建筑排風隔熱外窗冬季結露機理與防治

張沖 王勁柏 李遼 剛文杰

華中科技大學建筑環境與能源應用工程系

0 引言

排風隔熱窗由多層玻璃及其玻璃夾層間的排風空腔組成，該外窗結構使室內空調排風流經外窗內部的排風空腔，排風氣流與玻璃、及內置遮陽百葉表面進行強制對流換熱，從而降低室內空氣與外窗室內側玻璃表面之間的傳熱溫差[1]。該外窗結構（如圖1 所示）可以充分利用低品位的空調排風，顯著降低外窗形成的冷、熱負荷，實現排風熱回收的同時，有效改善室內熱環境[2-3]。

圖1 排風隔熱窗的結構原理圖

排風隔熱窗通過有效利用低品位空調排風，取得很好的節能效果，當前國內外學者針對該外窗的傳熱模型、能耗特性及結構優化等展開了大量的研究[1-6]。但是，排風隔熱窗在冬季工況的實際運行中，當中間層玻璃室內側表面溫度等于或低于此時空調排風的露點溫度時，在該玻璃表面即會出現結露。結露的發生會影響外窗的視野、對空氣流動形成阻力、改變排風氣流與玻璃間的傳熱特性、同時容易滋生細菌。因此，在冬季工況下，如何界定及防治結露的出現值得進一步研究。

本文利用經過實驗驗證的排風隔熱窗區域模型，計算分析其內部出現結露時的臨界邊界條件，研究排風隔熱窗相關運行和設計參數對其冬季結露的影響，同時提出有效的結露防治措施，為排風隔熱窗在冬季正常運行及寒冷氣候區的應用提供理論依據。

1 冬季結露的理論背景與防治措施

厘清排風隔熱窗冬季結露的理論背景，對結露防治至關重要。在冬季工況，當排風隔熱窗中間層玻璃室內側表面溫度等于或低于此時空腔中排風氣流的露點溫度時，即會出現結露現象。為了避免結露的出現，應該控制中間層玻璃的室內側表面溫度，使其始終高于空調排風的露點溫度。因此，降低排風的露點溫度以及提高該玻璃的表面溫度，是避免發生結露的主要途徑。

假設空調房間的排風溫度等于室內空氣溫度，因此排風的露點溫度由室內空氣溫度和相對濕度決定。中間層玻璃的室內側表面溫度則同時由排風隔熱窗的設計和運行參數、室內外環境條件決定 [2]。本文定量分析和評價室內空氣溫度、相對濕度、排風隔熱窗的排風速度以及使用 Low-e 玻璃是否能夠有效地避免排風隔熱窗在冬季出現結露。

2 排風隔熱窗數值傳熱模型的建立

本文利用區域模型計算排風隔熱窗在不同運行和設計參數、及不同室內外環境條件下的內部溫度分布情況，并將計算所得的中間層玻璃的室內側表面溫度與此時排風露點溫度進行比較，以此判斷該計算工況條件下是否出現結露，由此分析得到界定排風隔熱窗內部出現結露的臨界邊界條件。

在作者前期工作中，排風隔熱窗二維區域模型的準確性和可靠性，已經通過實驗進行充分的驗證 [2]。本文利用二維區域模型，計算排風隔熱窗內部穩態的溫度分布情況，用于判斷其內部是否會出現結露現象。圖2為冬季工況排風隔熱窗區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 個區域組成，分別是各玻璃區域、密閉空腔及排風空腔?；谀芰渴睾憬⒏鲄^域的控制方程，故各層外窗結構可建立5 個控制方程。排風隔熱窗內部第j 層單元的控制方程，可由如下公式表示。

圖2 排風隔熱窗冬季工況區域模型的離散示意圖

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

式（1）～（5）為排風隔熱窗內部第j層結構的能量平衡方程，利用上述方法，對排風隔熱窗整個結構進行建模，即可得到5×N個能量平衡方程。在給定計算邊界條件的情況下，利用 Matlab 軟件對上述能量平衡方程組進行迭代求解，即可計算得到排風隔熱窗內部各區域的溫度值。關于排風隔熱窗的區域模型詳細建模、求解、及實驗驗證過程，可參考作者的前期工作[2-3]。

3 排風隔熱窗冬季工況的結露分析

本文利用區域模型，計算在不同室外空氣溫度下，排風隔熱窗中間層玻璃室內側的表面溫度，并與此時空調排風的露點溫度進行比較，判斷是否會出現結露現象，同時計算分析室內空氣溫度、室內相對濕度、排風速度以及使用Low-e 玻璃對排風隔熱窗在冬季工況結露的影響，確定排風隔熱窗內部出現結露時的臨界邊界條件。本文計算過程中，排風隔熱窗由室外側的雙層中空玻璃（6 mm+12a+6 mm）、室內側單層玻璃（6 mm）及兩者間的排風空腔（30 mm）組成。

