華中科技大學   張沖  王勁柏  剛文杰  杜前洲

       【摘  要】排風熱回收裝置被認為是減小新風能耗的有效手段，得到廣泛應用。建筑排風隔熱外窗通過利用排風的低品位能，直接降低外窗室內側玻璃表面和室內空氣之間的溫差，從而減少外窗形成的室內冷熱負荷，其在本質上也可視為一種排風熱回收形式。因此，從空調排風利用的角度，需要對建筑排風隔熱外窗的熱回收性能進行全面的評價與分析。本文介紹排風隔熱窗實驗臺架的搭建，以武漢地區夏季工況為例，開展其熱特性的實驗研究，通過實測數據分析排風隔熱窗的熱回收性能。

       【關鍵詞】排風隔熱窗，主動隔熱，排風熱回收，實驗研究

0 引言

       外窗排風隔熱技術是以降低外窗室內側玻璃表面和室內空氣間的溫度差為主要目標，該結構外窗可稱之為排風窗^[1]，其通常是由雙層、或三層玻璃組成，其和傳統多層中空玻璃窗的最大不同是在玻璃夾層間存在排風通道，使室內空調排風流經玻璃間的排風通道，在通道中低品位的空調排風與玻璃進行自然對流和強制對流換熱，最終排向室外，從而使外窗室內表面溫度十分接近于室內空氣溫度。排風窗可以利用室內空調排風的低品位能，直接降低外窗室內側表面與室內空氣之間的溫度差，從而減少外窗負荷，提高室內的熱舒適性。目前排風窗相關的研究工作，主要集中在研究其熱工性能^[2]、能耗特性^[3]和結構優化^[4]，以武漢地區氣候特點為例，研究結果表明，相比于普通雙層和三層中空玻璃，排風窗分別可以減少73.5 %和71.9 %的夏季室內得熱量和74 %和46.8 %的冬季室內散熱量^[5]。

       本文研究的排風隔熱窗是由三層玻璃、玻璃夾層間的空腔層以及內置可調節遮陽百葉構成，筆者針對該結構排風隔熱窗開展了一些基礎性的研究。文獻[5]建立了排風隔熱窗的二維非穩態傳熱模型，研究其傳熱過程和動態負荷特性，并與常規外窗進行比較，定量分析其節能效果。文獻[6]從房間能耗的角度出發，計算和分析排風隔熱窗的節能效果。文獻[7]則建立了適用于簡化計算的一維非穩態傳熱模型，并與二維模型計算結果進行比較，定量分析了一維簡化模型的計算誤差。

       排風隔熱窗在本質上可視為一種排風熱回收形式，因此，從空調排風利用的角度，需要對其熱回收性能進行全面的評價與分析。本文搭建排風隔熱窗實驗臺，對其夏季工況的熱特性進行實驗研究，采用排風進出口的溫差和排風利用率，作為排風隔熱窗的熱回收性能的評價標準，分析不同室外空氣溫度和太陽輻射強度對該結構外窗熱回收性能的影響。

1 排風隔熱窗試驗臺的搭建

       1.1 實驗平臺設計

       本研究搭建了一個可移動的實驗房間，其平面和外觀示意圖如圖1所示。該實驗平臺由一個長為4000 mm，寬為2400 mm，高為3000 mm的環境小室構成，在環境小室內構建了兩個測試房間，測試房間的尺寸為1550 mm×850 mm×2000 mm（長、寬、高）。本實驗選擇測試房間A作為絕熱環境倉，進行排風隔熱窗的熱特性測試，測試房間只有安裝外窗的墻面與室外環境相連傳熱，其余墻面和房頂都位于環境小室的大空間內部，實驗過程中測試房間和環境小室內的空氣溫度均由同一空氣處理系統進行控制，因此實驗過程中可以將測試房間的內墻和屋頂看作絕熱。

       實驗過程中采用熱泵空調器同時對測試房間和環境小室進行送風，使室內空氣溫度維持在設定值，各送風口的風量可以通過風閥進行調節。由于在測試房間A中進行排風隔熱窗的熱工性能實驗，實驗過程中始終關閉測試房間A的回風口，使該房間所有的空調送風，流經排風隔熱窗最終排向室外。為了保證空氣處理系統的風量平衡，在回風管道上引入新風管，將回風和新風進行混合，經空調處理后再次送入室內。

       本實驗研究的排風隔熱窗的結構原理如圖2所示，實驗所用的排風隔熱窗的窗框由木材定做而成，不考慮窗框部分的玻璃尺寸，其寬為550 mm，高為850 mm，三層玻璃均為5 mm厚的普通白玻璃，密閉空腔和排風空腔的厚度均為40 mm。內置可調節遮陽百葉的葉片為白色不透明的鋁合金材料，葉片材料的表面光學性能參數的選擇，來源于WINDOW 7.4軟件的材料數據庫，前向和后向輻射發射率均為0.9，太陽輻射反射率和吸收率分別取為0.7和0.3。其中，葉片間距和葉片寬度均為25 mm，實驗過程中葉片傾角始終保持為45°。

       1.2 實驗測量與數據采集

       本實驗溫度測量選擇Pt100鉑電阻溫度傳感器，室外太陽輻射強度選擇太陽輻射測量儀進行測量，而排風隔熱窗的排風量則使用熱線風速儀進行測量。實驗中所使用的測量儀器性能參數如表1所示。本實驗所有的溫度測量數據均通過Agilent安捷倫34972A數據采集儀進行數據采集，而太陽輻射測量儀和熱線風速儀均自帶儲存功能，實驗結束后將數據傳輸電腦進行讀取。實驗過程中，安捷倫數據采集儀和太陽輻射測量儀以一分鐘為時間間隔自動記錄數據，由于空調的送風量較為穩定，故熱線風速儀每隔十分鐘采集一次數據。

