李春瑩

深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院（本原設(shè)計研究中心）

現(xiàn)階段，建筑能耗約占我國能源消費總量的20%[1]，建筑節(jié)能是應(yīng)對能源緊張和環(huán)境污染問題的重要途徑。窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)能耗的一半以上[2]。窗體節(jié)能是建筑節(jié)能的重要組成部分[3]，世界各國學(xué)者針開展了廣泛而深入的研究[4-5]。通風(fēng)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(shù)降低建筑能耗。水流窗是新型的太陽能建筑一體化技術(shù)，實現(xiàn)了主被動建筑節(jié)能技術(shù)的綜合利用，可在單一構(gòu)件中實現(xiàn)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(tǒng)構(gòu)成，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以促進(jìn)建筑節(jié)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(diào)節(jié)太陽輻射透射及室內(nèi)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(yù)加熱，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 水流窗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（剖面）

水流窗可大幅削減建筑物在夏季的室內(nèi)得熱量，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。采用增設(shè)空氣或惰性氣體夾層的設(shè)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(xù)供給的建筑。也可作為室內(nèi)輻射供冷/供暖末端，節(jié)省設(shè)備初始投資費用和占地面積。水流窗生產(chǎn)材料簡單、價格不高、安裝與維護(hù)方便，具有較大的建筑節(jié)能潛力和良好的應(yīng)用前景。

2 水流窗的研究現(xiàn)狀

2.1 水流窗的能效預(yù)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(shù)值。Chow[11]建立了水流窗穩(wěn)態(tài)傳熱模型，利用中國香港典型氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示水流窗比普通雙層玻璃窗減少32%的室內(nèi)得熱量。Li[4]完成實驗艙和空調(diào)房間的水流窗實驗研究。證實了水流窗營造良好室內(nèi)光熱環(huán)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?；谀芰渴睾悖⒁詼夭罡∩轵?qū)動的自然對流系統(tǒng)模型，模型的計算結(jié)果與實驗測試數(shù)據(jù)良好吻合[12]。在此基礎(chǔ)上，預(yù)測香港地區(qū)單位面積西南朝向的水流窗每年可實現(xiàn)303 kWh 的太陽能熱利用[13]。將水流窗用于夏熱冬冷地區(qū)的典型辦公建筑，實現(xiàn)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(jié)能效果，結(jié)果顯示水流窗房間的空調(diào)制冷與供暖能耗可降低18.26%，從環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益角度證實水流窗具有良好的發(fā)展?jié)摿εc研究價值。

圖2 水流窗實驗

2.2 水流窗的性能優(yōu)化方面

水流窗可采用以溫差浮升力為驅(qū)動，自然對流形式不耗費額外能源，有利于提升建筑節(jié)能。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)CFD 模擬軟件Fluent，對水流窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行研究，分析窗體高寬比，水流夾層厚度，水流夾層下端進(jìn)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(nèi)得熱量和空調(diào)系統(tǒng)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(yōu)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(jìn)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(jié)冰溫度，防止水流窗結(jié)凍開裂[19]，為其在多氣候區(qū)的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2.3 水流窗的光熱參數(shù)計算和調(diào)節(jié)方面

