发展建筑外窗节能技术是实现低碳节能建筑的一个重要方向[1]．现有的外窗节能技术主要可分为四类：第一类技术以降低窗户K值为目的，如真空玻璃[2]，气凝胶玻璃[3]等；第二类技术是控制长波辐射，如low-e玻璃[4]；第三类技术是降低太阳辐射的透射，如外遮阳[5]、内遮阳[6]、变色玻璃[7]；第四类技术是在窗户中使用低品位能和可再生能源提升窗户的热性能．许多学者在该方向进行了研究[8-11]．通风式玻璃幕墙[8]可以利用空调排风或室外空气带走玻璃空腔的热量，减少传统百叶窗空腔内部过热问题．文献[9]提出了一种带内置百叶的三层玻璃排风窗，可以利用空调排风中的低品位能，适用于供冷季和供热季．文献[10]提出了一种双循环的水流窗，该水流窗可以利用了地热能，可全年运行，并为生活热水预热．文献[11]提出了一种内嵌管窗，其将冷却管内嵌在窗户空腔内的遮阳百叶，以冷却窗户空腔，该窗户可利用自然冷源减少外窗的冷负荷．以上技术都表明在窗户中利用低品位冷源可以提升窗户的热特性．然而，对水流窗，其不好直接控制太阳辐射的透射：对内嵌管窗，其空腔内布置的内嵌管对窗户的视野具有一定的影响．为此本研究提供了一种新的外窗技术．该外窗同样利用低品位能减少建筑外窗室内得热，实现建筑节能．本研究首先介绍重力驱动冷却(gravity-driven cooling，GDC)窗的基本结构和工作原理；然后通过计算流体力学(CFD)建立对GDC窗的流动和传热模型，并通过试验数据验证该方法；最后将GDC窗与传统内置百叶中空玻璃窗、自然对流外呼吸玻璃幕墙进行热特性对比，通过模拟研究说明GDC窗结构设计的合理性．1 结构和原理重力驱动冷却窗的外窗由外层玻璃、遮阳百叶、中间透明层、内嵌管束及内层玻璃组成，结构如图1(a)所示．中间透明层分隔内外空腔，并且其上下部留有空气流通区域．遮阳百叶置于外侧空腔，内嵌管束中通低品位冷水，置于内侧空腔上部，以叉排或顺排方式布置，该部分对窗户视野基本不构成影响．该窗户空腔内的空气可以自循环流动且内侧空腔可以得到冷却，从而可以减少从内侧空腔通过内层玻璃进入室内的热量，减少空调冷负荷．出于对窗户美观性的需求，可将GDC窗外层玻璃和内层玻璃的上部设为非透明材料，使管束对外不可见，如图1(b)所示．GDC窗的内嵌管束外接冷水系统，管与管之间以串联或并联方式进行连接，本研究针对并联形式进行研究．冷水系统中的冷源为低品位冷源，如地下水、通过地埋管换热器得到的冷水，或者人工制取的高温冷水．10.13245/j.hust.221017.F001图1GDC窗的结构GDC窗可利用低品位冷源减少夏季建筑外窗的室内得热．在夏季，GDC窗外侧空腔的遮阳百叶会吸收太阳辐射，导致遮阳百叶的温度升高，进而会加热外侧空腔的空气，在热浮升力的作用下，外侧空腔的空气会向上流动，如图2所示．与此同时，内侧空腔上部的内嵌管束会冷却高温空气，在重力的作用下，内侧空腔中被冷却后的低温空气会向下流动．进一步地，内外侧空腔的空气会形成自循环流动．空气的自循环流动会增强管束的换热，提升内嵌管束的冷却作用，降低内侧空腔的整体空气温度，从而减少内侧空腔空气通过内层玻璃进入室内的热量，降低空调冷负荷．10.13245/j.hust.221017.F002图2GDC窗的运行机理草图2 数值模型2.1　物理模型本研究使用如图1(b)所示的GDC窗进行研究．GDC窗内有导热、固体表面和空气的对流换热、固体表面之间的长波辐射换热、空腔空气的热对流，以及GDC窗对太阳辐射的吸收、透射、反射多个换热过程．本研究采用二维稳态CFD模型模拟GDC窗的流动和传热．