張 璐，劉 燦

(1.成都紡織高等?？茖W(xué)校 智能建造與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611731； 2.西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039)

0 前 言

液流窗[1]是一種以液體為工作介質(zhì)的多層窗體系統(tǒng)。如圖1所示，該窗體系統(tǒng)由兩層玻璃形成封閉空腔，空腔中充滿液體集熱介質(zhì)?？涨恢械募療峤橘|(zhì)吸收熱量后向上流動，在窗體頂部的套管換熱器中將熱量釋放給低溫供水，以輸出預(yù)熱水供衛(wèi)生熱水系統(tǒng)使用。由于集熱介質(zhì)的吸熱，導(dǎo)致通過窗體向室內(nèi)的傳熱大幅降低。因此，該技術(shù)的節(jié)能效益體現(xiàn)在兩個方面：①降低空調(diào)負(fù)荷；②降低衛(wèi)生熱水系統(tǒng)能耗。在具有冬季采暖需求的地區(qū)，可以通過添加防凍液的方式來降低空腔中集熱介質(zhì)的凝固點[2]，也可以向窗體供應(yīng)低溫?zé)崴甗3-4]，從而保證系統(tǒng)的安全高效運行。

圖1 液流窗結(jié)構(gòu)簡圖

已有大量研究完成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)熱性能受氣象參數(shù)[5]，結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]，玻璃特性[7-8]及運行參數(shù)等的影響[9-11]。在太陽輻照水平和環(huán)境溫度較高時，該窗體的使用有助于更好地削減通過窗體的室內(nèi)得熱并提升熱水系統(tǒng)的集熱能力[5]。采用吸收式玻璃還可以進(jìn)一步強化系統(tǒng)的空調(diào)節(jié)能效果[5]。通過相變蓄熱還可以有效延長該系統(tǒng)的熱水供應(yīng)[12]。上述研究大都將窗體作為一個獨立構(gòu)件，以窗體的集熱量和通過窗體的傳熱量為性能評價指標(biāo)，評估環(huán)境、設(shè)計及運行參數(shù)對窗體的熱性能的影響。而針對其在典型實際建筑應(yīng)用中，對建筑運行能耗的影響研究鮮有提及。然而，在實際建筑中，通過窗體的傳熱只是構(gòu)成建筑冷熱負(fù)荷的一部分，建筑冷熱負(fù)荷以及運行能耗還會受到通過墻體、屋面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱以及內(nèi)部熱源的影響。因此，本文基于某綜合體育館，全面考慮外部傳熱以及建筑實際運行過程中的內(nèi)熱源，開展能耗模擬，以探究該液流窗的應(yīng)用節(jié)能潛力。

在針對液流窗的熱性能分析和優(yōu)化研究中，主要采用了試驗研究和數(shù)值模擬的方法。窗體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和運行參數(shù)的優(yōu)化是利用FORTRAN編程完成的，并利用實驗數(shù)據(jù)完成了模型和模擬計算的準(zhǔn)確性驗證。本文利用ESP-r數(shù)值模擬平臺，完成了基于典型綜合體育館的能耗模擬研究，探討該液流窗(LFW)相比于普通隔熱雙層窗的應(yīng)用節(jié)能優(yōu)勢。

1 玻璃窗結(jié)構(gòu)特性

由Low-E玻璃和普通白玻復(fù)合而成的隔熱雙層窗(IGU)在建筑市場上得到了廣泛應(yīng)用，因此，本文選取這種IGU窗體系統(tǒng)作為對照案例，來分析液流窗在建筑應(yīng)用中的節(jié)能優(yōu)勢。液流窗與IGU窗體系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，其中C代表普通白玻，A代表吸收式玻璃。IGU窗體由兩層6 mm厚的玻璃和其間12 mm厚的密封空氣層組成；液流窗中為了保障玻璃有足夠的承壓能力，所采用的玻璃厚度為12 mm，液體空腔采用了推薦厚度20 mm[6]。液流窗所攜帶套管換熱器的外管和內(nèi)管直徑分別為30 mm和20 mm。模擬計算中，考慮了吸收式玻璃和IGU的光學(xué)性能隨入射角的變化，其在直射條件下的光學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 液流窗和IGU的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 吸收式玻璃和IGU的光學(xué)性能參數(shù)

