引言随着经济的快速发展，建筑能耗占比过高的问题日益凸显。据统计，商业与住宅建筑能耗占全球总能耗的31%[1]，并且处于持续增长的状态。2018年全国建筑全寿命周期能耗占全国能源消费总量的比重高达46.5%[2]。在建筑围护结构中，透明围护结构面积虽然仅占围护结构总面积的10%，但其能量损失却占到建筑围护结构总能量损失的40%~50%[3]。水流窗是一种具有优良热性能的透明围护结构技术，由两层玻璃与中间充满水的密闭夹层组成，水流在两块玻璃之间的空腔内，通过热虹吸效应或水泵增压的方式流动[4]。水流窗的应用能够有效减少空调和热水负荷，对于有稳定热水需求的建筑，如健身房和恒温游泳池等，具有良好的应用潜力[5]。与中空窗相比，通过使用水流窗，使室内温度下降40%，建筑年度能耗降低约18.26%[6]。在冬季室外气温较低的寒冷地区和严寒地区，可以在水流中加入防冻液保障系统安全高效运行。不同的气候条件下，其应用都可以有效降低空调和热水系统的能耗[7]。真空玻璃是一种四周密封、间隙被抽成真空的复合玻璃，两片玻璃之间的间隙一般为0.1~0.3 mm，并使用支撑柱进行支撑[8]，真空窗具有保温隔热、隔声性能佳、轻薄、应用地域广等优点[9]。通过真空间隙的传热只与玻璃表面之间的辐射传热、支撑柱的热传导有关[10]，中空窗的传热系数通常在2 W/(m2·K)以上[11]，三层真空窗能够将窗体传热系数大幅度降低至0.2 W/(m2·K)[12]，综合性能远优于中空窗。采用Low-E涂层还可以进一步优化热性能。本研究中的真空水流窗结合水流窗与真空玻璃的优点，达到优化水流窗热性能的目的。将真空玻璃应用于双层水流窗，在3层玻璃之间形成一个真空腔和一个水流腔。在冬季工况中，使水腔朝向室内，在其中通入低温热水作为散热末端使用，外侧的真空间隙起保温作用，减少热量向室外散失，强化热利用效率。在供暖工况中，真空水流窗的使用能够进一步提高室内热舒适性，降低建筑供暖能耗[13]。通过真空水流窗、中空水流窗和双层水流窗的对比试验，探究真空水流窗在冬季非空调工况下的热性能。1试验平台及试验方案1.1试验平台及方案本研究在室外真实气候条件下进行，通过真空水流窗、中空水流窗和双层水流窗的热性能的对比，研究夏热冬冷气候条件下，冬季非空调工况下真空水流窗的热性能。真空水流窗的结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F001图1真空水流窗结构示意图平台搭建于四川省成都市，共有A、B两个长宽高均为3 m的实验舱，其正南方向的墙面上安装两扇实验窗，实验舱四周视野开阔，太阳辐射不受遮挡，具体如图2所示。真空水流窗和中空水流窗分别安装于实验舱A、实验舱B的上部，且水腔朝向室内；实验舱下部均安装双层水流窗以保证试验工况一致。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F002图2试验平台外观及布置真空水流窗和双层水流窗的热性能对比基于A舱安装的窗体完成。实验舱外部设有带温控、加热系统的水箱，由市政管网供水，过滤后由水泵输送至窗体入口，回水通入水箱中形成封闭循环。试验中使用的测试窗体面积皆为0.57 m2，实验窗构造详情如表1所示。C、L与V分别代表透明玻璃、Low-E玻璃和真空间隙，A、W分别代表空气层和水层。真空玻璃由透明玻璃和Low-E玻璃组成，玻璃的厚度均为5 mm，中间有0.3 mm厚的真空间隙。真空水流窗由真空玻璃和10 mm的透明玻璃窗组成，水流腔的厚度为12 mm。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.T001表1实验窗构造窗户类型玻璃规格总厚度真空水流窗5C+0.3V+5L+12W+10C32.3双层水流窗10C+12W+10C32.0中空水流窗5C+9A+5L+12W+10C41.0mm中空水流窗与真空水流窗的结构基本一致，区别在于将真空层替换为9 mm的空气层。双层水流窗由两片10 mm的透明玻璃（与真空水流窗中相同）和12 mm厚的水流层构成。水流窗的水腔内嵌入内径为8 mm的不锈钢管作为水流的进出口。1.2数据测量与采集通过测量窗体内外表面温度、内表面热通量以及水热交换量等参数的变化情况，研究真空水流窗的热性能。