大面积外窗和透光围护结构在新建建筑中的应用越来越多[1], 由此可能导致建筑能耗的增加。以窗户为例, 夏季太阳辐射会大量透入室内, 增加建筑冷负荷;而冬季窗的传热系数与墙相比大很多, 因此会增加热损失。目前针对透光围护结构性能改善的手段和相关研究内容主要包括:1) 高性能保温隔热玻璃如Low-E玻璃及其他新型材质玻璃[2-3];2) 高效的遮阳装置及相关系统[4];3) 通风式双层皮幕墙[5]等。其中, 高性能保温隔热玻璃虽能降低冬季热损失, 但不利于夏季和过渡季的散热, Low-E玻璃虽有一定的节能效果, 但生产成本较高, 无法大面积应用;而遮阳系统对夏季工况有所改善, 却无法降低冬季热损失。相比之下, 双层皮幕墙在冬夏及过渡季均能降低建筑负荷, 且外表美观, 目前在许多新建建筑及绿色建筑中得到了广泛应用。

通风式双层皮幕墙结构如图1所示, 包括内、外侧玻璃, 内、外侧空腔, 遮阳片和进、排风口。其运行模式如下:夏季风口开启, 遮阳片吸收太阳辐射, 温度升高, 引起自然对流, 室外空气从底部风口进入, 由顶部风口排出;冬季风口关闭, 利用空气的保温隔热特性降低热损失[6]。虽然夏季通风能依靠自然对流带走部分太阳辐射热, 但在太阳辐照度较高时其排热效果不好;且室外空气含尘量较大时, 可能会导致窗内部件较脏, 增加清洁工作量, 甚至会影响其工作寿命。冬季工况下, 尽管保温性能相比传统玻璃有所提升, 但其内表面温度仍然较低, 会导致冷辐射和热不舒适[7]。

为此, 在原双层皮幕墙结构基础上, 一些学者利用除通风外的低品位自然能源改善双层皮幕墙性能:张冲等人利用空调排风, 提出了冬夏季一体的排风隔热窗并进行了相关模拟分析, 该系统虽具有一定节能潜力, 但占地空间较大[8];叶庭乔等人采用被动蒸发冷却技术向通风式双层皮幕墙内喷洒利用冷却塔制得的冷水[9], 但水雾和水幕会妨碍夹层内的自然通风, 且不够美观。

基于节约建筑空间、保留双层皮幕墙采光优势并高效利用自然能源的理念, 沈翀等人提出了嵌管式窗户的方案, 并通过数值模拟软件对地源水分级供热降低建筑供暖季负荷相关案例进行了构思, 分析结果表明, 夏季采用冷却塔能降低40%的累计冷负荷, 冬季采用地源水能降低16.8%的累计热负荷[10]。上述研究虽然可以获得冬夏季设计或特定条件下的节能效果, 但由于数值模拟方法计算流程复杂、耗时久, 不能对嵌管式窗户全年的节能效果进行快速分析。

由于围护结构的全年动态性能而非冬夏季设计状况下的性能决定其节能效果, 因此, 本文在普通双层皮幕墙区域模型简化算法[11]的基础上, 构建了一种针对嵌管式窗户冬夏季动态性能的简化计算方法, 并以北京为例, 对嵌管式窗户不同结构形式和不同工况下的节能效果进行了分析。

与普通双层皮幕墙类似, 嵌管式窗户系统室内得热可分为太阳辐射直接透射和内侧玻璃向室内传热两部分。本研究参考传统通风式幕墙的思路, 先对嵌管式窗户光学特性进行计算分析, 获得太阳辐射的分配状况, 再对其传热特性进行计算, 求解各表面温度, 最终获得其动态热工性能。

本研究选取一类典型的双层玻璃幕墙结构, 其尺寸为1 000mm×200mm (高×宽) , 空腔中布置百叶帘, 其间距为60 mm, 宽度为60 mm, 百叶倾角为45°, 厚度为2mm[10]。具体结构如图2所示。