其中，使用等效内热源来替代窗户各介质层对太阳辐射的吸收作用．GDC窗结构几何参数如图3所示．总高度和宽度为1 m，不透明部分高度为0.1 m．内外玻璃厚度为5 mm，中间透明层厚度为2 mm．内外侧空腔厚度为30 mm．中间塑料薄膜上下部留空的间隙为30 mm．百叶位于外空腔中间，单根叶片的宽度为20 mm，厚为1 mm，倾角为45°，相邻叶片间距为20 mm，共48根叶片．内嵌管束整体位于内空腔上部不透光区域中心，管束呈叉排方式布置，共2列8排，纵向间距为10 mm，横向间距为12 mm．单管外径为6 mm，内径为5 mm．10.13245/j.hust.221017.F003图3GDC窗的几何参数 (mm)图4为GDC窗的材料和边界条件，图中：hin为内层内表面的对流换热系数；hout为外层外表面的对流换热系数；ts为太阳辐射空气综合温度；tout为室外温度；tin为室内温度．本研究中的GDC窗各层的材料设置如图4(a)所示，内外层玻璃采用普通玻璃，百叶采用铝制，中间透明层采用透明塑料薄膜，内嵌管束采用铜．详细的材料物性参数如表1．10.13245/j.hust.221017.F004图4GDC窗的材料和边界条件10.13245/j.hust.221017.T001表1材料热物性参数参数普通玻璃PVC透明塑料铝导热率/(W∙(m∙K)-1)0.280.055 80.12237.0发射率0.840.900 00.840.42.2　数学模型假设空腔内的空气为不可压缩流体，其流动遵循连续性方程和N-S方程，分别为∇⋅v=0；ρ(v⋅∇)v=-∇p+μ∇2v+ρg，式中：ρ为密度；v为速度矢量；p为压力；g为重力加速度；μ为动力黏度．采用SST k-ω模型模拟空气流动中的湍流效应．空气的热浮升力是通过采用Boussinesq假设计算，有ρ=ρ0[1-β(t-t0)]，式中：ρ0为空气的参考密度；t为温度；t0为空气的参考温度；β为空气的热膨胀系数．流体和固体区域的能量方程可以统一表示为ρ∇⋅(ctv)=∇⋅(λ∇t)+S，(1)式中：c为空气的比热容；λ为导热率；S为单位体积内热源生成的热量，包括固体表面之间的长波辐射和GDC窗对太阳辐射的吸收．在固体区域中，式(1)的左侧为0．使用S2S(面对面)模型计算固体表面之间的长波辐射．S2S模型假设固体表面为灰体和漫反射，有q1=εkσtk4+(1-εk)q2，式中：q1为离开k表面的长波辐射热流；q2为从其他表面发射到k表面的长波辐射热流；σ=5.67×10-8 W/(m2∙K4)，为黑体常数；εk为k表面的发射率；tk为k表面的温度．GDC窗的CFD模型边界条件如图4(b)所示．上下边界设为绝热．假设：管内表面和水之间的热阻较小；管内表面设为水温；窗户外表面和内表面为对流换热边界条件．外表面非透明部分对太阳辐射的吸收作用通过引入太阳辐射空气综合温度被考虑，综合温度计算公式为ts=tout+Isolεeohout，式中：Isol为太阳辐射强度；εeo为外层非透明部分的发射率．室外温度为35 ℃，室内温度为25 ℃，水管水温为18 ℃．对流换热系数[12-13]为hout=8.23+3.33{vo}m/s-0.036{vo}m/s2；hin=5.34+3.27{vi}m/s，式中：vo为夏季室外的平均风速，取2.6 m/s；vi为房间风速，根据舒适性要求取0.3 m/s．CFD模型中使用混合网格，在固体区域采用了结构化网格，在流体区域采用了非结构网格，并且在流体区域的边界处进行了网格加密，以确保y+小于1．