建筑排風(fēng)隔熱外窗冬季結(jié)露機(jī)理與防治

張沖 王勁柏 李遼 剛文杰

華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系

0 引言

排風(fēng)隔熱窗由多層玻璃及其玻璃夾層間的排風(fēng)空腔組成，該外窗結(jié)構(gòu)使室內(nèi)空調(diào)排風(fēng)流經(jīng)外窗內(nèi)部的排風(fēng)空腔，排風(fēng)氣流與玻璃、及內(nèi)置遮陽百葉表面進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，從而降低室內(nèi)空氣與外窗室內(nèi)側(cè)玻璃表面之間的傳熱溫差[1]。該外窗結(jié)構(gòu)（如圖1 所示）可以充分利用低品位的空調(diào)排風(fēng)，顯著降低外窗形成的冷、熱負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)熱回收的同時(shí)，有效改善室內(nèi)熱環(huán)境[2-3]。

圖1 排風(fēng)隔熱窗的結(jié)構(gòu)原理圖

排風(fēng)隔熱窗通過有效利用低品位空調(diào)排風(fēng)，取得很好的節(jié)能效果，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該外窗的傳熱模型、能耗特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等展開了大量的研究[1-6]。但是，排風(fēng)隔熱窗在冬季工況的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)中間層玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度等于或低于此時(shí)空調(diào)排風(fēng)的露點(diǎn)溫度時(shí)，在該玻璃表面即會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。結(jié)露的發(fā)生會(huì)影響外窗的視野、對(duì)空氣流動(dòng)形成阻力、改變排風(fēng)氣流與玻璃間的傳熱特性、同時(shí)容易滋生細(xì)菌。因此，在冬季工況下，如何界定及防治結(jié)露的出現(xiàn)值得進(jìn)一步研究。

本文利用經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的排風(fēng)隔熱窗區(qū)域模型，計(jì)算分析其內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露時(shí)的臨界邊界條件，研究排風(fēng)隔熱窗相關(guān)運(yùn)行和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其冬季結(jié)露的影響，同時(shí)提出有效的結(jié)露防治措施，為排風(fēng)隔熱窗在冬季正常運(yùn)行及寒冷氣候區(qū)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 冬季結(jié)露的理論背景與防治措施

厘清排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的理論背景，對(duì)結(jié)露防治至關(guān)重要。在冬季工況，當(dāng)排風(fēng)隔熱窗中間層玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度等于或低于此時(shí)空腔中排風(fēng)氣流的露點(diǎn)溫度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。為了避免結(jié)露的出現(xiàn)，應(yīng)該控制中間層玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度，使其始終高于空調(diào)排風(fēng)的露點(diǎn)溫度。因此，降低排風(fēng)的露點(diǎn)溫度以及提高該玻璃的表面溫度，是避免發(fā)生結(jié)露的主要途徑。

假設(shè)空調(diào)房間的排風(fēng)溫度等于室內(nèi)空氣溫度，因此排風(fēng)的露點(diǎn)溫度由室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度決定。中間層玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度則同時(shí)由排風(fēng)隔熱窗的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)、室內(nèi)外環(huán)境條件決定 [2]。本文定量分析和評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣溫度、相對(duì)濕度、排風(fēng)隔熱窗的排風(fēng)速度以及使用 Low-e 玻璃是否能夠有效地避免排風(fēng)隔熱窗在冬季出現(xiàn)結(jié)露。

2 排風(fēng)隔熱窗數(shù)值傳熱模型的建立

本文利用區(qū)域模型計(jì)算排風(fēng)隔熱窗在不同運(yùn)行和設(shè)計(jì)參數(shù)、及不同室內(nèi)外環(huán)境條件下的內(nèi)部溫度分布情況，并將計(jì)算所得的中間層玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度與此時(shí)排風(fēng)露點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，以此判斷該計(jì)算工況條件下是否出現(xiàn)結(jié)露，由此分析得到界定排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露的臨界邊界條件。

在作者前期工作中，排風(fēng)隔熱窗二維區(qū)域模型的準(zhǔn)確性和可靠性，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行充分的驗(yàn)證 [2]。本文利用二維區(qū)域模型，計(jì)算排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的溫度分布情況，用于判斷其內(nèi)部是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象。圖2為冬季工況排風(fēng)隔熱窗區(qū)域模型的離散示意圖，沿垂直高度方向，將其平均劃分為若干層（N層），而每層則由5 個(gè)區(qū)域組成，分別是各玻璃區(qū)域、密閉空腔及排風(fēng)空腔。基于能量守恒建立各區(qū)域的控制方程，故各層外窗結(jié)構(gòu)可建立5 個(gè)控制方程。排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部第j 層單元的控制方程，可由如下公式表示。

