太陽能吸熱水流窗的研究現狀

李春瑩

深圳大學建筑與城市規劃學院（本原設計研究中心）

現階段，建筑能耗約占我國能源消費總量的20%[1]，建筑節能是應對能源緊張和環境污染問題的重要途徑。窗戶是建筑圍護結構熱交換最為顯著的部位，其采暖和制冷能量損失往往占到建筑圍護結構能耗的一半以上[2]。窗體節能是建筑節能的重要組成部分[3]，世界各國學者針開展了廣泛而深入的研究[4-5]。通風窗[6]、相變窗[7]、嵌管式窗戶[8]等新型窗采用主動或被動技術降低建筑能耗。水流窗是新型的太陽能建筑一體化技術，實現了主被動建筑節能技術的綜合利用，可在單一構件中實現太陽能熱利用、隔熱、遮陽功能，從而提升建筑綜合能效[9]。本文介紹水流窗的基本原理、系統構成，以及國內外研究現狀，以促進建筑節能。

1 水流窗簡介

水流窗[10]由雙層玻璃和中間密閉水流夾層組成，利用水的流動來調節太陽輻射透射及室內外熱量傳遞。水流吸收太陽輻射并升溫，通過管道流動至換熱器用于生活熱水的預加熱，其系統結構見圖1。

圖1 水流窗系統結構示意圖（剖面）

水流窗可大幅削減建筑物在夏季的室內得熱量，降低空調系統能耗。采用增設空氣或惰性氣體夾層的設計增加熱阻，可減少水流層在冬季向室外散熱而引起的熱量損失。水流窗特別適用于具有高強度太陽輻射入射，同時需要熱水持續供給的建筑。也可作為室內輻射供冷/供暖末端，節省設備初始投資費用和占地面積。水流窗生產材料簡單、價格不高、安裝與維護方便，具有較大的建筑節能潛力和良好的應用前景。

2 水流窗的研究現狀

2.1 水流窗的能效預測方面

太陽輻射入射水流窗表面后，在各層玻璃，水流層中透射，反射與吸收，這個過程影響著各層玻璃與水流層的溫度與熱量流動的方向和數值。Chow[11]建立了水流窗穩態傳熱模型，利用中國香港典型氣象年數據進行模擬，結果顯示水流窗比普通雙層玻璃窗減少32%的室內得熱量。Li[4]完成實驗艙和空調房間的水流窗實驗研究。證實了水流窗營造良好室內光熱環境的能力，且外觀與普通窗戶無異，不影響窗外視野。而且，由于水流充滿整個窗體空腔，且流動緩慢，因而沒有噪聲。基于能量守恒，建立以溫差浮升力為驅動的自然對流系統模型，模型的計算結果與實驗測試數據良好吻合[12]。在此基礎上，預測香港地區單位面積西南朝向的水流窗每年可實現303 kWh 的太陽能熱利用[13]。將水流窗用于夏熱冬冷地區的典型辦公建筑，實現9.9%的太陽能熱利用效率[14]。Tomas[15]研究了水流窗在西班牙馬德里氣候條件下的節能效果，結果顯示水流窗房間的空調制冷與供暖能耗可降低18.26%，從環境影響和經濟效益角度證實水流窗具有良好的發展潛力與研究價值。

圖2 水流窗實驗

2.2 水流窗的性能優化方面

水流窗可采用以溫差浮升力為驅動，自然對流形式不耗費額外能源，有利于提升建筑節能。優化結構設計，減少水流阻力，增加溫度與流速的分布均勻度，對于水流窗能效提升具有重要意義。Chow[16]和Li[17]借助計算流體力學CFD 模擬軟件Fluent，對水流窗的結構設計優化進行研究，分析窗體高寬比，水流夾層厚度，水流夾層下端進水口和上端出水口的尺寸及間距等因素對于水流夾層的溫度和流速分布，以及室內得熱量和空調系統能耗的影響。太陽能資源集中在白天時段，這種時間上的不均勻分布問題不利于居住建筑夜晚期間的熱水使用。為了解決這個問題，Lyu[18]利用相變換熱器優化太陽能熱存儲和熱利用，更好地滿足全天候使用需要。并對水流窗的冬季防凍問題進行實驗和模擬研究，通過向水中添加丙烯乙二醇降低水層的結冰溫度，防止水流窗結凍開裂[19]，為其在多氣候區的應用提供理論基礎。

