U 型遮阳排风窗传热过程分析

岳志安,邹惠芬

（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

2018 年我国民用建筑能耗为5.2 亿tce，相比与2004 年增加了3.2 亿tce。据清华大学建筑节能研究中心的估算结果，全国民用建筑能耗中，城乡住宅占比约为42%[1]，这些能耗绝大多数是为维持室内的热舒适产生的，所以减少这部分能耗，首要的任务是减少室内的负荷；通常的办法是在建筑外墙安装保温板，然后进行保护措施和面层施工，这被称之为外保温技术[2]。对于建筑的半透明围护结构来说，良好的隔热性能是减少室内负荷的关键，通常的办法是采用中空玻璃、镀膜玻璃和透明隔热涂料等，这种方法可以有效的降低玻璃窗的传热系数[3]。尽管如此，窗户玻璃温度受室外影响仍然很大，存在两个问题：一方面外窗通过与室内空气的对流降低室内空气温度；另一方面由于玻璃的温度偏高或者偏低，会通过长波辐射给室内人员造成不舒适感。

排风窗是一种由双层皮玻璃幕墙（DSF）演变而来的窗户，二者不同之处在于，双层皮玻璃幕墙把各个楼层的房间串联起来，且房间的能耗和楼层有一定关系[4]。排风窗的原理是利用室内排风的低品位热能来提高外窗的温度，从而减少外窗与室内的传热温差，通常由两层或者三层玻璃及空腔组成[5]，这种窗户能够显著改善上述两种问题。排风气流的动力来自室内的直流式正压新风机或者由专门的排风装置提供。此外，在排风的空腔中可以放置百叶或者卷帘，可以有效减少夏季太阳辐射带来的冷负荷[6]。基于以上分析，本文提出一种U 型通道的遮阳排风窗，对其工作原理和传热特性进行分析，并建立传热模型，为今后的进一步研究提供理论依据。

1 U 型遮阳排风窗的结构及传热机理

遮阳排风窗是一种可以利用室内排风提高或降低自身温度的窗户结构，其基本构造如图1 所示，最外层是中空玻璃，其余两层为单层玻璃，两者之间的结构为遮阳百叶。室内的排风由窗户下部的排风气流入口进入排风窗，与玻璃和遮阳百叶进行换热之后，经排风气流出口排到室外，由图可知，气流在窗内的流经路线为一个倒U 型，延长排风气流的路径可以最大限度的利用室内排风的低品位热能。

图1 遮阳排风窗的基本构造

排风窗内部的热交换是一个复杂的传热过程，包括自然对流、强制对流、长波辐射这三种方式，同时，排风窗的各层结构还会接收到太阳辐射，由于每一层结构对太阳辐射的吸收程度不同，且太阳辐射强度在一天中会随者太阳高度角的变化而变化，所以其计算过程较为复杂，本文暂不考不率排风窗的这部分得热量。

2 U 型遮阳排风窗传热过程的数值模拟

本节将利用区域能量平衡法建立遮阳排风窗的二维传热数学模型。图2 是排风窗区域模型示意图，将排风窗沿水平方向划分为9 个结构层，并沿垂直方向划分为n 个区域，如图所示，D1～D3 组成室外侧的中空玻璃，其中D2 表示中空玻璃的封闭空腔，D4、D6、D8均表示排风空腔，D5 为中间层玻璃，D7 为遮阳百叶，D9 表示室内侧玻璃。排风窗共分为9×n 个区域，每个区域的温度用其中心节点的温度代替，例如T4i 表示D4 结构层中第i个区域的温度。在本模型中，垂直方向共分为了9 个区域，故共有81 个区域温度值。忽略窗户在垂直纸面的宽度方向的传热，即认为某一结构层的第i 层区域的温度是同一数值。为简化其计算模型，对该窗户的传热过程进行了以下设定：

