節能型水環玻璃幕墻降溫節能技術與應用研究

張雅琦，譚宇龍，趙小維，李佳雯，凌晨

（武漢科技大學城市建設學院）

1 引言

據統計，我國建筑能耗約占全國總能耗的1/3，空調能耗約占建筑能耗的50%～60%[1]。其中，通過建筑圍護結構傳熱是空調負荷的主要組成部分。圍護結構的熱量損失主要來源于窗戶和墻體，由于窗戶的傳熱能力遠大于墻體，同等面積下，窗戶的傳熱量遠高于墻體[2]。因此，減少玻璃圍護結構向建筑物內的傳熱量是降低空調負荷、實現建筑節能的關鍵。

由于玻璃圍護結構的大量使用使建筑能耗增加，為減少通過玻璃圍護結構向建筑物內傳輸熱量、降低空調負荷，除采取通風降溫和加設遮陽罩等解決方法，近年來，國內外市場上出現了種類繁多的節能型玻璃，如吸熱玻璃以及Low-E低輻射鍍膜玻璃等。研究發現，現有的幾種節能型玻璃在夏季為減少熱量向建筑物內傳遞，只是將一部分太陽輻射能反射到周圍環境中或將熱量儲存在玻璃表面，未對熱量進行回收利用。本文提出的節能型水環玻璃圍護結構在不影響原有采光功能的前提下，可達到于當今建筑環境中尋求一種舒適、美觀與節能減排相平衡的目的。

2 水冷玻璃圍護結構節能系統的組成

2.1 總體結構

節能型水環建筑玻璃圍護結構節能系統主要由多組雙層中空玻璃單元、管路、加壓設備、熱交換設備、排氣閥、水處理設備、儲水箱等部分組成。針對夏熱冬冷地區，其工作過程為：在夏季，加壓設備將水加壓后送至水處理設備，對水進行處理后，壓至各塊吸熱玻璃，水流在空腔內與玻璃進行換熱，然后通過管路被送至熱交換設備，與生活水進行熱交換，完成對生活水的預加熱，之后到達加壓設備的吸入端完成一次循環。預熱后的生活水經再次加熱后供人們使用，若預加熱后的水溫滿足人們的要求則無需再進行加熱。該系統可有效阻擋不利的太陽輻射，減少進入建筑物內的熱量，降低空調系統能耗，兼具制備生活熱水的功能。在冬季，需將空腔內的水排出，以增大玻璃圍護結構的熱阻，增強圍護結構的保溫性，減少建筑物熱量的損失。

2.2 通過玻璃模塊傳熱影響因素

在夏季，水流層的熱量增加量可以反映通過玻璃圍護結構向建筑物內傳熱的減少量，其影響因素主要包括室外工況、玻璃面積、水流流態、空腔厚度、水流進口溫度、玻璃屬性等。室外溫度越高、太陽輻射越強、水流擾動越強、玻璃面積越大，水流層帶走的熱量越多；水流速度越慢、空腔厚度越薄、水流死區面積越小，換熱越充分，水流帶走的熱量愈多。

構建此新型水冷玻璃圍護結構節能系統時，應考慮以上影響因素，并結合建筑物的朝向、所在地氣候條件進行綜合分析，設計合適的空腔厚度及水流速度，選擇適宜的玻璃面積及玻璃材質，通過模擬計算吸熱玻璃最佳的布置片區，使節能達到最大化。

2.3 玻璃模塊承壓分析

由于玻璃空腔內充滿水，為保證安全性，內外層玻璃需滿足承壓要求，為此，針對水平布置和傾斜布置的中空玻璃進行了承壓分析，通過理論計算得出了內外層玻璃最低承壓要求與空腔厚度、玻璃幾何尺寸、玻璃傾斜角度等因素的關系。

當空腔內充滿水時，水平中空玻璃和傾斜中空玻璃所承受最大壓力計算公式為：

式中，ρ為水的密度；g為重力加速度；h為水流層的厚度；α為玻璃傾斜角度；L為玻璃的寬；P1、P2為中空玻璃模塊所受的最大壓力。為滿足承壓要求，保證運行安全，玻璃最低承壓需大于P1和P2，在進行玻璃材質選擇時，需按照此條件進行校核。

2.4 系統中循環水的處理

循環水在系統中不斷流動，若不對水進行處理，會產生水垢、滋生微生物，水垢會對玻璃的采光性造成影響，微生物可引起黏垢，使換熱器傳熱效率降低并增加水頭損失，故須對循環水中的沉積物和微生物產生的危害進行控制。由于沉積物和微生物相互影響，必須采取綜合處理方法。