试验通过转子流量计对供水流量进行测量与调节；太阳辐射强度分别通过布置于A舱垂直壁面与前方水平地面的太阳辐照仪测量；室内外环境温度、窗内外表面温度及进出口水温数据通过T型热电偶测量；玻璃外表面及室外温度测点进行遮阳，以降低太阳辐射对测量结果的影响，测点布置如图3所示，所有测点位置均设置两个热电偶，以减小测量误差。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F003图3热电偶测点布置窗玻璃内表面的热通量能够反映窗体与室内环境的换热情况。本试验在4个窗户中心分别布置Hukseflux-FHF 03热通量传感器，直接测量玻璃内表面的热通量。相比于通过热电偶测量温度，间接测量物体表面热通量的方式，直接采用热通量计测量热通量，可以避免导热系数的影响，使结果更加精确。以上所有数据均使用安捷伦34970A数据采集仪进行测量，数据采集仪设定为每隔1 min对所有数据进行采集记录。1.3数据分析为了比较冬季非空调工况下真空水流窗的热性能，计算玻璃内表面热通量、太阳辐射强度、水流散热量以及水热利用率。通过太阳辐照仪测得的太阳辐射强度与FHF 03热通量计测得的热通量数据。通过34970A测得的直流电压强度除以相应的仪器灵敏度，得到太阳辐射强度和热通量，计算公式如下：Φ1=U/S1 (1)Φ2=U/S2 (2)式中：Φ1——热通量，W/m2；Φ2——太阳辐射强度，W/m2；U——直流电压大小，V；S1——热通量计灵敏度，V/(W/m2)；S2——太阳辐照仪灵敏度，V/(W/m2)。通过测得的水流量与进出水温度，可以判断实验窗与环境的换热情况，对比窗的水热效率。水热交换量计算如下：Qw=cpm˙Tinlet- Toutlet (3)式中：Qw——水流热交换量，W；Toutlet——出口水温，℃；Tinlet——进口水温，℃；cp——水的比热容，取值为4 180 J/(kg∙K)；m˙——质量流量，kg/s。窗内表面的热量与水流日累计散热量的比值定义为水热利用率（η），水的热利用率反映水流窗对室内热环境的有效散热情况。计算如下：η=∑i=917Φ1×A∑i=917Qw (4)式中：A——实验窗面积，m2；Qw——水流散热量，W。2结果分析与讨论本试验于2020年12月—2021年1月进行，运行时间为09：00—18：00，共进行10天，选取其中7天的有效数据进行热性能对比分析。试验期间供水流量在第1~第2日设定为400 mL/min，第3~第4日设定为600 mL/min，第5~第7日设定为800 mL/min。试验开始时，向窗体供入27 ℃的低温热水。冬季非空调工况试验中，实验舱内温度主要受围护结构传热、室内热源散热以及太阳辐射的影响。冬季窗腔中流动的低温热水会向室内外空间散热，而真空水流窗外侧的真空玻璃能够减少向环境的散热，从而有效降低通过窗体造成的热损失，使玻璃内表面保持较高的温度。有助于改善室内热舒适性，以及降低房间供暖能耗[13]。本试验测得的室内外环境温度、太阳辐射强度数据如图4所示。第1天、第4天、第7天天气晴，最大辐射强度为361.2 W/m2，日累计太阳辐射为1.3~1.7 kWh/m2，室外平均温度为11.1~14.5 ℃；第3天、第5天、第6天为阴天，日累计太阳辐射0.2~0.3 kWh/m2，室外温度为1.8~6.1 ℃；第2天为多云天气，太阳辐射较弱，仅为0.3 kWh/m2，但室外平均温度高于阴天，为11.2 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F004图4室内外环境温度及太阳辐射强度室内温度随太阳辐射强度的增加而升高，由于实验舱保温性能较好，因此其内部的蓄热升温现象非常明显。每日试验初始阶段，室内外温差较小，随着试验的进行，太阳辐射热和水流散热的共同作用使实验舱内温度上升，室内外温差逐渐增大。晴天（第1天、第4天、第7天）实验窗受太阳辐射得热影响更大，舱内的最高温度出现在中午太阳辐射最大的时段，最大温升达22.4 ℃；而阴天（第2~第3天、第5~第6天）室内温度受窗体的散热量影响较大，随着试验进程的推进，室内温度不断升高，在试验结束时刻达到峰值，最大温升为9.8 ℃。当阴天全天太阳辐射都很弱的时候，安装真空水流窗的A舱舱内温度总是略大于安装中空水流窗的B舱，约高出0.4~0.8 ℃，因此真空水流窗保温性能优于中空水流窗。2.1窗体热性能对比窗体的内表面温度反映窗体与室内环境的换热情况。