建筑排风隔热外窗热回收性能的实验研究

华中科技大学   张冲  王劲柏  刚文杰  杜前洲

       【摘  要】排风热回收装置被认为是减小新风能耗的有效手段，得到广泛应用。建筑排风隔热外窗通过利用排风的低品位能，直接降低外窗室内侧玻璃表面和室内空气之间的温差，从而减少外窗形成的室内冷热负荷，其在本质上也可视为一种排风热回收形式。因此，从空调排风利用的角度，需要对建筑排风隔热外窗的热回收性能进行全面的评价与分析。本文介绍排风隔热窗实验台架的搭建，以武汉地区夏季工况为例，开展其热特性的实验研究，通过实测数据分析排风隔热窗的热回收性能。

       【关键词】排风隔热窗，主动隔热，排风热回收，实验研究

0 引言

       外窗排风隔热技术是以降低外窗室内侧玻璃表面和室内空气间的温度差为主要目标，该结构外窗可称之为排风窗^[1]，其通常是由双层、或三层玻璃组成，其和传统多层中空玻璃窗的最大不同是在玻璃夹层间存在排风通道，使室内空调排风流经玻璃间的排风通道，在通道中低品位的空调排风与玻璃进行自然对流和强制对流换热，最终排向室外，从而使外窗室内表面温度十分接近于室内空气温度。排风窗可以利用室内空调排风的低品位能，直接降低外窗室内侧表面与室内空气之间的温度差，从而减少外窗负荷，提高室内的热舒适性。目前排风窗相关的研究工作，主要集中在研究其热工性能^[2]、能耗特性^[3]和结构优化^[4]，以武汉地区气候特点为例，研究结果表明，相比于普通双层和三层中空玻璃，排风窗分别可以减少73.5 %和71.9 %的夏季室内得热量和74 %和46.8 %的冬季室内散热量^[5]。

       本文研究的排风隔热窗是由三层玻璃、玻璃夹层间的空腔层以及内置可调节遮阳百叶构成，笔者针对该结构排风隔热窗开展了一些基础性的研究。文献[5]建立了排风隔热窗的二维非稳态传热模型，研究其传热过程和动态负荷特性，并与常规外窗进行比较，定量分析其节能效果。文献[6]从房间能耗的角度出发，计算和分析排风隔热窗的节能效果。文献[7]则建立了适用于简化计算的一维非稳态传热模型，并与二维模型计算结果进行比较，定量分析了一维简化模型的计算误差。

       排风隔热窗在本质上可视为一种排风热回收形式，因此，从空调排风利用的角度，需要对其热回收性能进行全面的评价与分析。本文搭建排风隔热窗实验台，对其夏季工况的热特性进行实验研究，采用排风进出口的温差和排风利用率，作为排风隔热窗的热回收性能的评价标准，分析不同室外空气温度和太阳辐射强度对该结构外窗热回收性能的影响。

1 排风隔热窗试验台的搭建

       1.1 实验平台设计

       本研究搭建了一个可移动的实验房间，其平面和外观示意图如图1所示。该实验平台由一个长为4000 mm，宽为2400 mm，高为3000 mm的环境小室构成，在环境小室内构建了两个测试房间，测试房间的尺寸为1550 mm×850 mm×2000 mm（长、宽、高）。本实验选择测试房间A作为绝热环境仓，进行排风隔热窗的热特性测试，测试房间只有安装外窗的墙面与室外环境相连传热，其余墙面和房顶都位于环境小室的大空间内部，实验过程中测试房间和环境小室内的空气温度均由同一空气处理系统进行控制，因此实验过程中可以将测试房间的内墙和屋顶看作绝热。

       实验过程中采用热泵空调器同时对测试房间和环境小室进行送风，使室内空气温度维持在设定值，各送风口的风量可以通过风阀进行调节。由于在测试房间A中进行排风隔热窗的热工性能实验，实验过程中始终关闭测试房间A的回风口，使该房间所有的空调送风，流经排风隔热窗最终排向室外。为了保证空气处理系统的风量平衡，在回风管道上引入新风管，将回风和新风进行混合，经空调处理后再次送入室内。