总网格数量为1.9×105．采用Couple算法解决速度和压力的耦合问题．2.3　太阳辐射吸收计算WINDOW是一个免费开放的软件，可以根据须求构建窗户系统，并计算出其常用光学特性指标．对于如图1(b)所示的GDC窗，其上部设有非透明部分，仅考虑该结构透光高度段对太阳辐射的吸收、透射和反射作用．即将其等效为只有4层(外层玻璃、遮阳百叶、中间透明层和内层玻璃)的透射系统．在WINDOW软件中构建出该系统后可以计算出其各层对太阳辐射的吸收率．太阳辐射取500 W/m2，太阳高度角为60°．GDC窗内各层对太阳辐射的吸收会对其传热产生影响．在CFD模型中，通过在能量方程中增加源项来考虑窗户对太阳辐射的吸收作用．每层对太阳辐射的吸收都会被转化为等效的体积内热源添加到各层的透光高度范围对应的区域中，如图4(b)所示．2.4　模型验证使用上述模拟方法对文献[9]的排风隔热窗进形模拟，并和排风隔热窗的试验数据进行对比．排风隔热窗的试验系统如图5所示，试验中测量的室内外温度及垂直入射太阳辐射强度在CFD模拟中用作边界条件．模拟使用了瞬态模型，时间间隔为5 min．10.13245/j.hust.221017.F005图5排风隔热窗的试验系统和模型将试验测量的排风出口温度(ta)、窗户内表面温度(twi)和模拟结果进行对比，以验证模型．验证结果如图6所示，排风出口温度的均方根误差为0.6 ℃，最大误差为2.3 ℃，内表面温度的均方根误差为0.4 ℃，最大误差为1.5 ℃，相对误差在±5%内．该结果表明本文模型具有足够的可信度．10.13245/j.hust.221017.F006图6模拟值和试验测量值结果对比1—twi测量值；2—twi模拟值；3—ta测量值；4—ta模拟值．3 结果分析将GDC窗和传统百叶窗、自然对流外呼吸玻璃幕墙进行热性能对比；同时通过模拟数据说明GDC窗内空腔分区和空气循环流动的有效性．为说明GDC窗内空腔分区和空气循环流动的有效性，将GDC窗和无空腔分区窗、无空气循环流动窗进行对比．如图7所示，将传统百叶窗、自然对流外呼吸玻璃幕墙、GDC窗分别设为Case1(传统百叶窗)、Case2(外呼吸玻璃幕墙)、Case3(GDC窗)，无空腔分区窗和无空气循环流动窗的分别设为Case 4(无空腔分区窗)和Case5(无空气循环流动窗)．5种结构参数高度均一致，相关参数均参考GDC窗参数设置，Case2的上下开口高度均为0.1 m．对Case2的下部和上部开口分别设为压力进口和压力出口．10.13245/j.hust.221017.F007图7不同窗户结构Case1~5的光学参数见表2．在WINDOW软件中．Case1，Case2，Case4按相同的透射系统计算；Case3和Case5按相同的透射系统计算．Case 3，Case5比Case1，Case2，Case4多了一层塑料薄膜，故其总吸收率高4.1%)．Case1~5结构实际的透光高度有不同，因此其对太阳辐射的吸收量根据不同的结构有所差异．Case1~5的太阳辐射总吸收量依次是100.3，93.4，99.3，90.2，99.3 W．10.13245/j.hust.221017.T002表2不同窗户的光学参数窗户吸收率外层百叶膜内层Case112.324.23.6Case212.324.23.6Case312.324.94.12.9Case412.324.23.6Case512.324.94.12.9%3.1　和传统内置百叶窗的比较Case1和Case3的温度场和速度场如图8和9所示．