圖2 排風(fēng)隔熱窗冬季工況區(qū)域模型的離散示意圖

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/m2K；Isol為入射輻射強(qiáng)度W/m2；ma為排風(fēng)氣流的質(zhì)量流量，kg/h；Ca為空氣比熱，J/ kgK；α為太陽輻射吸收率；ε為表面發(fā)射率；σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù)；W和H分布為玻璃的寬度和高度，m；Tin、Tout、Tsky和Tground分別為室內(nèi)空氣、室外空氣、天空及室外地面溫度，K。上述各參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算方法可見參考文獻(xiàn)[2,3]。

式（1）～（5）為排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部第j層結(jié)構(gòu)的能量平衡方程，利用上述方法，對(duì)排風(fēng)隔熱窗整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，即可得到5×N個(gè)能量平衡方程。在給定計(jì)算邊界條件的情況下，利用 Matlab 軟件對(duì)上述能量平衡方程組進(jìn)行迭代求解，即可計(jì)算得到排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部各區(qū)域的溫度值。關(guān)于排風(fēng)隔熱窗的區(qū)域模型詳細(xì)建模、求解、及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，可參考作者的前期工作[2-3]。

3 排風(fēng)隔熱窗冬季工況的結(jié)露分析

本文利用區(qū)域模型，計(jì)算在不同室外空氣溫度下，排風(fēng)隔熱窗中間層玻璃室內(nèi)側(cè)的表面溫度，并與此時(shí)空調(diào)排風(fēng)的露點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，判斷是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，同時(shí)計(jì)算分析室內(nèi)空氣溫度、室內(nèi)相對(duì)濕度、排風(fēng)速度以及使用Low-e 玻璃對(duì)排風(fēng)隔熱窗在冬季工況結(jié)露的影響，確定排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)露時(shí)的臨界邊界條件。本文計(jì)算過程中，排風(fēng)隔熱窗由室外側(cè)的雙層中空玻璃（6 mm+12a+6 mm）、室內(nèi)側(cè)單層玻璃（6 mm）及兩者間的排風(fēng)空腔（30 mm）組成。

圖3為在不同室外空氣溫度情況下，計(jì)算所得的中間層玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度，同時(shí)考慮了排風(fēng)速度和室內(nèi)空氣溫度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

圖3 排風(fēng)速度對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的影響

圖3（a）中室內(nèi)空氣狀態(tài)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度為9.3 ℃，當(dāng)該玻璃表面溫度等于或低于此露點(diǎn)溫度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。由圖可知，不同排風(fēng)速度時(shí)均存在一個(gè)結(jié)露室外臨界溫度，當(dāng)室外空氣溫度高于該結(jié)露室外臨界溫度時(shí)，即不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，反之則會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。因此，結(jié)露室外臨界溫度越低時(shí)，排風(fēng)隔熱窗在冬季越不容易出現(xiàn)結(jié)露。在圖3（a）的室內(nèi)空氣狀態(tài)下，當(dāng)排風(fēng)速度分別為0.1 m/s、0.2 m/s、和0.3 m/s 時(shí)，排風(fēng)隔熱窗的結(jié)露室外臨界溫度分別為-1.6 ℃、-3.3 ℃和-5.1 ℃。由此可知，提高排風(fēng)速度可以在一定程度上降低排風(fēng)隔熱窗的結(jié)露室外臨界溫度，從而提升其抵御結(jié)露的能力。但是，當(dāng)室外空氣溫度低于-5.1 ℃時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)結(jié)露，說明通過提高排風(fēng)速度，消除排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的能力十分有限。

降低冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度時(shí)，由圖3（b）的結(jié)果可知，當(dāng)室內(nèi)溫度由20 ℃降低至18 ℃時(shí)（假設(shè)相對(duì)濕度保持不變），排風(fēng)露點(diǎn)溫度則由 9.3 ℃下降至7.5 ℃，此時(shí)結(jié)露室外臨界溫度分別略微降低為-3.2 ℃、-4.9 ℃、和-6.7 ℃，對(duì)應(yīng)的排風(fēng)速度分別為 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s。由此可知，在不影響室內(nèi)熱舒適性的情況下，適當(dāng)降低室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度，對(duì)提高排風(fēng)隔熱窗冬季抵御結(jié)露的能力十分有限。

圖4 的計(jì)算結(jié)果揭示了室內(nèi)相對(duì)濕度對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的影響，同時(shí)考慮室內(nèi)空氣溫度和排風(fēng)速度的影響。由圖可知，降低室內(nèi)相對(duì)濕度，可以顯著降低露點(diǎn)溫度。當(dāng)相對(duì)濕度由 50%分別降低至 40%和30%時(shí)，排風(fēng)速度僅為 0.1 m/s 的情況下，見圖4（a），此時(shí)結(jié)露室外臨界溫度可以由-1.6 ℃分別下降至-9.0 ℃和-18.8 ℃。該計(jì)算結(jié)果意味著，在冬季當(dāng)室內(nèi)溫度是20 ℃、相對(duì)濕度是 30%時(shí)，室外空氣溫度不低于-18.8 ℃時(shí)，排風(fēng)隔熱窗則不會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。此時(shí)，進(jìn)一步將室內(nèi)空氣溫度降低至 18 ℃時(shí)，見圖4（b），相對(duì)濕度 30%、排風(fēng)速度0.1 m/s 時(shí)對(duì)應(yīng)的結(jié)露室外臨界溫度則為-20.1 ℃。由此可知，在溫度不變的情況下，通過降低室內(nèi)的相對(duì)濕度，可以顯著提升排風(fēng)隔熱窗防結(jié)露的能力。

