百葉覆蓋下足尺外窗內壁對流換熱特性研究

鄭凱杰 袁艷平 蔣福建

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

我國碳減排工作已經進入總量控制階段。建筑作為能源消耗的三大“巨頭”之一，是溫室氣體排放的重要來源。建筑節能將是我國實現綠色低碳可持續發展的關鍵[1]。目前的建筑能耗過高的主要原因之一是其圍護結構熱工性能較差；外窗是建筑保溫中最薄弱的環節，其長期使用能耗約占整個建筑長期使用能耗的50%[2]，因此各國的節能規范和措施注重對外窗熱工性能的控制。遮陽的使用能有效的減少太陽輻射進入室內，減少太陽得熱，因此其成為設于外窗之上最常見的節能技術，其中內遮陽因其易于維護和調節被廣泛的應用于建筑遮陽中。目前對百葉覆蓋下外窗內壁換熱的研究[3-5]大都基于縮尺外窗（窗高≤0.41m），而典型的外窗其窗高往往高于1.5m，基于縮尺外窗的研究不一定適用于足尺外窗的換熱分析。因此本文基于百葉覆蓋下足尺外窗（窗高2.1m）的換熱實驗對外窗內壁的對流換熱特性展開研究。

1 工況設置

實驗研究中共設計了兩種主要工況：遮陽工況和非遮陽工況。遮陽工況代表太陽輻射直接照射外窗的情形，如夏季晴天時位于建筑陽面的外窗；非遮陽工況代表太陽輻射未直接照射外窗的情況，如外窗位于建筑陰面的外窗。遮陽工況考慮了百葉表面吸收太陽輻射強度為350W/m2和120W/m2的兩種案例（分別對應遮陽工況1 和遮陽工況2），參考百葉表面溫度與百葉表面吸收太陽輻射強度的關系[6]，將百葉表面設置為定溫條件。參考縮尺外窗內壁對流換熱實驗[7]對非遮陽工況外窗內壁及室內空氣間的溫差進行設置。

表1 工況設置Table 1 Working condition settings

實驗裝置周邊的環境如表2 所示，周邊壁面的材質均為常見的辦公建筑室內裝修材質，周邊壁面的溫度與常見辦公建筑夏季室內壁面溫度相近。因此，本文百葉覆蓋下外窗內壁及百葉的換熱特性研究是基于典型夏季辦公建筑室內環境展開的研究。

表2 周邊壁面材質及溫度情況Table 2 Surrounding wall material and temperature

2 實驗裝置及數據處理

2.1 實驗裝置

百葉覆蓋下外窗內壁對流換熱的實驗工作在寬敞的實驗用房中進行，實驗用房中配備的空調及油汀用于環境溫度的控制。參考等溫豎壁自然對流實驗研究的設置[8]，在實驗裝置四周布置高2800mm 的膠合板，減少由空調引起的強制對流對實驗結果的影響，如圖1 所示。

圖1 實驗裝置及其附件示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device and its accessories

實驗裝置的設計參考百葉內遮陽相關的實驗研究[7,9]，實驗裝置由等溫豎壁構件和等溫百葉構件組成。等溫豎壁構件如圖2 所示，等溫豎壁構件由鋁板、加熱層、保溫層及支撐架構成，鋁板正面被拋光處理用于等效外窗內壁。鋁板的導熱率大且易于加熱膜的貼附，鋁板被加熱后鋁板表面的溫度較均勻，因此內遮陽百葉相關的換熱研究[7,8]中均使用等溫鋁板等效外窗內壁進行實驗研究。

圖2 等溫豎壁構件實物圖Fig.2 Physical diagram of isothermal vertical wall components

本實驗采用尺寸為1200mm×2100mm×10mm的鋁板模擬高度為2100mm 的外窗內壁，通過貼附于鋁板背面的加熱層對鋁板進行加熱。通過調節加熱片的加熱功率維持鋁板表面的溫度差異在2℃以內。在加熱層的背部布置硅酸鋁保溫棉和聚苯乙烯泡沫板組成的厚度為135mm 的保溫層，鋁板和加熱層四周填充硅酸鋁保溫棉，減少加熱層的熱量從等溫豎壁構件正面（即鋁板正面）以外的其他表面散熱入室內。鋼制的支撐架被用于固定鋁板、加熱層及保溫層，并通過支撐架底座的旋鈕調整鋁板正面垂直于地面。