水流窗的熱工特性，受到結(jié)構(gòu)設(shè)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(huán)境，玻璃與水層之間的輻射，對流傳熱和導(dǎo)熱經(jīng)驗公式。肖磊[20]建立區(qū)域模型，對水流窗的熱工特性進(jìn)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(jìn)口溫度對室內(nèi)外熱量傳遞具有顯著影響。Sierra[21]推導(dǎo)水流窗的綜合U 值和綜合太陽輻射得熱系數(shù)（SHGC）計算式，并提出通過調(diào)節(jié)窗體空腔內(nèi)的水流速度對上述參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)更好的室內(nèi)環(huán)境控制的構(gòu)想。Romero[22]對水流窗的光學(xué)特性進(jìn)行理論研究，提出水流夾層吸熱系數(shù)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(nèi)空氣進(jìn)行換熱，對室內(nèi)的供冷季與供暖季的室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷影響較大。進(jìn)而，有學(xué)者提出，可將水流窗作為輻射供暖/供冷的末端設(shè)備，用于室內(nèi)熱環(huán)境調(diào)節(jié)。Gonzalo[23]提出在水流窗中利用低品位能源（地?zé)崮埽┻M(jìn)行建筑室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)。Lyu[24]利用模擬研究證實，向水流窗玻璃空腔通入低溫?zé)崴M(jìn)行室內(nèi)輻射供暖，可維持適宜的室內(nèi)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?zé)崴透邷乩渌糜谑覂?nèi)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(jìn)行室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)不會遮擋視線，初期投資較少，且易于管理和維護(hù)，因而具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 自遮陽水流窗

窗體遮陽對室內(nèi)光熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)人員熱舒適的影響，指出透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)及遮陽裝置的綜合輻射透過率不宜大于15%。宋冰[26]進(jìn)行了落地窗的實驗研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)臨窗人員的熱中性溫度比靠墻人員低1.9 ℃，且更易產(chǎn)生熱感。若強調(diào)窗邊位置的溫度控制，有可能引起空調(diào)開啟時段延長，或者其他區(qū)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(diào)節(jié)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(guān)。

自遮陽水流窗通過向水流夾層中添加染料，進(jìn)一步降低太陽輻射透過率，從而實現(xiàn)本體自遮陽。通過改變水流夾層的染料濃度，可調(diào)節(jié)窗體遮陽性能，主動適應(yīng)太陽輻射的入射角度和強度隨季節(jié)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(xiàn)窗戶本體自遮陽，減少室內(nèi)得熱和制冷能耗，同時實現(xiàn)更高的太陽能利用效率。Liebold[28]進(jìn)一步提出水流窗可同時作為太陽能集熱器，透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)遮陽裝置，通過向流體中添加著色劑或黑色磁性顆粒來調(diào)節(jié)遮陽性能（見圖3），在單個構(gòu)件中實現(xiàn)多個功能以節(jié)省寶貴的建筑空間。Baumgartner[29]利用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱進(jìn)行了自遮陽水流窗的實驗研究，節(jié)能效果得以驗證。

圖3 利用添加染料調(diào)節(jié)水流窗的遮陽性能

4 現(xiàn)有研究的不足之處

目前，關(guān)于水流窗運行能效的分析與研究較多，而欠缺從經(jīng)濟(jì)效益角度的綜合分析。在未來，可進(jìn)行水流窗用于不同氣候區(qū)、不同類型建筑物的全壽命周期的能耗與經(jīng)濟(jì)性分析，從而為水流窗的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)信息。

另外，現(xiàn)有水流窗實驗研究中對于室內(nèi)環(huán)境的評價基于儀器測量獲取的數(shù)據(jù)信息，缺少主觀的光熱環(huán)境舒適性調(diào)查與評價。值得注意的是，水流窗的對室內(nèi)環(huán)境舒適性的影響與建筑節(jié)能同樣重要。能效討論的前提應(yīng)當(dāng)是室內(nèi)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(jìn)行舒適性問卷調(diào)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(huán)境舒適性等進(jìn)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(nèi)光熱環(huán)境的效果。

5 小結(jié)與展望

現(xiàn)有研究從實驗測試，理論分析和數(shù)值模擬角度，證實太陽能吸熱水流窗在熱水制備，室溫調(diào)節(jié)和遮陽方面具有較大節(jié)能潛力。其突出優(yōu)勢是：可根據(jù)氣候條件和建筑使用規(guī)律，通過合理選取玻璃類型、水流層厚度和水流速度等結(jié)構(gòu)與運行參數(shù)，“量身打造”最為適宜的光熱特性。水流窗生產(chǎn)材料簡單，價格不高，安裝與維護(hù)方便，具有較大的建筑節(jié)能潛力和良好的應(yīng)用前景。