（1）不考虑玻璃垂直和水平方向上导热。

（2） 各个区域内没有垂直和水平温度梯度。

图2 遮阳排风窗的区域模型示意图

室外侧玻璃D1 的换热过程包括与室外空气的对流换热、与天空和地面的长波辐射换热，与密闭空腔中气体的对流换热，与D3 层玻璃的长波辐射换热，节点能量平衡方程为：

式中，1ε 为D1层玻璃的表面发射率；σ为史蒂芬-玻尔兹曼常数， σ = 5.67 ×1 0-8W /( m2·k4)；Tg表示大地的温度；K 计算时假设其数值与室外空气温度相等；Ts 表示天空的温度（K）；其计算公式见式2； F1s、F1g 分别表示玻璃表面与天空、大地的可视系数，对于垂直窗户来说，两者取值均为0.5；Tout 表示室外空气温度（K）；m 表示D1 层玻璃的第i 层区域的质量（kg）；c 表示玻璃的比热[J/(kg·k)]；A’表示该区域的面积（m2）；R 在本文中表示某两层之间的表面辐射热阻，下标13 表示D1 和D3 结构层，其计算公式见式3[7]， 式中ε 在本文中表示某结构层的表面发射率；h 在本文代表对流换热系数[W/(m2·k)]，下标01表示室外空气与D1 结构层。

对流换热系数h01可以利用当地室外平均风速来计算，公式如下：

式中，v0表示当地室外平均风速（m/s）；当材质为玻璃时，系数D、E、F 的值可取8.23，3.33 和-0.036。

密闭空腔中空气与玻璃的对流换热系数h12 用下式计算：

式中，Nu 表示努谢尔特数，λ 表示空气的导热系数[W/(m·k)]。

密闭空腔D2 中的换热过程只有气体与两侧玻璃的对流换热过程，节点能量平衡方程为：式中，h12=h23。

D3 层玻璃的换热过程包括与密闭空腔D2的对流换热，与最外侧玻璃D1 的长波辐射换热，与排风腔D4 中排风的对流换热，与D5 层玻璃的长波辐射换热，节点能量平衡方程为：

式中，R35表示D3 层玻璃与D5 层玻璃的表面辐射热阻，计算公式同式3。

D4 层排风气流的换热过程包括与D3、D5层玻璃的对流换热，与上一层排风气流节点的换热，节点能量平衡方程为：

式中，（T4(i+1)-T4i）表示D4 层空腔中，第i 层区域节点与其上一层气流节点的传热温差。

空腔内的气流速度一般不大于5m/s，工程上可用下式来计算空腔内气流的对流换热系数[8]，式中的Vk表示空腔内的气流速度。其它结构层与排风气流之间的对流换热系数均由式9 进行计算。

D5 层的玻璃传热过程包括与D4 、D6 层气流的对流传热，与D3、D7、D9 层的长波辐射换热，节点能量平衡方程为：

式中，R35的计算方法同式3，R57由下式进行计算，R59的计算方法同式11。

当给定遮阳百叶的倾角θ 时，角系数F可由下式进行计算[7]：

D6 和D8 层是被遮阳分开的两个排风气流结构层，两者传热过程相似，节点能量平衡方程分别为式14 和式15：

14 式中T6(i-1)-T6i表示D6 层空腔中，第i层区域节点与其相邻气流节点的传热温差。15式同。假设排风气流进入到D61 区域时的温度等于室内温度，即T61=Tin。需要注意的是，式8 中T4n的数值为T6n和T8n的平均值。

D7 层遮阳百叶的换热过程包括与D6、D8层排风气流的对流换热，与D5、D9 层玻璃的长波辐射换热，节点能量平衡方程为：

式中，R79的计算方法同式11，角系数F79的计算方法同式12。

D9 层玻璃的换热过程包括与室内气流的对流换热，与D7 层遮阳百叶和D5 层玻璃的长波辐射换热，与室内环境之间的长波辐射换热，节点能量平衡方程为：

式中，h9in表示D9 层玻璃与室内空气的对流换热系数，室内空气的流速对传热系数的影响较小，所以h9in可取常数3.2W/(m2·K)。

以上为U 型遮阳排风窗传热模型的建立过程，由于方程中辐射换热项中有温度的高次方，求解过程较为困难，可通过编制计算机程序进行迭代求解，求解之前要确定室内外温度和各结构层的特征参数。例如，玻璃的材质，排风空腔的尺寸等，进行迭代求解直至收敛，即可得到各结构层的温度变化情况。

3 结语

本文提出了一种U 型遮阳排风窗，介绍了排风窗的结构，分析了排风窗的换热机理，通过排风气流与玻璃进行的换热过程可以提高玻璃表面的温度，进而减少与室内的传热温差，可以有效降低室内的负荷，有很好的节能效果。同时，本文对排风窗的传热过程进行了数学建模，通过计算机编程可以求得各结构层的温度值，为接下来的研究提供了理论基础。