等溫百葉構件由內遮陽百葉和聚酰亞胺（PI）加熱膜組成，用于模擬等溫的內遮陽百葉。在PVC百葉表面貼附同尺寸的PI加熱膜對百葉進行加熱。如圖3 所示，PVC 百葉簾由105 片百葉組成，百葉簾的尺寸為2100mm×1200mm。單片百葉的尺寸為1200mm×23.7mm×0.2mm，相鄰的兩片百葉的間距為Ps=20mm。

圖3 等溫百葉構件實物圖及百葉幾何參數Fig.3 The physical diagram of isothermal louver components and the geometric parameters of the louver

2.2 實驗測點布置

本實驗目的是測得等溫豎壁和百葉表面的對流換熱量。豎壁的對流換熱量通過等溫豎壁構件與周邊環境的熱平衡關系計算推導而得，熱平衡計算推導詳情見2.3 節。百葉表面的對流換熱量也由相應的熱平衡計算獲得。熱平衡計算中涉及的溫度參數包含豎壁表面溫度、百葉表面溫度、實驗環境空氣溫度及周邊環境壁面溫度；涉及的熱量參數包含硅膠加熱膜加熱量、PI 加熱膜加熱量和等溫豎壁構件板除豎壁表面以外的其他表面的散熱量。

豎壁表面溫度由鋁板背部均勻布置的熱點偶測得。如圖4 所示，24 根T 型熱電偶由導熱膠固定至鋁板背部事先鉆好的深度5mm、直徑4mm 的24 個孔洞用于鋁板溫度的監測。鋁板導熱率大，鋁板內部溫度測點的溫度與鋁板正面溫度基本相同，可用鋁板內部測點的溫度代替鋁板正面溫度。由于貼附于百葉表面的PI 加熱膜共由10 個調壓器分別控制，對于由同一個調壓器控制的PI 加熱膜其表面溫度基本相同，因此21 根T 型熱電偶被布置于隸屬于不同調壓器的百葉表面用于百葉表面的溫度的監測，如圖4 所示。實驗環境空氣溫度由布置于鋁板中軸線正前方500mm 遠處三個高度水平處的T 型熱電偶測得。周邊環境壁面溫度由貼附于壁面的11 根T 型熱電偶測得（其中地面及天花板溫度各由一根T 型熱電偶測得，未在圖中展示），測點布置如圖4 所示。

圖4 溫度測點及熱流測點布置圖Fig.4 Layout of temperature measuring points and heat flux measuring points

等溫豎壁構件豎壁（即鋁板正面）以外的其他表面的散熱量由尺寸為100mm×50mm×2.5mm 的JZRL-2 熱流計片測得熱流密度后計算而得，熱流計片被布置于加熱層背部及鋁板四周的保溫層內，測點布置如圖4 所示。鋁板背部加熱層的加熱量及百葉表面貼附的PI 加熱膜加熱量由萬用表測得加熱膜的電流、電阻及電壓計算而得。

2.3 實驗原理

等溫豎壁的對流換熱通過熱平衡法計算而得。熱平衡法是通過穩態條件下，等溫豎壁構件與周邊環境的熱平衡關系得出豎壁（即鋁板正面）的對流換熱量。等溫豎壁構件與周邊環境的熱平衡關系如圖5 所示。

圖5 等溫豎壁構件與周邊的熱平衡關系示意圖Fig.5 Schematic diagram of the thermal equilibrium relationship between the isothermal vertical wall member and the surrounding

圖中的熱平衡方程可用式（1）進行表示：

式中，Is為等溫豎壁構件內熱源加熱強度（即加熱層加熱強度），W/m2；Ir為豎壁與周圍壁面的凈長波輻射換熱強度，周圍壁面包括周邊環境壁面和百葉表面，W/m2；Icv為豎壁與實驗環境空氣的對流換熱強度，W/m2；Icd為等溫豎壁構件從豎壁（即鋁板正面）以外表面的散熱強度，W/m2。

在本次實驗中，Is可由上文中所測量的相關參數結合式（2）計算得出；Icd利上文所設置的熱流密度計測量和計算得出；Ir則通過豎壁與周邊壁面的角系數關系（見表3），結合上文中所測得豎壁表面溫度、百葉表面溫度及周邊環境壁面溫度經節點網絡法進行計算得出，W/m2。等溫豎壁的對流換熱強度Icv，在測量或計算等溫豎壁構件的Is、Ir和后，Icd可間接計算得出等溫豎壁的對流換熱強度Icv。

表3 豎壁與周邊的角系數關系Table 3 The relationship between the vertical wall and the surrounding angle coefficient

