液流窗在体育馆建筑应用的节能性模拟

2022-08-30张璐，刘灿

四川建材 2022年8期

张璐，刘灿

(1.成都纺织高等专科学校智能建造与环境工程学院，四川成都 611731； 2.西华大学建筑与土木工程学院，四川成都 610039)

0 前言

液流窗[1]是一种以液体为工作介质的多层窗体系统。如图1所示，该窗体系统由两层玻璃形成封闭空腔，空腔中充满液体集热介质。空腔中的集热介质吸收热量后向上流动，在窗体顶部的套管换热器中将热量释放给低温供水，以输出预热水供卫生热水系统使用。由于集热介质的吸热，导致通过窗体向室内的传热大幅降低。因此，该技术的节能效益体现在两个方面：①降低空调负荷；②降低卫生热水系统能耗。在具有冬季采暖需求的地区，可以通过添加防冻液的方式来降低空腔中集热介质的凝固点[2]，也可以向窗体供应低温热水[3-4]，从而保证系统的安全高效运行。

图1 液流窗结构简图

已有大量研究完成了系统的结构和运行参数优化。研究发现，系统热性能受气象参数[5]，结构设计[6]，玻璃特性[7-8]及运行参数等的影响[9-11]。在太阳辐照水平和环境温度较高时，该窗体的使用有助于更好地削减通过窗体的室内得热并提升热水系统的集热能力[5]。采用吸收式玻璃还可以进一步强化系统的空调节能效果[5]。通过相变蓄热还可以有效延长该系统的热水供应[12]。上述研究大都将窗体作为一个独立构件，以窗体的集热量和通过窗体的传热量为性能评价指标，评估环境、设计及运行参数对窗体的热性能的影响。而针对其在典型实际建筑应用中，对建筑运行能耗的影响研究鲜有提及。然而，在实际建筑中，通过窗体的传热只是构成建筑冷热负荷的一部分，建筑冷热负荷以及运行能耗还会受到通过墙体、屋面等围护结构的传热以及内部热源的影响。因此，本文基于某综合体育馆，全面考虑外部传热以及建筑实际运行过程中的内热源，开展能耗模拟，以探究该液流窗的应用节能潜力。

在针对液流窗的热性能分析和优化研究中，主要采用了试验研究和数值模拟的方法。窗体系统结构设计和运行参数的优化是利用FORTRAN编程完成的，并利用实验数据完成了模型和模拟计算的准确性验证。本文利用ESP-r数值模拟平台，完成了基于典型综合体育馆的能耗模拟研究，探讨该液流窗(LFW)相比于普通隔热双层窗的应用节能优势。

1 玻璃窗结构特性

由Low-E玻璃和普通白玻复合而成的隔热双层窗(IGU)在建筑市场上得到了广泛应用，因此，本文选取这种IGU窗体系统作为对照案例，来分析液流窗在建筑应用中的节能优势。液流窗与IGU窗体系统的具体结构参数见表1，其中C代表普通白玻，A代表吸收式玻璃。IGU窗体由两层6 mm厚的玻璃和其间12 mm厚的密封空气层组成；液流窗中为了保障玻璃有足够的承压能力，所采用的玻璃厚度为12 mm，液体空腔采用了推荐厚度20 mm[6]。液流窗所携带套管换热器的外管和内管直径分别为30 mm和20 mm。模拟计算中，考虑了吸收式玻璃和IGU的光学性能随入射角的变化，其在直射条件下的光学性能参数如表2所示。

表1 液流窗和IGU的结构参数

表2 吸收式玻璃和IGU的光学性能参数

2 建筑能耗模拟方案

本文假设窗体系统应用在图2所示的综合体育馆中，利用ESP-r数值模拟平台进行全年能耗模拟，以分析液流窗的应用节能优势。利用ESP-r开展液流窗性能模拟研究的可靠性验证在发表的论文中已有提及[13]。各功能房间的竖直壁面和屋顶均安装有窗体，其中更衣间和机房未安装窗体，因此未纳入能耗模拟计算。研究考虑不同的气候特点，选取了香港和北京两个地区开展模拟计算，香港的气候特点为制冷主导；而北京为冷暖交替的气候，夏季需要制冷，冬季需要采暖。在香港的应用中，所采用的液体集热介质为水，而由于北京冬季的气温较低，所采用的集热介质是丙二醇溶液以保障系统安全运行。使用丙二醇溶液会导致窗体的节能效果略有降低;然而，在冬季所获得的太阳得热依然能极大地促进热水系统节能[2]。在换热器中的供水来自市政给水，假设其温度与室温相同，北京冬季室温低于10°C时，供水温度设定为10°C。室内温度设定值夏季取21°C，冬季取25°C。以通过窗体的太阳得热量，建筑冷热负荷，以及综合耗电量作为性能评价指标开展节能性分析。