利用低品位能源降低建筑需求, 即遮阳片内嵌管中的水可由地埋管换热器、冷却塔或江、河水源换热器等制取, 其系统组成形式如图3所示。其中, 嵌管件采用上进下出的并联连接方式[7,12]。

太阳光入射到玻璃表面后, 会经过多次反射、吸收、透射。获得太阳辐射在双层皮幕墙中各层介质的分配状况对双层皮幕墙热工特性模拟至关重要。其中, 嵌管式窗户光学特性的计算可参考普通双层皮幕墙。

直射入射下玻璃的动态光学性能参数可依据所在地区、朝向计算, 即与入射角度、玻璃性质等相关, 而散射入射下的光学性能可等效为60°入射角下的直射入射[11]。遮阳百叶帘采用EnergyPlus软件中的虚拟百叶空间法计算其在直射与散射辐射下的光学性能, 即将2个相邻的遮阳百叶等效为1个单元, 根据太阳入射角度将其划分为6个部分, 计算太阳辐射经多次反射后在每个部分的分布, 该方法具有较好的精度且在许多双层皮幕墙研究中得到广泛应用[11]。

太阳辐射得热在各个介质层的分布可采用界面能量平衡法[13]计算, 其原理为计算出各介质层在整个体系中的光学特性, 进而计算太阳辐射能量的分布。太阳辐射热的分配状况包括内外层玻璃和遮阳片吸收、反射至室外和透射入室内5个部分。其中, 各介质层吸收比、系统反射比和透射比之和应满足式 (1) , (2) [13]:

式 (1) , (2) 中α为吸收比;ρ为反射比;τ为透射比;下标dir表示太阳直射辐射, dif表示太阳散射辐射, eg表示外侧玻璃, ig表示内侧玻璃, bl表示遮阳片。

直接透入室内的短波太阳辐射热为

各介质层的吸热量q为

式 (3) , (4) 中q_{rad, sw}为直接透入室内的短波太阳辐射热, W/m²;I为太阳辐照度, W/m²。

与通风式双层皮幕墙不同, 嵌管式窗户中遮阳片内嵌水管。水与遮阳片之间的表面传热系数远大于遮阳片与空腔空气之间的表面传热系数, 且遮阳片尺寸较小, 而导热系数较大。因此本研究中近似认为遮阳片表面温度与水温相同 (实际遮阳片温度为水温+0.5℃) , 相关研究表明该假设下模拟结果仍具有良好精度[7];同一窗户中内嵌水管采用并联式连接[7,12], 如图3所示。相关数值模拟结果表明[7,12]:与普通双层皮幕墙相比, 嵌管式窗户空腔内温度分层现象不明显, 因此忽略高度方向上的温度差异。

和普通双层皮幕墙类似, 嵌管式窗户的传热过程较为复杂, 包括遮阳片与空腔空气的对流换热, 遮阳片与内、外侧玻璃间的辐射换热以及玻璃内、外表面的导热等, 其传热过程的热工网络示意图如图4所示, 各介质层能量平衡方程如式 (5) ~ (8) 所示。

式 (5) ~ (8) 中T为温度, K;R为热阻, m²·K/W;下标conv表示对流换热, rad表示辐射换热, cond表示导热, o表示室外侧, i表示室内侧, w表示水, eg-bl表示外侧玻璃与遮阳片之间, gap表示空腔, eg-ig表示内外侧玻璃之间, ig-bl表示内侧玻璃与遮阳片之间;“∥”表示热阻并联。

根据式 (5) ~ (8) , 可对内外侧玻璃表面温度和其他相关未知量进行求解, 进而获得室内对流和长波辐射热。其具体计算流程如图5所示。

与其他透明围护结构相同, 嵌管式窗户的得热包括:1) 与室内空气的对流换热q_conv;2) 与室内各表面的长波辐射换热q_rad, _lw;3) 直接透射进入室内的太阳辐射热q_rad, _sw。因此, 总得热Q_in的计算公式如下:

采用该方法计算得到上海、北京、乌鲁木齐和广州夏季采用冷却塔方案[7]的室内累计得热量, 并与用数值计算获得的结果进行对比, 以验证简化方法的可靠性与精度。其中, 数值方法为采用FLUENT 14.5软件进行的二维准稳态模拟, 其中湍流模型为标准K-ε型, 各方程离散格式为二阶差分格式, 利用SIMPLE算法进行迭代计算, 而对于辐射换热采用DO辐射模型。其中, 计算网格为四边形结构化网格, 经网格独立性检验, 最终玻璃幕墙计算域的网格数为15万个, 非透光围护结构计算域的网格数为5万个[7,10]。简化方法与数值方法对典型城市的计算结果如图6所示。2种方法获得的相对误差均在15%以内, 表明简化方法具有较好的精度。

采用简化计算方法, 选取典型城市北京为计算对象, 对嵌管式窗户的全年动态性能进行分析。为降低系统初投资, 内嵌管连接地埋管换热器, 冬夏季都能使用, 忽略土壤温度波动, 设定出水温度与土壤温度之差为3℃[7,12]。系统运行时间为07:00—19:00[15], 室外逐时气象参数可取典型气象年参数[16]。具体信息如表1所示。

本文以目前常见的外置普通玻璃、内置双层玻璃的双层皮幕墙作为对照。其光学特性的计算方法与嵌管式窗户相同, 传热特性的计算方法采用文献[13]区域模型的算法。

其中, 不同制冷/热系统能效比EER的计算公式如下:

式中Q为系统累计负荷, kW·h/m²;E_sum为压缩机耗电量, kW·h/m²;P_del为输配系统总能耗, kW·h/m²。

嵌管式窗户内嵌管的水可从外界直接或间接获得, 因此EER较高。

系统总能耗为各个系统能耗之和, 其计算公式如下:

式中E_t为系统总能耗, kW·h/m²;Q_ind为室内累计供冷/供热量, kW·h/m²;EER_ac为室内空调系统的EER, 取为3[10];Q_p为嵌管供冷/供热量, kW·h/m²;EER_p为嵌管系统的EER (供冷/供热量与泵耗之比) , 取为15[10]。

对嵌管式窗户的节能潜力可用累计能耗减少率η进行评价, 其计算公式如下:

式中E_p为嵌管式窗户的能耗, kW·h/m²;E_tr为普通双层皮幕墙的能耗, kW·h/m²。

双层皮幕墙中的玻璃结构对其光学性能和传热特性有较大影响。遮阳片吸热后温度远高于室内, 所以普通双层皮幕墙外侧玻璃大多采用普通玻璃, 以增大遮阳片向室外侧散热, 而内侧多采用双层中空玻璃, 以减小室内得热。典型普通玻璃、双层中空玻璃和遮阳片特性如表2所示[7]。

相比之下, 在嵌管式窗户系统中, 嵌管内的水由地埋管换热器提供, 其冬夏季出水温度均低于室内设定温度, 因此传热特性与普通双层皮幕墙不同, 需对不同类型的嵌管式窗户结构进行冬夏季模拟分析, 以确定最佳玻璃结构组合。表3为不同组合形式下的内外侧玻璃结构。

对不同玻璃组合形式的嵌管式窗户进行动态计算, 获得室内冬夏季累计得热, 如图7所示, 其中负值为累计热负荷。

研究结果表明:与通风式幕墙相比, 嵌管式窗户能够显著减小夏季室内得热, 与通风式幕墙结构相同的嵌管式窗户夏季累计得热量降低33%;冬季, 尽管地埋管换热器出水温度低于室内设定温度 (20℃) , 但在特定的玻璃结构中仍能被直接利用, 以减小窗户导致的热损失。与普通双层皮幕墙不同, 外置双层中空玻璃的嵌管式窗户的供热负荷反而高于传统双层皮幕墙。这是由于内侧保温较差, 自然状态下遮阳片温度高于供水温度, 嵌管内水不仅未对遮阳片加热, 反而从空腔吸热。