2 建筑能耗模擬方案

本文假設(shè)窗體系統(tǒng)應(yīng)用在圖2所示的綜合體育館中，利用ESP-r數(shù)值模擬平臺進(jìn)行全年能耗模擬，以分析液流窗的應(yīng)用節(jié)能優(yōu)勢。利用ESP-r開展液流窗性能模擬研究的可靠性驗證在發(fā)表的論文中已有提及[13]。各功能房間的豎直壁面和屋頂均安裝有窗體，其中更衣間和機房未安裝窗體，因此未納入能耗模擬計算。研究考慮不同的氣候特點，選取了香港和北京兩個地區(qū)開展模擬計算，香港的氣候特點為制冷主導(dǎo)；而北京為冷暖交替的氣候，夏季需要制冷，冬季需要采暖。在香港的應(yīng)用中，所采用的液體集熱介質(zhì)為水，而由于北京冬季的氣溫較低，所采用的集熱介質(zhì)是丙二醇溶液以保障系統(tǒng)安全運行。使用丙二醇溶液會導(dǎo)致窗體的節(jié)能效果略有降低;然而，在冬季所獲得的太陽得熱依然能極大地促進(jìn)熱水系統(tǒng)節(jié)能[2]。在換熱器中的供水來自市政給水，假設(shè)其溫度與室溫相同，北京冬季室溫低于10°C時，供水溫度設(shè)定為10°C。室內(nèi)溫度設(shè)定值夏季取21°C，冬季取25°C。以通過窗體的太陽得熱量，建筑冷熱負(fù)荷，以及綜合耗電量作為性能評價指標(biāo)開展節(jié)能性分析。

圖2 綜合體育館功能房間分布

3 結(jié)果討論

3.1 房間全年太陽透射得熱量分析

各功能房間全年的太陽透射得熱量如圖3所示。由圖3可見，采用液流窗后，各功能房間的太陽得熱量得到了有效降低，在香港和北京的氣候條件下均是如此。室內(nèi)太陽得熱量的降幅均大于70%。其中，籃球場的太陽得熱量遠(yuǎn)大于其他建筑物，這是由于籃球場的面積比較大，加之有大面積和頂部天窗和朝向向南的窗戶。

此外，建筑物的冷熱負(fù)荷也會受到窗體傳熱性能的影響。

圖3 室內(nèi)太陽得熱量對比

3.2 房間全年冷負(fù)荷分析

圖4所示為各功能房間全年的冷負(fù)荷對比。建筑冷負(fù)荷除了受直接的太陽透射影響之外，還受到從圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入的熱量以及照明設(shè)備和人員散熱等室內(nèi)熱源的影響。使用液流窗的優(yōu)勢在于：一方面集熱介質(zhì)會吸收太陽熱，從而減少直接的太陽透射傳熱量；另一方面，集熱介質(zhì)會通過相鄰的玻璃從室內(nèi)外空間吸熱并將熱量轉(zhuǎn)移，可以進(jìn)一步降低室內(nèi)冷負(fù)荷。

圖4 各功能房間全年冷負(fù)荷對比

由圖4可見，北京的冷負(fù)荷要低于香港，這是由它不同的氣候特點所導(dǎo)致的。在大多數(shù)的功能房間中，液流窗的使用使得建筑物室內(nèi)冷負(fù)荷得到了一定程度的降低。在香港，大廳、餐廳、健身房和辦公室的冷負(fù)荷分別降低了1.8%、13.4%、8.36%和6.8%。這一降幅在北京更為明顯，分別為12.11%、19.2%、16.86%和19.94%。其主要原因是北京的太陽輻照較強，導(dǎo)致集熱介質(zhì)的流速也會更高。相比于其他房間，在餐廳中使用液流窗對于冷負(fù)荷降低的效果更為明顯，這主要是由于餐廳的內(nèi)部熱源較大，而液流窗中集熱介質(zhì)透過內(nèi)側(cè)玻璃從室內(nèi)吸熱促進(jìn)了冷負(fù)荷的降低。

但是，在游泳館和羽毛球館的應(yīng)用中，采用液流窗和IGU的建筑冷負(fù)荷差別較小。這主要是由于這兩個房間的窗戶朝向為北向，所接收到的太陽輻射能較少，導(dǎo)致集熱介質(zhì)的流速和集熱能力降低。當(dāng)流速非常低時，由于液體介質(zhì)較好的導(dǎo)熱性能，甚至?xí)?dǎo)致室內(nèi)外的傳熱量增加。采用液流窗后，整個體育館的冷負(fù)荷降低量在北京和香港分別為13 502 kW·h和17 236 kW·h。

3.3 房間全年熱負(fù)荷分析

液流窗中集熱介質(zhì)的吸熱會導(dǎo)致相鄰玻璃表面溫度降低。對于夏季工況，可以有效降低冷負(fù)荷，而在冬季工況下卻會導(dǎo)致通過窗戶的室內(nèi)得熱降低，采暖負(fù)荷增加。