2.3 水流窗的光熱參數計算和調節方面

水流窗的熱工特性，受到結構設計、玻璃特性、水流速度、水層厚度等多因素影響。水流窗光熱性能的理論計算涉及太陽輻射在玻璃和水流層中的透射，反射與吸收過程，以及玻璃與周圍環境，玻璃與水層之間的輻射，對流傳熱和導熱經驗公式。肖磊[20]建立區域模型，對水流窗的熱工特性進行理論研究，證實其在制冷季與供暖季皆具備良好的熱工特性，且水流夾層的進口溫度對室內外熱量傳遞具有顯著影響。Sierra[21]推導水流窗的綜合U 值和綜合太陽輻射得熱系數（SHGC）計算式，并提出通過調節窗體空腔內的水流速度對上述參數進行動態調節，以實現更好的室內環境控制的構想。Romero[22]對水流窗的光學特性進行理論研究，提出水流夾層吸熱系數的簡化計算方法。

2.4 水流窗用于輻射供暖/供冷方面

水流窗通過玻璃壁面與室內空氣進行換熱，對室內的供冷季與供暖季的室內空調負荷影響較大。進而，有學者提出，可將水流窗作為輻射供暖/供冷的末端設備，用于室內熱環境調節。Gonzalo[23]提出在水流窗中利用低品位能源（地熱能）進行建筑室內環境調節。Lyu[24]利用模擬研究證實，向水流窗玻璃空腔通入低溫熱水進行室內輻射供暖，可維持適宜的室內溫度。此前，研究者們已嘗試將太陽能集熱器，冷卻塔，地埋管換熱器等制備的低溫熱水和高溫冷水用于室內輻射供暖/供冷，并利用地板、天花板、墻壁、嵌管式窗戶作為末端裝置，取得良好效果。比較而言，以水流窗玻璃空腔為末端裝置進行室內環境調節不會遮擋視線，初期投資較少，且易于管理和維護，因而具有良好的發展潛力。

3 自遮陽水流窗

窗體遮陽對室內光熱環境和空調系統能耗具有重要影響。Arens[25]研究了直射輻射引起的輻射不對稱問題對室內人員熱舒適的影響，指出透明圍護結構及遮陽裝置的綜合輻射透過率不宜大于15%。宋冰[26]進行了落地窗的實驗研究，發現室內臨窗人員的熱中性溫度比靠墻人員低1.9 ℃，且更易產生熱感。若強調窗邊位置的溫度控制，有可能引起空調開啟時段延長，或者其他區域的過度制冷而造成能源浪費。窗邊位置的眩光問題是遮陽調節行為的重要誘因，增加人工照明的時間和范圍很有必要。因而，窗體遮陽性能與建筑能耗緊密相關。

自遮陽水流窗通過向水流夾層中添加染料，進一步降低太陽輻射透過率，從而實現本體自遮陽。通過改變水流夾層的染料濃度，可調節窗體遮陽性能，主動適應太陽輻射的入射角度和強度隨季節的變化。在這方面，Gstoehl[27]在水流窗的水流夾層中加入染料以提高太陽輻射吸收率，實現窗戶本體自遮陽，減少室內得熱和制冷能耗，同時實現更高的太陽能利用效率。Liebold[28]進一步提出水流窗可同時作為太陽能集熱器，透明圍護結構和自適應遮陽裝置，通過向流體中添加著色劑或黑色磁性顆粒來調節遮陽性能（見圖3），在單個構件中實現多個功能以節省寶貴的建筑空間。Baumgartner[29]利用標準集裝箱進行了自遮陽水流窗的實驗研究，節能效果得以驗證。

圖3 利用添加染料調節水流窗的遮陽性能

4 現有研究的不足之處

目前，關于水流窗運行能效的分析與研究較多，而欠缺從經濟效益角度的綜合分析。在未來，可進行水流窗用于不同氣候區、不同類型建筑物的全壽命周期的能耗與經濟性分析，從而為水流窗的工程應用提供基礎信息。

另外，現有水流窗實驗研究中對于室內環境的評價基于儀器測量獲取的數據信息，缺少主觀的光熱環境舒適性調查與評價。值得注意的是，水流窗的對室內環境舒適性的影響與建筑節能同樣重要。能效討論的前提應當是室內人員的光熱舒適，從而保障身體健康和工作效率。因而，可在水流窗房間進行舒適性問卷調查研究，邀請受試者對自遮陽水流窗房間的熱感覺、熱舒適、光環境舒適性等進行投票，綜合評級水流窗房間的人體光熱舒適水平，揭示水流窗營造舒適的室內光熱環境的效果。

5 小結與展望

現有研究從實驗測試，理論分析和數值模擬角度，證實太陽能吸熱水流窗在熱水制備，室溫調節和遮陽方面具有較大節能潛力。其突出優勢是：可根據氣候條件和建筑使用規律，通過合理選取玻璃類型、水流層厚度和水流速度等結構與運行參數，“量身打造”最為適宜的光熱特性。水流窗生產材料簡單，價格不高，安裝與維護方便，具有較大的建筑節能潛力和良好的應用前景。