       本实验研究的排风隔热窗的结构原理如图2所示，实验所用的排风隔热窗的窗框由木材定做而成，不考虑窗框部分的玻璃尺寸，其宽为550 mm，高为850 mm，三层玻璃均为5 mm厚的普通白玻璃，密闭空腔和排风空腔的厚度均为40 mm。内置可调节遮阳百叶的叶片为白色不透明的铝合金材料，叶片材料的表面光学性能参数的选择，来源于WINDOW 7.4软件的材料数据库，前向和后向辐射发射率均为0.9，太阳辐射反射率和吸收率分别取为0.7和0.3。其中，叶片间距和叶片宽度均为25 mm，实验过程中叶片倾角始终保持为45°。

       1.2 实验测量与数据采集

       本实验温度测量选择Pt100铂电阻温度传感器，室外太阳辐射强度选择太阳辐射测量仪进行测量，而排风隔热窗的排风量则使用热线风速仪进行测量。实验中所使用的测量仪器性能参数如表1所示。本实验所有的温度测量数据均通过Agilent安捷伦34972A数据采集仪进行数据采集，而太阳辐射测量仪和热线风速仪均自带储存功能，实验结束后将数据传输电脑进行读取。实验过程中，安捷伦数据采集仪和太阳辐射测量仪以一分钟为时间间隔自动记录数据，由于空调的送风量较为稳定，故热线风速仪每隔十分钟采集一次数据。

       本实验的温度测量包括测试房间A的室内空气温度测量、室外环境空气温度、室内侧玻璃表面温度、排风隔热窗的进风口的温度、以及排风隔热窗的出风口的温度。测量排风隔热窗进风口和出风口的温度时，分别在进风口处和出风口处各设置2个温度传感器，减小风口的测量误差，如图3所示。实验过程中，测试房间A的空调回风口始终保持关闭，室内房门的结合处安装密封条，并用密封胶布将房门的边框进行密封，保证实验过程中测试房间A的气密性，此时则可认为，测试房间A的空调送风量等于流经排风隔热窗的排风量。因此，测得房间的空调送风量，即可得到排风隔热窗的排风量大小。

2 实验结果

       本实验在华中科技大学校园内进行，实验过程中排风隔热窗的朝向始终为西向，利用上述实验平台对排风隔热窗的热特性进行了连续48小时的测量，在实验开始之前，提前6小时开机，确保实验开始时室内处于稳定状态。

       图4为实验所实测的室外气象参数和室内空气温度的测量值。由图可知，第一天为阴天，第二天则为晴天，两天室外空气温度最高可达40.3 ℃，最低温度则为29.1 ℃，室外太阳辐射出现在6:00 am左右，由于是排风隔热窗为西向，太阳辐射强度在13:00之后开始显著增大，最大值为480 W/m2，空调的室内设定温度为24 ℃，由于空调启停的影响，室内空气温度存在小幅的波动。

       图5为两天实验所实测的排风隔热窗的排风入口温度和排风出口温度。排风隔热窗的排风入口温度接近于室内空气温度，排风出口温度则受室外气象参数和排风速度的影响。由图中结果可知，排风隔热窗的排风进出口温差的最大值接近13 ℃，出现在第一天实验的下午18时左右，而在夜间无太阳辐射时，两天实验所测得的排风进出口温差始终小于4 ℃。排风进出口的温差越大则表示排风的利用率越高，可带走更多传入室内的热量。

3 热回收性能分析

       本文以武汉地区夏季工况为例，利用实验台开展排风隔热窗的实验研究，实测不同室外气象参数时，排风隔热窗的排风进、出口温度值的变化情况，计算其排风利用率的大小，分析排风隔热窗的热回收性能。排风进出口温差越大，意味着排风带走更多的热量，则表示排风的利用率越高，更好地减少外窗形成的空调冷负荷。其中，排风利用率的评价方法参考常规热回收装置的显热热回收效率的计算公式。