真空水流窗、中空水流窗与双层水流窗内表面温度对比如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F005图53种窗的内表面温度变化及太阳辐射强度在晴天条件下（第1天、第4天、第7天），内表面温度主要受太阳辐射的影响，3种窗的内表面温度随太阳辐射强度增大而升高，且差异较小，约为0.7 ℃。而在太阳辐射强度较弱的第2~第3天、第5~第6天，内表面温度主要受水流散热影响，双层水流窗与中空水流窗和真空水流窗的最大温差分别为2.6 ℃、2.4 ℃；真空水流窗相比于中空水流窗内表面温度通常更高，但二者差值较小。这是由于双层水流窗外侧为透明玻璃，其保温性能差，相当一部分热量向室外散失，使得向室内传递的热量低于真空水流窗与中空水流窗。综合以上情况，水流窗结合具有良好保温性能的玻璃结构，如真空玻璃能够帮助调节室内热环境并提升室内热舒适性。实验窗外表面温度变化如图6所示，水流层经由外玻璃向室外的散热越多，窗的外表面温度越高，说明外侧玻璃保温性能越差。真空水流窗的外表面温度远低于双层水流窗，在晴天时，两者外表面平均温差约为8.0~9.5 ℃，阴天时的温差约为13.0~15.0 ℃；相比于中空水流窗，真空水流窗的外表面温度低约2.5~3.5 ℃，且与室外环境温度十分接近，这体现了真空水流窗更优异的保温性能。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F006图63种窗的外表面温度变化及室外温度变化通过内外表面温差进一步分析发现，双层水流窗的内外表面温差在试验中差距较小，平均为1.43~3.17 ℃，这是由于双层水流窗向室外环境散热过多，使其外表面温度过高。而中空水流窗与真空水流窗内外表面温差远大于双层水流窗，平均分别为7.79~16.91 ℃与10.61~20.46 ℃。综上所述，水流窗在冬季的应用中，结合真空玻璃比中空玻璃有更好的保温性能。实验窗内表面热通量的对比如图7所示，实验窗向室内散热为正，吸热为负。内表面热通量随试验推移呈下降趋势，这是因为室内蓄热后温度升高，窗体与室内环境换热减弱。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F007图73种窗的内表面热通量变化及太阳辐射强度在太阳辐射较强时，双层水流窗由于外表面吸收率较高[14]，使得外表面温度更高，使水层的向外散热量降低，能够更多地向实验舱内传热，因而各实验窗内表面的热通量差值很小。在太阳辐射较弱时，内表面热通量主要受水流层散热的影响，由于外侧保温玻璃的存在，真空与中空水流窗的水流层向室内的散热更多，两者的内表面热通量差值非常小，最大仅约为10 W/m2。外侧保温玻璃能够减少水流的向外散热量，使其向室内散热更多，有助于降低热损耗，调节室内环境的热舒适性。水流窗在冬季应用中向低温环境散热。在水流散热量一定的前提下，向室内散热多则说明该窗体的热利用率更高，但水散热量受室外环境条件、水流层温度以及室内温度变化的影响。在太阳辐射较强的晴天，太阳辐射对水温及水流窗的热性能有显著的影响，水流吸收的太阳辐射热大于向外的散热量时，水温上升。实验窗的水流散热量如图8所示，其中正值代表水流散热，负值代表水流得热。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.F008图83种窗的水流散热量及太阳辐射强度在第1天、第4天、第7天太阳辐射较强的正午时段，3种实验窗均出现吸热现象，一方面水流层吸收更多的太阳辐射热；另一方面，由于太阳透射得热增加，室内温度上升，水流窗向室内的散热量降低，此时当水流层吸收的太阳辐射热大于向室内外环境的散热量时，出口水温上升。分析图8可知，在总计3天晴天的工况下，27个统计时刻中，双层水流窗持续散热，中空水流窗、真空水流窗分别出现8次、15次吸热时刻，频率分别为29.6%、55.6%，最大吸热量分别为105.71 kJ、320.18 kJ，真空水流窗的平均吸热量为中空水流窗的2.7倍。这是由于真空水流窗的保温性能强于其余两种实验窗，使得水流能够利用更多的热能，因此真空水流窗的太阳能集热能力亦显著强于其余两种水流窗。水流日累计散热量如表2所示。由表2可知，天气晴好时，真空水流窗的总水热损耗极小。在第4天、第7天甚至出现吸热现象，而其余两种实验窗仍有水热损耗。在阴天（第2~第3天、第5~第6天），太阳辐射弱时，窗体向室内外的散热是水流散热量发生变化的主要影响因素，双层水流窗、中空水流窗、真空水流窗的水流散热量依次降低。