(huì )使得空調系統而實(shí)現控制室內的太陽(yáng)輻射得熱。外窗的動(dòng)態(tài)隔熱技負荷大量增加而增大耗能叩。在多數建筑中,外窗導致術(shù)不同于上述的節能外窗,它是通過(guò)直接降低外窗的的傳熱損失約占外圍護結構總傳熱損失的60%左右四。室內側表面與室內空氣的溫度差,從而減少外窗形成因此,提高建筑外窗的熱工性能是實(shí)現建筑節能的重的負荷。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空氣品質(zhì)。水流窗、基金項目:國家白然科學(xué)基魚(yú)61383513高?；究苾惹豆苁絿o結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(lèi),都可CNMHG低圍護結構張沖,等:排風(fēng)隔熱窗的熱工性能分析表面與室內空氣的溫度差,減少空調負荷態(tài)(即雙層中空玻璃)起到隔熱的作用,此時(shí),排風(fēng)氣流排風(fēng)隔熱窗作為一種新型外窗動(dòng)態(tài)隔熱技術(shù),直接作用于室內側玻璃,使室內側玻璃表面溫度極為其由3層普通白玻璃、可調節的遮陽(yáng)百葉及玻璃之間接近室內空氣溫度,減少溫差造成的熱散失。冬季時(shí)的氣流空腔構成。該結構可以充分利用低品位的空調般不使用遮陽(yáng)百葉,讓太陽(yáng)輻射熱盡可能進(jìn)入室內排風(fēng)的冷/熱量減少外窗形成的空調負荷,達到排風(fēng)充分吸收熱能。當太陽(yáng)直射輻射較大時(shí),由于冬季的太熱回收的效果,同時(shí),可以有效提高室內的熱舒適性。陽(yáng)高度角較低,太陽(yáng)直射輻射不做任何遮擋直接進(jìn)入本文通過(guò)建立排風(fēng)隔熱窗的傳熱數學(xué)模型,利用數值室內(特別是南向),會(huì )對室內人員造成嚴重的眩暈計算的方法對其熱工性能及節能效果進(jìn)行研究,并與此時(shí),則調整遮陽(yáng)百葉防止眩暈的發(fā)生,遮陽(yáng)百葉吸收2種常規的外窗結構進(jìn)行分析比較。的太陽(yáng)輻射熱,使排風(fēng)氣流的溫度升高,因此,可以進(jìn)1排風(fēng)隔熱窗的結構及隔熱機制步提高室內側玻璃表面溫度。新型內置遮陽(yáng)的排風(fēng)隔熱窗的構造如圖1所示,2數值計算傳熱模型它是由3層6mm透明白玻璃,2個(gè)15mm的氣流空2.1傳熱數學(xué)模型腔和可調節的遮陽(yáng)百葉構成,根據冬夏季需求不同其采用區域模型法對排風(fēng)隔熱窗進(jìn)行離散,根據能可以切換運行模式,以達到最佳的隔熱效果。這種結構量守恒原理,分別建立各離散子區域的能量平衡方程。外窗的保溫隔熱機制為:利用杋械排風(fēng)風(fēng)杋或是空調很多學(xué)者采用區域模型法硏究外窗的熱工性能,并用新風(fēng)機提供的室內正壓,讓空調排風(fēng)流經(jīng)玻璃夾層間實(shí)驗結果驗證其可靠性。忽略沿玻璃長(cháng)度方向的傳的氣流空腔最終排向室外,此時(shí)排風(fēng)氣流可以將以導熱,將排風(fēng)隔熱窗的三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維傳熱問(wèn)題。以熱形式傳向室內的熱量(冬季為冷量)反向帶出至室外,夏季模式為例,將該外窗結構劃分為3層玻璃、遮陽(yáng)百從而使得室內側玻璃表面的溫度極為接近室內的空氣葉、排風(fēng)空腔和封閉空腔6層結構來(lái)研究,同時(shí),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將這6層結構平均離散成n個(gè)控制排風(fēng)氣流通道和遮陽(yáng)百葉位置的不同,兩種模式下進(jìn)區域,如圖2所示。忽略排風(fēng)空腔層之外,其他結構層風(fēng)口和排風(fēng)口的位置保持不變。不同控制區域之間延垂直方向的傳熱,各子區域的溫夏季模式切換構件冬季模式度用中心節點(diǎn)溫度表示。排風(fēng)出口排風(fēng)空腔密閉空腔Section1TT·TSection2raT72·TT2·T·T陽(yáng)百葉SectionjT, T·r·TT·T7室內室外室內Section n-1T·T!T·TnT過(guò)濾裝置Section n Tm .Te-TM·TTh.·T·Thx玻璃遮陽(yáng)百葉玻璃排風(fēng)入口切換構件圖2排風(fēng)隔熱窗的區域模型示意圖圖1排風(fēng)隔熱窗的結構示意圖在同一區域內,各子區域之間可以建立6個(gè)能量夏季模式時(shí):排風(fēng)氣流和遮陽(yáng)百葉位于室外側的平衡方程。以第j層區域為例,熱傳遞示意圖如圖3所玻璃夾層之間,此時(shí),室內側的玻璃夾層處于封閉狀態(tài)示,考慮了各結構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(yáng)百葉的太陽(yáng)輻射得熱、各結構層之間的長(cháng)波輻射室內外導熱形式的熱量傳遞,同時(shí),內置的遮陽(yáng)百葉可以阻止太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內,減少室內太陽(yáng)輻射得熱。