图2 综合体育馆功能房间分布

3 结果讨论

3.1 房间全年太阳透射得热量分析

各功能房间全年的太阳透射得热量如图3所示。由图3可见，采用液流窗后，各功能房间的太阳得热量得到了有效降低，在香港和北京的气候条件下均是如此。室内太阳得热量的降幅均大于70%。其中，篮球场的太阳得热量远大于其他建筑物，这是由于篮球场的面积比较大，加之有大面积和顶部天窗和朝向向南的窗户。

此外，建筑物的冷热负荷也会受到窗体传热性能的影响。

图3 室内太阳得热量对比

3.2 房间全年冷负荷分析

图4所示为各功能房间全年的冷负荷对比。建筑冷负荷除了受直接的太阳透射影响之外，还受到从围护结构传入的热量以及照明设备和人员散热等室内热源的影响。使用液流窗的优势在于：一方面集热介质会吸收太阳热，从而减少直接的太阳透射传热量；另一方面，集热介质会通过相邻的玻璃从室内外空间吸热并将热量转移，可以进一步降低室内冷负荷。

图4 各功能房间全年冷负荷对比

由图4可见，北京的冷负荷要低于香港，这是由它不同的气候特点所导致的。在大多数的功能房间中，液流窗的使用使得建筑物室内冷负荷得到了一定程度的降低。在香港，大厅、餐厅、健身房和办公室的冷负荷分别降低了1.8%、13.4%、8.36%和6.8%。这一降幅在北京更为明显，分别为12.11%、19.2%、16.86%和19.94%。其主要原因是北京的太阳辐照较强，导致集热介质的流速也会更高。相比于其他房间，在餐厅中使用液流窗对于冷负荷降低的效果更为明显，这主要是由于餐厅的内部热源较大，而液流窗中集热介质透过内侧玻璃从室内吸热促进了冷负荷的降低。

但是，在游泳馆和羽毛球馆的应用中，采用液流窗和IGU的建筑冷负荷差别较小。这主要是由于这两个房间的窗户朝向为北向，所接收到的太阳辐射能较少，导致集热介质的流速和集热能力降低。当流速非常低时，由于液体介质较好的导热性能，甚至会导致室内外的传热量增加。采用液流窗后，整个体育馆的冷负荷降低量在北京和香港分别为13 502 kW·h和17 236 kW·h。

3.3 房间全年热负荷分析

液流窗中集热介质的吸热会导致相邻玻璃表面温度降低。对于夏季工况，可以有效降低冷负荷，而在冬季工况下却会导致通过窗户的室内得热降低，采暖负荷增加。

图5所示为各功能房间全年热负荷的对比。液流窗的使用，导致了各功能房间热负荷的上升。从图5可以发现，办公室的热负荷要远小于其他房间，这主要是由于办公室的运行时间短且且在工作时段有持续的内热源。在冬季气温较低的北京，建筑物的采暖负荷要远大于香港。同时，液流窗的使用所带来的热负荷的增量也要大于香港地区。其原因是北京冬季的气温较低，因此集热介质会从室内空间吸取部分热量。该体育馆的全年热负荷的增量在香港和北京分别为1 825 kW·h和42 345 kW·h。

图5 各功能房间全年热负荷对比

3.4 冷水得热量分析

液流窗的应用除了会对建筑物的冷热负荷产生影响外，供入换热器的冷水被加热后还会有低温热水输出。该体育场各功能房间全年运行的冷水得热量见表3。冷水的得热量一方面来自于太阳热，还有一部分是从相邻玻璃的对流吸热。对于北向的房间，如游泳馆和羽毛球馆，照射到玻璃表面的太阳辐射量小，导致集热介质的流速较低。此时，水流得热量主要受太阳辐照水平的影响。由于北京的平均辐照水平要高于香港，这些房间对应的水流得热量要远大于香港。篮球馆的应用中，北京的得热量也略大，这也与其大面积的北向窗户及偏北天窗有关。但是对于朝南布置的餐厅、健身房以及办公室，香港的水流得热量要略大于北京。这是由于南向窗户中，在太阳辐射热和对流得热的双重作用下，集热介质的流速较大，因而集热介质对流得热的影响就变得更为显著。由于香港的气温较高，从而可以获得更大的得热量。

表3 各功能房间全年冷水得热量单位：kW·h

3.5 小结

综上，液流窗的应用有助于降低建筑冷负荷，并促进空调和卫生热水系统节能。但是，却会同时导致建筑物热负荷的上升以及采暖能耗增加。为了综合评估其节能效果，本文考虑空调系统制冷节能量、采暖能耗增量以及热水系统的节能量，计算应用液流窗的综合节能量。其中，空调系统的制冷和采暖COP分别取3.5和4.5，热水系统的能效取0.9。计算所得的结果见表4。由于液流窗的使用所导致的节能量用正值表示，而由之引起的能耗增量用负值表示。可以发现，相比于使用IGU窗体，采用液流窗可以促进建筑运行节能，这主要是由热水系统的节能所带来的。在辐照水平较强的北京，应用液流窗所取得的节能效果更为显著。