圖4 室內(nèi)相對(duì)濕度對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的影響

本文進(jìn)一步研究了使用 Low-e 玻璃對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的改善作用，將排風(fēng)隔熱窗中間層玻璃設(shè)置為L(zhǎng)ow-e 玻璃，低發(fā)射率 Low-e 膜位于中間層玻璃的室外側(cè)表面，其表面發(fā)射率為 0.141[7]，遠(yuǎn)低于普通白玻璃0.84 的表面發(fā)射率，從而有效減少外窗冬季的熱損失。圖5為排風(fēng)隔熱窗使用 Low-e 玻璃前后，對(duì)應(yīng)的中間層玻璃室內(nèi)側(cè)表面溫度的計(jì)算結(jié)果。由計(jì)算結(jié)果可知，使用 Low-e 玻璃可以顯著提高排風(fēng)隔熱窗中間層玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度，從而避免結(jié)露的發(fā)生。當(dāng)使用發(fā)射率為0.141 的Low-e 玻璃之后，在室內(nèi)空氣處于溫度為20 ℃和相對(duì)濕度為50%的狀態(tài)下，即使室外空氣溫度接近-20 ℃時(shí)，在不同排風(fēng)速度條件下，該玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度始終高于此時(shí)的排風(fēng)露點(diǎn)溫度，即不會(huì)發(fā)生結(jié)露。在圖5 的計(jì)算工況下，當(dāng)排風(fēng)速度分別為 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s 時(shí)，此時(shí)排風(fēng)隔熱窗的結(jié)露室外臨界溫度則為-20 ℃、-24.3 ℃和-28.7 ℃。由此可知，使用Low-e 玻璃可以避免排風(fēng)隔熱窗在冬季極端天氣條件下發(fā)生結(jié)露。

圖5 使用Low-e 玻璃對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季結(jié)露的影響

4 結(jié)論

本文針對(duì)排風(fēng)隔熱窗冬季運(yùn)行工況內(nèi)部玻璃表面發(fā)生結(jié)露這一問題展開研究，分析其出現(xiàn)結(jié)露的理論背景，確定出現(xiàn)結(jié)露時(shí)的臨界邊界條件，提出避免冬季結(jié)露的有效措施。本文利用區(qū)域模型，計(jì)算排風(fēng)隔熱窗在不同運(yùn)行參數(shù)和不同室內(nèi)外邊界條件下的中間層玻璃的室內(nèi)側(cè)表面溫度，并將其與室內(nèi)排風(fēng)的露點(diǎn)溫度進(jìn)行比較，用于界定不同計(jì)算工況條件下，排風(fēng)隔熱窗內(nèi)部是否會(huì)出現(xiàn)結(jié)露。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，可從提高與排風(fēng)氣流相鄰的玻璃表面溫度，以及降低排風(fēng)氣流的露點(diǎn)溫度這兩個(gè)方面，來避免排風(fēng)隔熱窗在冬季發(fā)生結(jié)露。在室內(nèi)空氣溫度不變的情況下，降低室內(nèi)空氣相對(duì)濕度，可以大幅降低其露點(diǎn)溫度，從而防止結(jié)露的出現(xiàn)。盡管，該方法可以很好的避免結(jié)露的發(fā)生，但是根據(jù)室外的氣候的變化，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣相對(duì)濕度的實(shí)時(shí)響應(yīng)，該方法實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。另一方面，使用 Low-e 玻璃可以顯著提高中間層玻璃表面溫度，從而降低排風(fēng)隔熱窗的結(jié)露室外臨界溫度，結(jié)果表明，當(dāng)室外空氣溫度低至-20 ℃時(shí)，仍然可以避免結(jié)露的發(fā)生。

因此，為了提高排風(fēng)隔熱窗冬季防結(jié)露的能力，及其在寒冷及嚴(yán)寒氣候區(qū)的適用性，排風(fēng)隔熱窗的中間層玻璃應(yīng)使用 Low-e 玻璃，對(duì)于冬季極端的氣候區(qū)，則可在實(shí)際運(yùn)行過程中，在個(gè)別室外極端低溫的條件下，配合適當(dāng)提高排風(fēng)速度以及降低室內(nèi)設(shè)定溫度則可避免結(jié)露的發(fā)生，或者采用表面發(fā)射率更低的玻璃，例如 Triple Low-e on clear 鍍膜玻璃的表面發(fā)射率僅為0.021[7]。