Case3的内侧空腔温度明显低于外侧空腔，而Case1的空腔温度整体较高，说明GDC窗的内嵌管束可以有效移除热量，降低内侧空腔温度．同时Case3存在明显的空气自循环流动，其最大流动速度为0.21 m/s，而Case1有微弱的空气流动，最大速度仅有0.03 m/s．10.13245/j.hust.221017.F008图8不同窗户温度场10.13245/j.hust.221017.F009图9不同窗户速度矢量图窗户吸收的太阳辐射，最终通过外层玻璃或内层玻璃进入室外或室内，或被管束(空气)移除部分热量．如表3所示，Case1的室内对流得热为55.4 W，Case3的室内对流得热仅有24.2 W，其被内嵌管吸收移除的热量为43.4W．相对于传统内置百叶窗，GDC窗的室内对流得热减少了56.3%．10.13245/j.hust.221017.T003表3不同窗户的换热量比较窗户室内对流得热室外对流热量管束移除热量Case155.444.9—Case241.720.531.2Case324.231.743.4Case448.925.715.6Case537.250.211.9W3.2　和自然对流外呼吸玻璃幕墙的比较如图8和图9所示，在自然对流的作用下，室外空气进入Case2的空腔移除了部分热量，使得Case2空腔温度低于Case1．由于Case2和室外空气连通，因此其空腔空气流速相对于Case3更大，但由于室外空气温度本身较高，Case3的内侧空腔温度比Case2更低．并且自然对流外呼吸玻璃幕墙热性能还受环境风压的影响，而GDC窗自身的空气系统是封闭的，不受环境风压影响．Case2的室内对流得热为41.7 W，通过室外空气自然对流移除的热量为31.2 W．在本研究所取的条件下，GDC窗的室内对流得热相比于自然对流外呼吸玻璃幕墙减少了42%，GDC窗内嵌管束移除的热量比自然对流外呼吸玻璃幕墙室外空气移除的热量多39.1%．3.3　和无空腔分区窗的比较Case4的内嵌管束仅在空腔上部区域冷却，其气流无法形成如Case3的自循环流动，并且其空腔整体温度仍然较高，如图10和11所示．Case4的室内对流得热为48.9 W，管束移除热量为15.6 W．Case3的室内对流得热相对Case4减少了50.5%，管束移除热量增加了1.8倍，说明GDC窗内的空腔分区起到了有效作用．10.13245/j.hust.221017.F010图10不同窗户温度场10.13245/j.hust.221017.F011图11不同窗户速度矢量图3.4　和无循环流动窗的比较Case5空腔不能形成气流循环，从而导致其内侧空腔无法得到更好冷却，其内侧空腔温度比Case3更高．Case5的室内对流得热为37.2 W，管束移除热量为11.9 W．GDC窗的室内对流得热相对其减少了34.9%，管束移除热量相对其增加了2.6倍，说明GDC窗内的空气循环流动对其热性能提升有重要作用．4 结语本研究提出了GDC窗．首先，使用CFD对其建立了流动和传热模型，并用试验数据对该方法进行了验证，结果显示该方法有较好的准确性和可信度．然后通过CFD模拟，将GDC窗和传统内置百叶窗、自然对流外呼吸玻璃幕墙进行了热性能对比，结果发现：当水温为18 ℃时，GDC窗通过内嵌管束移除的热量比自然对流外呼吸玻璃幕墙多39.1%；同时，GDC窗相对传统内置百叶窗和自然对流外呼吸玻璃幕墙的室内对流得热分别减少了56.3%和42%，说明GDC窗具有良好的热特性和节能潜力．最后，模拟数据显示GDC窗内的空腔分区结构设计和空气自循环流动对提升GDC窗的热性能有重要作用．