       本實驗的溫度測量包括測試房間A的室內空氣溫度測量、室外環境空氣溫度、室內側玻璃表面溫度、排風隔熱窗的進風口的溫度、以及排風隔熱窗的出風口的溫度。測量排風隔熱窗進風口和出風口的溫度時，分別在進風口處和出風口處各設置2個溫度傳感器，減小風口的測量誤差，如圖3所示。實驗過程中，測試房間A的空調回風口始終保持關閉，室內房門的結合處安裝密封條，并用密封膠布將房門的邊框進行密封，保證實驗過程中測試房間A的氣密性，此時則可認為，測試房間A的空調送風量等于流經排風隔熱窗的排風量。因此，測得房間的空調送風量，即可得到排風隔熱窗的排風量大小。

2 實驗結果

       本實驗在華中科技大學校園內進行，實驗過程中排風隔熱窗的朝向始終為西向，利用上述實驗平臺對排風隔熱窗的熱特性進行了連續48小時的測量，在實驗開始之前，提前6小時開機，確保實驗開始時室內處于穩定狀態。

       圖4為實驗所實測的室外氣象參數和室內空氣溫度的測量值。由圖可知，第一天為陰天，第二天則為晴天，兩天室外空氣溫度最高可達40.3 ℃，最低溫度則為29.1 ℃，室外太陽輻射出現在6:00 am左右，由于是排風隔熱窗為西向，太陽輻射強度在13:00之后開始顯著增大，最大值為480 W/m2，空調的室內設定溫度為24 ℃，由于空調啟停的影響，室內空氣溫度存在小幅的波動。

       圖5為兩天實驗所實測的排風隔熱窗的排風入口溫度和排風出口溫度。排風隔熱窗的排風入口溫度接近于室內空氣溫度，排風出口溫度則受室外氣象參數和排風速度的影響。由圖中結果可知，排風隔熱窗的排風進出口溫差的最大值接近13 ℃，出現在第一天實驗的下午18時左右，而在夜間無太陽輻射時，兩天實驗所測得的排風進出口溫差始終小于4 ℃。排風進出口的溫差越大則表示排風的利用率越高，可帶走更多傳入室內的熱量。

3 熱回收性能分析

       本文以武漢地區夏季工況為例，利用實驗臺開展排風隔熱窗的實驗研究，實測不同室外氣象參數時，排風隔熱窗的排風進、出口溫度值的變化情況，計算其排風利用率的大小，分析排風隔熱窗的熱回收性能。排風進出口溫差越大，意味著排風帶走更多的熱量，則表示排風的利用率越高，更好地減少外窗形成的空調冷負荷。其中，排風利用率的評價方法參考常規熱回收裝置的顯熱熱回收效率的計算公式。

       圖6表示不同室外氣象參數條件下排風進、出口溫度差的實測結果。由圖可知，在夜間無室外太陽輻射時，室內外溫差的變化范圍為4.9 ℃至9.5 ℃，對應的排風進出口溫差則由1.4 ℃變化至3.8 ℃。在夜間隨著室內外溫度差的升高，排風隔熱窗的排風進出口溫差基本上呈線性逐漸增大；在白天存在室外太陽輻射時，由于內置遮陽百葉吸收大量太陽輻射熱，將導致室外側空腔內產生嚴重的熱堆積，低溫的排風氣流則和遮陽百葉進行對流換熱，可將堆積的熱量反向帶到室外，有效阻止堆積的熱量進入室內，從而降低室內外窗得熱，此時排風進出口溫差的最大值可達12.6 ℃。圖7表示不同室外氣象參數條件下排風利用率的計算結果。在夜間無太陽輻射時，隨著室內外溫差的增大，排風利用率略微上升，其最大值為41.1 %；在白天，由于室外空氣溫度升高及太陽輻射的作用，太陽輻射的作用，排風利用率顯著增大，當室外太陽輻射強度高于300 W/m2時，排風利用率基本上高于80 %。 

4 結果與討論

       本文介紹排風隔熱窗實驗臺的搭建，以武漢地區夏季氣候特點為例，對排風隔熱窗的熱特性進行實驗研究，實時測量排風隔熱窗的排風進、出口溫度值的變化情況，計算其排風利用率的大小，分析室外氣象參數對排風隔熱窗的熱回收性能的影響。研究結果表明，在夜間無太陽輻射時，隨室內外溫差的升高，排風進出口溫差和排風利用率的大小，基本上呈線性趨勢增大，排風利用率的最大值為41.1%。當白天室外太陽輻射較大時，此時排風利用率顯著提高，最大值可達89%。由此可知，在夏季工況，排風隔熱窗的熱回收性能受室外氣象參數的影響較大，室外太陽輻射強度越大、室外空氣溫度越高時，該結構外窗的排風熱回收效果越顯著。除了室外氣象參數之外，排風量的大小，遮陽百葉的葉片傾角，百葉表面反射率等因素，均會對排風隔熱窗的熱回收性能參數重要影響，相關問題值得進一步深入研究。

參考文獻

       [1] ASHRAE. 2009 ASHRAE Handbook of Fundamentals[S]. Chapter 15: Fenestration. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, USA, 2009
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       [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.

       備注：本文獲評為第21屆暖通空調制冷學術年會青年優秀論文，收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。