根据式 (11) 计算得到不同玻璃结构下嵌管式窗户全年能耗状况, 如图8所示。

4种结构类型中, 外置双层中空玻璃和内置双层中空玻璃结构的嵌管式窗户全年能耗均低于普通双层皮幕墙。夏季采用外置双层中空玻璃, 室内得热和嵌管散热均略低于内置双层中空玻璃, 但由于冬季室内累计总负荷46.6kW·h/m²远高于内置双层中空玻璃嵌管式窗户的累计总负荷30kW·h/m², 所以内置双层中空玻璃的嵌管式窗户全年累计能耗更低, 其全年能耗比普通双层皮幕墙下降了20.3%。相比之下, 内外侧均采用高性能玻璃虽节能效果更好, 但其初投资较大。因此, 在采用地埋管换热器的工况中, 应采用内置双层中空玻璃结构的嵌管式窗户。

夏季不同朝向的太阳辐照度有差异, 多数城市东、西向太阳辐照度较大, 南向次之, 北向最小。研究表明, 对于双层皮幕墙而言, 夏季室内得热受太阳辐射影响较大且其应用于东、西向节能效果最显著[11]。与此类似, 需对嵌管式窗户在不同朝向的节能潜力进行分析。

图9显示了北京市夏季不同朝向的平均太阳辐照度, 其中北向平均太阳辐照度仅为西向的40%。采用嵌管式窗户后, 室内得热情况与太阳辐照度呈正相关性, 其中西向和东向接近, 北向最小。

图10显示了不同朝向下嵌管式窗户相对于通风式双层皮幕墙的节能潜力。室内累计得热减少量和累计能耗减小率η表明了其相对于通风式幕墙的优势。应用嵌管式窗户后, 西向节能性最显著, 其累计得热减少量和累计能耗减少率分别达到12kW·h/m²和32%;东向次之。北向由于太阳辐照度最低, 因此应用嵌管式窗户后节能潜力不大, 其累计得热减少量仅为西向的37%。表明夏季工况下嵌管式窗户在东向和西向能够取得较好的节能效果。

采用前文优化后的玻璃组合形式, 以东向为例, 对嵌管式窗户冬夏季动态热工特性进行探究。

图11为嵌管式窗户与通风式幕墙冬夏季室内得热状况对比, 结果表明, 嵌管式窗户能在冬夏季大部分工作时间内降低由窗户所导致的室内冷热需求。其中, 从图11a可以看出, 夏季地源水对吸收太阳辐射后的遮阳片的冷却效果较好, 窗户所导致的室内得热尖峰值由73.4 W/m²下降至38.2 W/m², 即在太阳辐照度较大时能显著降低室内得热, 而且在太阳辐射较弱的白天和夜晚甚至可承担部分室内负荷;与此类似, 图11b表明冬季能减小室外温度较低导致的热损失, 室内热负荷尖峰值由52.7 W/m²下降至26.4W/m²。嵌管式窗户冬夏季均能减小室内得热波动, 有利于空调系统的高效运行。此外, 采用嵌管式窗户还能将夏季内侧玻璃温度降低2℃, 冬季提高2.6℃, 降低由于窗户等围护结构所导致的热不舒适。

本文针对嵌管式窗户构建了一种基于光学和热学性能的简化计算方法, 可用于嵌管式窗户全年动态性能计算;以北京为例, 利用该方法分析了采用低品位能源———地埋管换热器降低由外窗所导致的室内热需求的适用性, 主要结论如下:

1) 该简化计算方法计算方便、速度快, 且具有较好的工程精度, 可用于不同工况下的快速计算和分析;

2) 由于北京地区土壤温度全年较低, 因此采用外侧普通玻璃、内侧双层中空玻璃结构的嵌管式窗户节能效果更好;

3) 与普通双层皮幕墙相比, 嵌管式窗户可使东向夏季和冬季室内供冷、供热量分别降低29%和25.9%, 系统各朝向平均全年节能率达21.5%;

4) 采用地埋管换热器的嵌管式窗户夏季节能效果高于冬季, 且夏季东向和西向节能量高于北向和南向, 表明嵌管式窗户在东、西向能取得更好的节能效果。