式中，QS為加熱層加熱量，US為供電電源電壓，V；iS為流經電源的電流強度，A；ir為流經導線的電流強度，A；Rr為導線電阻，Ω。

2.4 誤差分析

根據誤差傳遞理論，由式（2）可得，本章所設計實驗模型內熱源量的相對誤差可用下式計算[10]：

表4 公式（3）中的參數誤差Table 4 Parameter errors in Equation(3)

由式（1）可得等溫豎壁表面平均對流換熱量的相對誤差計算公式由下式得到：

表5 公式（4）中的參數誤差Table 5 Parameter errors in Equation(4)

結合不同工況下實驗所得出的參數的極值，以及相關儀器和計算方法的相對誤差，可得等溫豎壁表面平均對流換熱量的相對誤差為9.65%。其結果在工程研究范圍內可接受，故認為上述實驗結果可信。

3 結果與討論

3.1 內遮陽百葉對外窗內壁對流換熱的影響

首先比較了非遮陽工況（太陽輻射未直接照射外窗）時，百葉的設置對外窗內壁對流換熱的影響。其中，未設置內遮陽百葉外窗內壁的對流換熱量由等溫豎壁對流換熱的經驗公式[11]計算而得。如圖6所示，對于非遮陽工況，當內遮陽百葉中心距離外窗內壁為21.5mm 時，內遮陽百葉的設置對外窗內壁對流換熱影響較小（差異在1%以內）。因此，對于非遮陽工況，百葉距離外窗內壁并非特別近的情況時，內遮陽百葉的設置對外窗內壁對流換熱的影響較小。

圖6 非遮陽工況時百葉設置對外窗內壁對流換熱的影響Fig.6 Influence of louver setting on the convective heat transfer of the inner surface of the window under non-shading conditions

其次，比較了遮陽工況時，百葉的設置對外窗內壁對流換熱的影響。由圖7 可以發現，即使在外窗內壁的溫度高于室內空氣溫度17℃的情況下，內遮陽百葉的設置使得外窗內壁對流得熱，而非對流散熱。對于遮陽工況，內遮陽百葉遮擋并吸收太陽輻射后百葉具有較高的溫度，因此外窗內壁可能為對流得熱。

圖7 遮陽工況時百葉設置對外窗內壁對流換熱的影響Fig.7 Influence of louver setting on the convective heat transfer of the inner surface of the window under shading conditions

3.2 百葉簾開啟程度對外窗內壁對流換熱的影響

百葉簾開啟程度為百葉簾覆蓋下的外窗內壁面積與外窗內壁總面積的比值。由圖8 可以發現，對于非遮陽工況2 而言，百葉簾的開啟程度對外窗內壁對流換熱的影響較小。對于非遮陽工況，當百葉距離外窗內壁較遠時（安裝距離為21.5mm），百葉對外窗內壁周邊空氣溫度的影響較小，因此百葉的設置或百葉簾的開啟程度對外窗內壁對流換熱基本沒有影響。

圖8 非遮陽工況時百葉簾開啟程度對外窗內壁對流換熱的影響Fig.8 Influence of the opening degree of the venetian blinds on the convective heat transfer of the inner surface of the window under non-shading conditions

由圖9 可知，遮陽工況時百葉簾的開啟程度對外窗內壁對流換熱有顯著的影響。當百葉完全覆蓋外窗內壁時，外窗內壁為對流得熱；而當百葉簾部分覆蓋外窗內壁時，外窗內壁為對流散熱。外窗內壁對流換熱并非與百葉簾開啟程度呈線性關系，其中百葉簾的開啟程度由3/3 調整為2/3 后，外窗內壁的對流換熱量變化較大。

圖9 遮陽工況時百葉簾開啟程度對外窗內壁對流換熱的影響Fig.9 Influence of the opening degree of the venetian blinds on the convective heat transfer of the inner surface of the window under shading conditions

4 結論

本文通過百葉覆蓋下足尺外窗內壁換熱實驗研究了外窗內壁對流換熱水平，得出以下結論：

（1）對于非遮陽工況，當內遮陽百葉距離外窗內壁足夠遠時（百葉中心距外窗內壁距離≥21.5mm），內遮陽百葉的設置或百葉簾的開啟程度對外窗內壁的對流換熱影響不大。

（2）對于遮陽工況，內遮陽百葉覆蓋下足尺外窗內壁的對流換熱可能為負值，即外窗內壁為對流得熱。

（3）對于遮陽工況，百葉簾的開啟程度對外窗內壁對流傳熱方向有顯著的影響。當百葉完全覆蓋外窗內壁時，外窗內壁為對流得熱；而當百葉簾部分覆蓋外窗內壁時，外窗內壁可能為對流散熱。此外，外窗內壁的對流換熱并非與百葉簾的開啟程度呈線性關系。