遮室內陽(yáng)百葉吸收大量的太陽(yáng)輻射熱后,會(huì )造成嚴重熱堆積QT現象,此時(shí)室內側的雙層中空玻璃可以阻止太陽(yáng)輻射得熱傳遞進(jìn)入室內,同時(shí),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(shí):排風(fēng)氣流和遮陽(yáng)百葉切換至室內側中國煤化工的玻璃夾層之間,此時(shí),室外側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、玻璃內外表面與室內外環(huán)境之間的長(cháng)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(yáng)百葉熱容的影響。第j層各子區域的能量平衡方程如下:hight +Taa +Ta室外側玻璃: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 Swinbank模型計算得到:遮陽(yáng)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層中空玻璃加內遮陽(yáng)的結構作為比較對室內側玻璃象,3種窗的結構如表2所示。計算中所需的各個(gè)玻璃h(T-7+)+ha(Ty-7+)+ha(Tm-7+)+h(Tm-7+)+Q0(4)系統的光學(xué)參數,如太陽(yáng)光透射率和吸收率,均是通過(guò)排風(fēng)氣流空腔:WINDOW軟件計算所得。排風(fēng)隔熱窗的區域模型中有hn(Tl-Tn)+ha(7y7-)+2h(T2-T)pVca(T7)=0(5)60個(gè)節點(diǎn)的能量平衡方程,求解過(guò)程較為復雜,故使封閉空氣腔用 Matlab軟件進(jìn)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表23種外窗的結構組成T為室外空氣溫度玻璃系統結構/mm遮陽(yáng)位置T為室內空氣溫度排風(fēng)隔熱窗6+15A+6+15A+6玻璃間內置遮陽(yáng)百葉3層中空玻璃6+12A+6+12A+6內遮陽(yáng)ρ為排風(fēng)空腔中氣流的密度雙層中空玻璃6+12A+6內遮陽(yáng)V為排風(fēng)氣流的流量Cm為排風(fēng)氣流的比熱。各區域中的6個(gè)能量平衡方程有6個(gè)溫度的未知3排風(fēng)隔熱窗與常規外窗的比較量,本研究沿高度方向將排風(fēng)隔熱窗劃分為10個(gè)區選擇武漢作為夏熱冬冷地區的代表城市,武漢室域,故總共有60個(gè)溫度的未知量需要求解。外氣象參數來(lái)源于中國建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數據2.2傳熱系數集的典型氣象年數據。本文計算了3種外窗結構在冬能量平衡方程中各表面對流換熱系數的計算方夏季工況條件下,1天24b的熱工性能,計算時(shí)假設室法,如表1所示1,其中排風(fēng)空腔和密閉空腔各自?xún)蓛鹊闹醒肟照{系統24h連續運行,且冬季室內空氣溫側壁面的對流換熱系數相等。各結構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)速射換熱系數均采用等效輻射換熱系數,計算方法如下率維持在0.5ms。模擬時(shí)忽略遮陽(yáng)百葉的逐時(shí)調節,假設夏季時(shí)一直使用百葉遮擋太陽(yáng)輻射,用于減hn=o(r2+rx)xr2+7,)(1+1-1)(7)少室內太陽(yáng)得熱,冬季時(shí)則不使用百葉,提高室內太陽(yáng)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)隔熱窗冬季的節能特性時(shí),以北向為例,選擇室內側玻璃表面溫度和室內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,其中室內散熱量Q由兩部分組成:室內太陽(yáng)σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數。得熱量Q。及室內側玻璃表面和室內空氣之間溫差形玻璃表面和室外環(huán)境及室內表面的輻射換熱系成的熱散失Q。,即Qm=QQ,結果如圖4和5所數為示。圖4表明采用排風(fēng)隔熱窗時(shí),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高室內側玻璃的表面溫度,相比于雙層中空玻璃平均換熱表面對流換熱系數/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了室內的空調熱負荷,并且可以有效地減少冬季外窗遮陽(yáng)百葉Nuy=0.51Res Pr37對室內人員的冷輻射作用,提高室內房間的熱舒適性玻璃室外側h=8.23+3.3xm-0.036圖5為3種結構內諑時(shí)嵩抉量,散熱量玻璃室內側h=5.34為正值時(shí)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(shí)則CNMHG,太陽(yáng)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,降低了室內的熱負荷?？