       图6表示不同室外气象参数条件下排风进、出口温度差的实测结果。由图可知，在夜间无室外太阳辐射时，室内外温差的变化范围为4.9 ℃至9.5 ℃，对应的排风进出口温差则由1.4 ℃变化至3.8 ℃。在夜间随着室内外温度差的升高，排风隔热窗的排风进出口温差基本上呈线性逐渐增大；在白天存在室外太阳辐射时，由于内置遮阳百叶吸收大量太阳辐射热，将导致室外侧空腔内产生严重的热堆积，低温的排风气流则和遮阳百叶进行对流换热，可将堆积的热量反向带到室外，有效阻止堆积的热量进入室内，从而降低室内外窗得热，此时排风进出口温差的最大值可达12.6 ℃。图7表示不同室外气象参数条件下排风利用率的计算结果。在夜间无太阳辐射时，随着室内外温差的增大，排风利用率略微上升，其最大值为41.1 %；在白天，由于室外空气温度升高及太阳辐射的作用，太阳辐射的作用，排风利用率显著增大，当室外太阳辐射强度高于300 W/m2时，排风利用率基本上高于80 %。 

4 结果与讨论

       本文介绍排风隔热窗实验台的搭建，以武汉地区夏季气候特点为例，对排风隔热窗的热特性进行实验研究，实时测量排风隔热窗的排风进、出口温度值的变化情况，计算其排风利用率的大小，分析室外气象参数对排风隔热窗的热回收性能的影响。研究结果表明，在夜间无太阳辐射时，随室内外温差的升高，排风进出口温差和排风利用率的大小，基本上呈线性趋势增大，排风利用率的最大值为41.1%。当白天室外太阳辐射较大时，此时排风利用率显著提高，最大值可达89%。由此可知，在夏季工况，排风隔热窗的热回收性能受室外气象参数的影响较大，室外太阳辐射强度越大、室外空气温度越高时，该结构外窗的排风热回收效果越显著。除了室外气象参数之外，排风量的大小，遮阳百叶的叶片倾角，百叶表面反射率等因素，均会对排风隔热窗的热回收性能参数重要影响，相关问题值得进一步深入研究。

参考文献

       [1] ASHRAE. 2009 ASHRAE Handbook of Fundamentals[S]. Chapter 15: Fenestration. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, USA, 2009
       [2] Wang Yanjin, Chen Youming, Zhou Juan. Dynamic modeling of the ventilated double skin façade in hot summer and cold winter zone in China[J]. Building and Environment, 2016, 106: 365-377.
       [3] Takemasa Y, Togari S, Miura K, et al. Evaluation of calculation models for predicting thermal performance of various window systems[J]. ASHRAE Transactions, 2013, 119(1): 1-20.
       [4] Wei Jingshu, Zhao Jianing, Chen Qingyan. Optimal design for a dual airflow window for different climate regions in China[J]. Energy and Buildings, 2010, 42: 2200-2205.
       [5] Zhang Chong, Wang Jinbo, Xu Xinhua, et al. Modeling and thermal performance evaluation of a switchable triple glazing exhaust air window[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 92: 8-17.
       [6] Zhang Chong, Cheng Kuang, Wang Jinbo, et al. Numerical evaluation of heat recovery performance of a switchable exhaust air window[J]. Energy Procedia, 2016, 88: 738-741. 
       [7] Zhang Chong, Wang Jinbo, Xu Xinhua, et al. Development of a simplified model of the switchable exhaust air insulation window[C]. Proceeding of the 2014 ASHRAE/IBPSA-USA Building Simulation Conference, pp. 316-322. September 10-12 2014, Atlanta, USA.

       备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。