圖5所示為各功能房間全年熱負(fù)荷的對比。液流窗的使用，導(dǎo)致了各功能房間熱負(fù)荷的上升。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，辦公室的熱負(fù)荷要遠(yuǎn)小于其他房間，這主要是由于辦公室的運行時間短且且在工作時段有持續(xù)的內(nèi)熱源。在冬季氣溫較低的北京，建筑物的采暖負(fù)荷要遠(yuǎn)大于香港。同時，液流窗的使用所帶來的熱負(fù)荷的增量也要大于香港地區(qū)。其原因是北京冬季的氣溫較低，因此集熱介質(zhì)會從室內(nèi)空間吸取部分熱量。該體育館的全年熱負(fù)荷的增量在香港和北京分別為1 825 kW·h和42 345 kW·h。

圖5 各功能房間全年熱負(fù)荷對比

3.4 冷水得熱量分析

液流窗的應(yīng)用除了會對建筑物的冷熱負(fù)荷產(chǎn)生影響外，供入換熱器的冷水被加熱后還會有低溫?zé)崴敵?。該體育場各功能房間全年運行的冷水得熱量見表3。冷水的得熱量一方面來自于太陽熱，還有一部分是從相鄰玻璃的對流吸熱。對于北向的房間，如游泳館和羽毛球館，照射到玻璃表面的太陽輻射量小，導(dǎo)致集熱介質(zhì)的流速較低。此時，水流得熱量主要受太陽輻照水平的影響。由于北京的平均輻照水平要高于香港，這些房間對應(yīng)的水流得熱量要遠(yuǎn)大于香港?；@球館的應(yīng)用中，北京的得熱量也略大，這也與其大面積的北向窗戶及偏北天窗有關(guān)。但是對于朝南布置的餐廳、健身房以及辦公室，香港的水流得熱量要略大于北京。這是由于南向窗戶中，在太陽輻射熱和對流得熱的雙重作用下，集熱介質(zhì)的流速較大，因而集熱介質(zhì)對流得熱的影響就變得更為顯著。由于香港的氣溫較高，從而可以獲得更大的得熱量。

表3 各功能房間全年冷水得熱量 單位：kW·h

3.5 小 結(jié)

綜上，液流窗的應(yīng)用有助于降低建筑冷負(fù)荷，并促進(jìn)空調(diào)和衛(wèi)生熱水系統(tǒng)節(jié)能。但是，卻會同時導(dǎo)致建筑物熱負(fù)荷的上升以及采暖能耗增加。為了綜合評估其節(jié)能效果，本文考慮空調(diào)系統(tǒng)制冷節(jié)能量、采暖能耗增量以及熱水系統(tǒng)的節(jié)能量，計算應(yīng)用液流窗的綜合節(jié)能量。其中，空調(diào)系統(tǒng)的制冷和采暖COP分別取3.5和4.5，熱水系統(tǒng)的能效取0.9。計算所得的結(jié)果見表4。由于液流窗的使用所導(dǎo)致的節(jié)能量用正值表示，而由之引起的能耗增量用負(fù)值表示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相比于使用IGU窗體，采用液流窗可以促進(jìn)建筑運行節(jié)能，這主要是由熱水系統(tǒng)的節(jié)能所帶來的。在輻照水平較強的北京，應(yīng)用液流窗所取得的節(jié)能效果更為顯著。

表4 液流窗應(yīng)用的綜合節(jié)能量 單位：kW·h

4 結(jié) 論

1)液流窗的采用可以極大地減少室內(nèi)太陽透射得熱，同時集熱介質(zhì)的吸熱可以進(jìn)一步降低室內(nèi)的對流得熱，從而促進(jìn)空調(diào)制冷能耗降低。節(jié)能效果會受太陽輻照水平和熱源強度的影響，在太陽輻照強度和熱源強度較大的情況下，可以獲得更好的節(jié)能效果。

2)同時，由于液流窗中集熱介質(zhì)的吸熱，會造成采暖時段熱負(fù)荷的上升。特別是在采暖需求較大的地區(qū)。而對于制冷主導(dǎo)的氣候環(huán)境，這一影響較小。

3)使用液流窗可以同時實現(xiàn)太陽能集熱功能，其集熱能力受太陽輻照強度和環(huán)境溫度的影響，輻照強度越大，環(huán)境溫度越高，相應(yīng)地集熱能力越強。綜合而言，相比于IGU，液流窗的使用有助于促進(jìn)建筑節(jié)能，這主要得益于液流窗可以有效吸收太陽熱來輸出預(yù)熱水。

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