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.T002表2日累计水散热量窗户天数1234567双层水流窗2 5843 8447 3023 0626 87510 2863 354中空水流窗1 2132 8623 7192384 7345 8431 567真空水流窗262 0312 715-3363 6594 645-148kJ在室外气温更低的第3天、第5天、第6天，真空水流窗的日累计水流散热量最小，分别比双层水流窗和中空水流窗低54.8%、21.0%。真空玻璃具有更好的保温性能，使真空水流窗受室外环境影响更小。双层水流窗的日累计散热量波动较大，如在室外温度最低的第6天，日累计水散热量高达10 286 kJ；而在同样阴天工况下，室外温度稍高的第5天，日累计水散热量降为6 875 kJ，但是第5天和第6天的内表面热通量基本一致。这是由于双层水流窗外侧玻璃保温性能过差，受室外环境条件影响较大所致。结合内表面热通量数据，根据式(4)计算最冷的第6天实验窗的水热利用率。真空水流窗、中空水流窗和双层水流窗的水热利用率依次降低，分别为44%、36.4%、16.2%，真空水流窗与中空水流窗的水热利用率分别是双层水流窗的2.25倍与2.72倍，均远高于双层水流窗。真空水流窗的水热利用率最高。2.2水流量对窗体热性能的影响选取气象条件接近的第2天、第3天、第5天分析不同供水流量的影响。其供水流量分别为400 mL/min、600 mL/min与800 mL/min。分析发现，改变供水流量对水流窗热性能有显著影响。通过窗体的水流散热量与内表面热通量分别如表3、表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.T003表3不同供水流量下的换热量对比供水流量/（mL/min）换热量/kJ双层水流窗中空水流窗真空水流窗4003 8442 8622 0316007 3023 7192 7158006 8754 7343 65910.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.002.T004表4不同供水流量下的内表面热通量对比供水流量/（mL/min）内表面热通量/（W/m2）双层水流窗中空水流窗真空水流窗400421541685600641846875800685853835当供水流量增加时，真空水流窗与中空水流窗的日累计散热量均增加，中空水流窗的水流散热量增加更多，这是由于供水流量的增大，加强了水流与玻璃之间的对流换热，而中空玻璃较真空玻璃保温性更差，有更多的热损失向外散出。且水流散热量受室外环境影响较大，第2天的室外温度与太阳辐射强度均高于第3天，即当供水流量从600 mL/min增加到800 mL/min时，水散热量增加得更多。双层水流窗的散热量变化并不显著，这是由于其外侧玻璃保温性能过差，受室外环境条件影响较大。对比玻璃内表面热通量数据变化可以发现，供水流量从400 mL/min增加到600 mL/min时，真空水流窗、中空水流窗与双层水流窗内表面热通量分别增加62.6%、56.3%、52.5%，实验窗内表面热通量均有明显增加，且真空水流窗增幅最大。供水流量进一步增加至800 mL/min时，内表面热通量基本不变，但此时水流散热量继续增加，说明此部分热量向室外散失，即供水流量在600 mL/min以下时，通过增加供水流量能够有效强化窗体向内散热。3结语通过搭建真空水流窗的热性能试验测试平台，与中空水流窗和双层水流窗的对比，进行夏热冬冷气候条件下，冬季非空调工况下真空水流窗热性能的试验研究。得出主要结论如下：（1）真空水流窗和中空水流窗对室内热环境均有良好的调节作用，A舱舱内温度总是略高于B舱，约为0.4~0.8 ℃，真空水流窗的保温性能优于中空水流窗。且室外气温与太阳辐射强度越低，真空水流窗保温性能强的优势越明显。水流窗在通入低温热水作为散热末端时宜结合保温效果优异的玻璃使用，真空玻璃的保温效果优于中空玻璃。（2）真空水流窗的水流热利用率更高，中空水流窗和双层水流窗的热利用率依次降低。在晴天工况下，双层水流窗持续散热，而真空水流窗与中空水流窗可以实现太阳能集热，前者的平均吸热量为后者的2.7倍，真空水流窗的太阳能集热能力显著高于中空水流窗与双层水流窗。（3）供水流量在600 mL/min以下时，供水流量增大可以有效增加窗体内表面热通量，且真空水流窗增幅最大。继续提高供水流量，水散热量进一步增大，但有较多热量向外散失。