詹ＡУ奶?yáng)吸收率高于雙層結構,故在太陽(yáng)輻射較圖5表明采用排風(fēng)隔熱窗時(shí),在冬季夜間可以有效地大時(shí),其室內側玻璃表面溫度會(huì )高于雙層結構,而由于減少室內的散熱量,而在冬季白天太陽(yáng)輻射增加時(shí),可其隔熱性能較好,在夜間則始終低于雙層結構。采用排以形成更多的室內得熱。從表3可知,排風(fēng)隔熱窗冬季風(fēng)隔熱窗時(shí),可利用室內排風(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(yáng)百葉和玻璃所吸收的太陽(yáng)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(guò)外窗進(jìn)入室內,室內側玻璃風(fēng)隔熱窗的使用可以顯著(zhù)地降低室內熱負荷,節能潛表面的最高溫度僅為27.6℃,遠遠低于常規的外窗。力明顯。圖7表明采用排風(fēng)隔熱窗時(shí),在夏季可以有效地減少通過(guò)外窗形成的室內得熱,降低室內的空調冷負荷,同時(shí)該結構室內的逐時(shí)得熱量隨室外環(huán)境變化的波動(dòng)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層外窗結構略低于雙層結構為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冷負荷排風(fēng)南熱窗降低空調能耗,而且可以顯著(zhù)消除室內冷負荷隨室外雙層屮坡璃環(huán)境變化的波動(dòng),減小空調設計冷負荷。士3層巾空玻璃時(shí)間h吾掛風(fēng)熱密圖43種結構外窗冬季玻璃內表面溫度的對比g353:甲空璃眾S0ד*義25扦風(fēng)陶熱窗村間h圖63種結構外窗夏季玻璃內表面溫度的對比時(shí)間/h貝隔圖53種結構外窗冬季室內散熱量的對比層型瑞表33種結構外窗1d的累積換熱量玻璃系統雙層中空玻璃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當的熱量(MJ/m2)間h3.2夏季工況的分析比較圖73種結構外窗夏季室內得熱量的對比在分析排風(fēng)隔熱窗夏季的節能特性時(shí),以南向為4結論例,選擇室內側玻璃表面溫度和室內得熱量作為比較本文建立了排風(fēng)隔熱窗的二維傳熱區域模型,采的對象,其中室內得熱量Q。由兩部分組成:室內太陽(yáng)用數值計算的方法對其熱工性能和節能效果進(jìn)行研得熱量Q及室內側玻璃表面和室內空氣之間溫差形究,并與常規外窗進(jìn)行比較。結果表面,采用該結構在成的得熱Q,即Qa=Q+Q,結果如圖6和7所示。冬/夏季均可以有效地降低玻璃室內側表面和室內空圖6表明采用常規外窗時(shí),在夏季太陽(yáng)輻射較大的情氣的溫差,提高了室內房間的熱舒適性。相比于雙層和況下,由于玻璃和室內遮陽(yáng)百葉會(huì )吸收部分太陽(yáng)輻射,3層中空玻璃,積得執量該結構分別減少會(huì )導致嚴重的熱堆積,雙層和3層中空玻璃的室內側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(下轉第79頁(yè))黃金美,等:自然通風(fēng)在綠色建筑中的應用升力,推動(dòng)熱氣流上升,達到加強自然通風(fēng)的目的。太4結語(yǔ)陽(yáng)輻射強度增加,則太陽(yáng)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(shí)現了太陽(yáng)能煙囪的壁面吸收的熱量增大,其內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”越明顯η。圖4就是利用太陽(yáng)環(huán)境的不良影響。實(shí)現綠色建筑的“人一建筑一自然能與自然通風(fēng)相結合的實(shí)際工程案例。三者和諧共生,最終達到經(jīng)濟效益、社會(huì )效益和環(huán)境效益的統一,是實(shí)現建筑可持續發(fā)展戰略的途徑。自然通中庭排風(fēng)窗風(fēng)技術(shù)在綠色建筑中的應用應注意以下問(wèn)題(1)因地制宜地利用自然通風(fēng)。自然通風(fēng)在不同地區應用時(shí),應充分考慮當地環(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合,如太陽(yáng)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(huì )價(jià)值。圖3中庭通風(fēng)參考文獻[]GB501892005,公共建筑節能設計標準[S][2]GB503782006綠色建筑評價(jià)標準S[3] 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