圖3為在不同室外空氣溫度情況下，計算所得的中間層玻璃室內側表面溫度，同時考慮了排風速度和室內空氣溫度對計算結果的影響。

圖3 排風速度對排風隔熱窗冬季結露的影響

圖3（a）中室內空氣狀態對應的露點溫度為9.3 ℃，當該玻璃表面溫度等于或低于此露點溫度時，即會出現結露。由圖可知，不同排風速度時均存在一個結露室外臨界溫度，當室外空氣溫度高于該結露室外臨界溫度時，即不會出現結露現象，反之則會出現結露。因此，結露室外臨界溫度越低時，排風隔熱窗在冬季越不容易出現結露。在圖3（a）的室內空氣狀態下，當排風速度分別為0.1 m/s、0.2 m/s、和0.3 m/s 時，排風隔熱窗的結露室外臨界溫度分別為-1.6 ℃、-3.3 ℃和-5.1 ℃。由此可知，提高排風速度可以在一定程度上降低排風隔熱窗的結露室外臨界溫度，從而提升其抵御結露的能力。但是，當室外空氣溫度低于-5.1 ℃時，即會出現結露，說明通過提高排風速度，消除排風隔熱窗冬季結露的能力十分有限。

降低冬季室內空調設定溫度時，由圖3（b）的結果可知，當室內溫度由20 ℃降低至18 ℃時（假設相對濕度保持不變），排風露點溫度則由 9.3 ℃下降至7.5 ℃，此時結露室外臨界溫度分別略微降低為-3.2 ℃、-4.9 ℃、和-6.7 ℃，對應的排風速度分別為 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s。由此可知，在不影響室內熱舒適性的情況下，適當降低室內空調設定溫度，對提高排風隔熱窗冬季抵御結露的能力十分有限。

圖4 的計算結果揭示了室內相對濕度對排風隔熱窗冬季結露的影響，同時考慮室內空氣溫度和排風速度的影響。由圖可知，降低室內相對濕度，可以顯著降低露點溫度。當相對濕度由 50%分別降低至 40%和30%時，排風速度僅為 0.1 m/s 的情況下，見圖4（a），此時結露室外臨界溫度可以由-1.6 ℃分別下降至-9.0 ℃和-18.8 ℃。該計算結果意味著，在冬季當室內溫度是20 ℃、相對濕度是 30%時，室外空氣溫度不低于-18.8 ℃時，排風隔熱窗則不會出現結露。此時，進一步將室內空氣溫度降低至 18 ℃時，見圖4（b），相對濕度 30%、排風速度0.1 m/s 時對應的結露室外臨界溫度則為-20.1 ℃。由此可知，在溫度不變的情況下，通過降低室內的相對濕度，可以顯著提升排風隔熱窗防結露的能力。

圖4 室內相對濕度對排風隔熱窗冬季結露的影響

本文進一步研究了使用 Low-e 玻璃對排風隔熱窗冬季結露的改善作用，將排風隔熱窗中間層玻璃設置為Low-e 玻璃，低發射率 Low-e 膜位于中間層玻璃的室外側表面，其表面發射率為 0.141[7]，遠低于普通白玻璃0.84 的表面發射率，從而有效減少外窗冬季的熱損失。圖5為排風隔熱窗使用 Low-e 玻璃前后，對應的中間層玻璃室內側表面溫度的計算結果。由計算結果可知，使用 Low-e 玻璃可以顯著提高排風隔熱窗中間層玻璃的室內側表面溫度，從而避免結露的發生。當使用發射率為0.141 的Low-e 玻璃之后，在室內空氣處于溫度為20 ℃和相對濕度為50%的狀態下，即使室外空氣溫度接近-20 ℃時，在不同排風速度條件下，該玻璃的室內側表面溫度始終高于此時的排風露點溫度，即不會發生結露。在圖5 的計算工況下，當排風速度分別為 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s 時，此時排風隔熱窗的結露室外臨界溫度則為-20 ℃、-24.3 ℃和-28.7 ℃。由此可知，使用Low-e 玻璃可以避免排風隔熱窗在冬季極端天氣條件下發生結露。

圖5 使用Low-e 玻璃對排風隔熱窗冬季結露的影響

4 結論

本文針對排風隔熱窗冬季運行工況內部玻璃表面發生結露這一問題展開研究，分析其出現結露的理論背景，確定出現結露時的臨界邊界條件，提出避免冬季結露的有效措施。本文利用區域模型，計算排風隔熱窗在不同運行參數和不同室內外邊界條件下的中間層玻璃的室內側表面溫度，并將其與室內排風的露點溫度進行比較，用于界定不同計算工況條件下，排風隔熱窗內部是否會出現結露。

由上述計算結果可知，可從提高與排風氣流相鄰的玻璃表面溫度，以及降低排風氣流的露點溫度這兩個方面，來避免排風隔熱窗在冬季發生結露。在室內空氣溫度不變的情況下，降低室內空氣相對濕度，可以大幅降低其露點溫度，從而防止結露的出現。盡管，該方法可以很好的避免結露的發生，但是根據室外的氣候的變化，實現室內空氣相對濕度的實時響應，該方法實現起來較為復雜。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，從而降低排風隔熱窗的結露室外臨界溫度，結果表明，當室外空氣溫度低至-20 ℃時，仍然可以避免結露的發生。

因此，為了提高排風隔熱窗冬季防結露的能力，及其在寒冷及嚴寒氣候區的適用性，排風隔熱窗的中間層玻璃應使用 Low-e 玻璃，對于冬季極端的氣候區，則可在實際運行過程中，在個別室外極端低溫的條件下，配合適當提高排風速度以及降低室內設定溫度則可避免結露的發生，或者采用表面發射率更低的玻璃，例如 Triple Low-e on clear 鍍膜玻璃的表面發射率僅為0.021[7]。