在控制結垢方面，可采用的方法有以下幾種：①去除水中產生結垢的成分，如水的軟化和除鹽等；②在水處理設備中，采用酸化法將碳酸鹽硬度轉變為溶解度較高的非碳酸鹽硬度；③在水處理設備中向水中加阻垢劑。如木質素、膦酸鹽、聚丙烯酸鹽等。

殺滅微生物及抑制微生物繁殖主要采用化學藥劑處理法，可在水中加入氧型殺菌劑，如液氯、二氧化氯及次氯酸鈣，還可投入表面活性劑殺菌劑進行微生物控制。

3 中空玻璃模塊CFD模擬與節能分析

為了進行定量分析，并對系統的節能效果進行評定，通過Phoenics模擬分析軟件對不同隔斷方式和入水速度下的中空玻璃進行了速度場和溫度場的模擬。

模擬計算時，對結構設計進行了優化，如圖1所示，將死區部分加設彎弧減少渦流形成，以便帶走更多熱量。

圖1 優化后的中空玻璃模塊單元

對圖中的玻璃模塊進行不同工況下的CFD模擬建模，規定模擬的中空玻璃幾何尺寸為500mm×500mm，空腔內分別設有2個、4個、6個隔斷，單塊玻璃及空腔厚度均為10mm，僅設1個入出水口，入出水管直徑均為10mm，為分析方便，內、外側玻璃溫度設定為25℃和35℃，且溫度恒定，入水溫度設定為20℃，對入水速度為0.5m/s及0.8m/s時的情況分別進行模擬分析。

3.1 不同玻璃模塊流速分布與結果比較

入水速度為0.5m/s時，中空玻璃的速度云圖如圖2所示。

從速度矢量圖可看出，隨著隔斷數目的增加，漩渦區逐漸減小，水流流動更加順暢。漩渦越大，在漩渦區聚集熱越多，熱量不能及時被帶走，換熱效率將會降低。隔斷數目越多，水流流動越順暢，會減小流動阻力，將有利于換熱。

3.2 不同玻璃模塊溫度場分布與結果比較

入水速度為0.5m/s時，溫度云圖如圖3所示。

根據不同模塊的溫度云圖可發現，隨著隔斷數目的增多，溫度場越均勻。模塊1由于漩渦區的影響，在漩渦中間溫度較高，熱量聚集嚴重，不能及時被帶走。模塊3溫度場較均勻，且流動較順暢。

隨著隔斷數目的增多，進出水口水流溫差增大。這與漩渦區的大小、流動狀態、水流擾動的強度等因素的改變有關，進出水溫差越大，水流所帶走的熱量越多，熱量向建筑物內的傳遞量越少。因此相比較而言，選擇模塊3類型的中空玻璃節能效果最佳。

由于出水管管徑與進水管管徑相同，假定流體不可壓縮，那么根據連續性方程可得出出口水流流速與進口水流流速相同，可根據q=cpFVρΔt（式中，q為水流在單位時間帶走的熱量；cp為水的的定壓比熱，取4.2kJ/kg·℃；F為出水管斷面面積；V為入口水流流速；ρ為水的密度，取 1000kg/m3；Δt為出口水流溫度與入口水流溫度差）計算流體在單位時間帶走的熱量，流速為0.5m/s時，2、4、6隔 斷 下， 帶 走的熱量分別為 0.41748kJ/s、0.5268kJ/s、0.4347kJ/s；流速為0.8m/s時，2個、4個、6個隔斷的模塊中帶走的熱量分別為 0.62496kJ/s、0.79233kJ/s、0.6855kJ/s。計算分析后得到：隨著玻璃模塊內置隔斷數目的增多，溫度場越發均勻，進出水口水流溫差增大，水流所帶走的熱量越多，熱量向建筑物內的傳遞量越少。

4 結論

本文主要設計研究了一套節能型水環玻璃圍護結構節能系統，其節能效果明顯，設備運行無噪聲，應用前景廣闊。對于如今在許多大型建筑不可或缺的中庭天窗和玻璃幕墻，采用這種節能水冷玻璃能顯著降低建筑能源消耗，從而解決由于玻璃圍護結構造成的建筑物溫室效應問題，在降低能耗的條件下，提高建筑物內的熱舒適性。而對于成本的經濟技術性問題，經過研究發現，中空玻璃在市場上已經較為普遍，在其基礎上進行上述結構優化顯然在技術方法方面不難實現，且經濟成本也僅會以現有中空玻璃市場價格為基準稍微上升。由此可見，本裝置在成本上從經濟技術性的角度來考慮是十分合理的。符合綠色建筑節能與能源利用的理念，未來必將逐步深化發展。

圖2 不同模塊的速度矢量圖

圖3 不同模塊的溫度矢量圖