建筑排风隔热外窗冬季结露机理与防治

张冲 王劲柏 李辽 刚文杰

华中科技大学建筑环境与能源应用工程系

0 引言

排风隔热窗由多层玻璃及其玻璃夹层间的排风空腔组成，该外窗结构使室内空调排风流经外窗内部的排风空腔，排风气流与玻璃、及内置遮阳百叶表面进行强制对流换热，从而降低室内空气与外窗室内侧玻璃表面之间的传热温差[1]。该外窗结构（如图1 所示）可以充分利用低品位的空调排风，显著降低外窗形成的冷、热负荷，实现排风热回收的同时，有效改善室内热环境[2-3]。

图1 排风隔热窗的结构原理图

排风隔热窗通过有效利用低品位空调排风，取得很好的节能效果，当前国内外学者针对该外窗的传热模型、能耗特性及结构优化等展开了大量的研究[1-6]。但是，排风隔热窗在冬季工况的实际运行中，当中间层玻璃室内侧表面温度等于或低于此时空调排风的露点温度时，在该玻璃表面即会出现结露。结露的发生会影响外窗的视野、对空气流动形成阻力、改变排风气流与玻璃间的传热特性、同时容易滋生细菌。因此，在冬季工况下，如何界定及防治结露的出现值得进一步研究。

本文利用经过实验验证的排风隔热窗区域模型，计算分析其内部出现结露时的临界边界条件，研究排风隔热窗相关运行和设计参数对其冬季结露的影响，同时提出有效的结露防治措施，为排风隔热窗在冬季正常运行及寒冷气候区的应用提供理论依据。

1 冬季结露的理论背景与防治措施

厘清排风隔热窗冬季结露的理论背景，对结露防治至关重要。在冬季工况，当排风隔热窗中间层玻璃室内侧表面温度等于或低于此时空腔中排风气流的露点温度时，即会出现结露现象。为了避免结露的出现，应该控制中间层玻璃的室内侧表面温度，使其始终高于空调排风的露点温度。因此，降低排风的露点温度以及提高该玻璃的表面温度，是避免发生结露的主要途径。

假设空调房间的排风温度等于室内空气温度，因此排风的露点温度由室内空气温度和相对湿度决定。中间层玻璃的室内侧表面温度则同时由排风隔热窗的设计和运行参数、室内外环境条件决定 [2]。本文定量分析和评价室内空气温度、相对湿度、排风隔热窗的排风速度以及使用 Low-e 玻璃是否能够有效地避免排风隔热窗在冬季出现结露。

2 排风隔热窗数值传热模型的建立

本文利用区域模型计算排风隔热窗在不同运行和设计参数、及不同室内外环境条件下的内部温度分布情况，并将计算所得的中间层玻璃的室内侧表面温度与此时排风露点温度进行比较，以此判断该计算工况条件下是否出现结露，由此分析得到界定排风隔热窗内部出现结露的临界边界条件。

在作者前期工作中，排风隔热窗二维区域模型的准确性和可靠性，已经通过实验进行充分的验证 [2]。本文利用二维区域模型，计算排风隔热窗内部稳态的温度分布情况，用于判断其内部是否会出现结露现象。图2为冬季工况排风隔热窗区域模型的离散示意图，沿垂直高度方向，将其平均划分为若干层（N层），而每层则由5 个区域组成，分别是各玻璃区域、密闭空腔及排风空腔。基于能量守恒建立各区域的控制方程，故各层外窗结构可建立5 个控制方程。排风隔热窗内部第j 层单元的控制方程，可由如下公式表示。

图2 排风隔热窗冬季工况区域模型的离散示意图

式中：h为对流换热系数，W/m2K；Isol为入射辐射强度W/m2；ma为排风气流的质量流量，kg/h；Ca为空气比热，J/ kgK；α为太阳辐射吸收率；ε为表面发射率；σ为Stefan-Boltzmann 常数；W和H分布为玻璃的宽度和高度，m；Tin、Tout、Tsky和Tground分别为室内空气、室外空气、天空及室外地面温度，K。上述各参数的详细计算方法可见参考文献[2,3]。

式（1）～（5）为排风隔热窗内部第j层结构的能量平衡方程，利用上述方法，对排风隔热窗整个结构进行建模，即可得到5×N个能量平衡方程。在给定计算边界条件的情况下，利用 Matlab 软件对上述能量平衡方程组进行迭代求解，即可计算得到排风隔热窗内部各区域的温度值。关于排风隔热窗的区域模型详细建模、求解、及实验验证过程，可参考作者的前期工作[2-3]。

3 排风隔热窗冬季工况的结露分析

本文利用区域模型，计算在不同室外空气温度下，排风隔热窗中间层玻璃室内侧的表面温度，并与此时空调排风的露点温度进行比较，判断是否会出现结露现象，同时计算分析室内空气温度、室内相对湿度、排风速度以及使用Low-e 玻璃对排风隔热窗在冬季工况结露的影响，确定排风隔热窗内部出现结露时的临界边界条件。本文计算过程中，排风隔热窗由室外侧的双层中空玻璃（6 mm+12a+6 mm）、室内侧单层玻璃（6 mm）及两者间的排风空腔（30 mm）组成。

图3为在不同室外空气温度情况下，计算所得的中间层玻璃室内侧表面温度，同时考虑了排风速度和室内空气温度对计算结果的影响。

图3 排风速度对排风隔热窗冬季结露的影响

图3（a）中室内空气状态对应的露点温度为9.3 ℃，当该玻璃表面温度等于或低于此露点温度时，即会出现结露。由图可知，不同排风速度时均存在一个结露室外临界温度，当室外空气温度高于该结露室外临界温度时，即不会出现结露现象，反之则会出现结露。因此，结露室外临界温度越低时，排风隔热窗在冬季越不容易出现结露。在图3（a）的室内空气状态下，当排风速度分别为0.1 m/s、0.2 m/s、和0.3 m/s 时，排风隔热窗的结露室外临界温度分别为-1.6 ℃、-3.3 ℃和-5.1 ℃。由此可知，提高排风速度可以在一定程度上降低排风隔热窗的结露室外临界温度，从而提升其抵御结露的能力。但是，当室外空气温度低于-5.1 ℃时，即会出现结露，说明通过提高排风速度，消除排风隔热窗冬季结露的能力十分有限。

降低冬季室内空调设定温度时，由图3（b）的结果可知，当室内温度由20 ℃降低至18 ℃时（假设相对湿度保持不变），排风露点温度则由 9.3 ℃下降至7.5 ℃，此时结露室外临界温度分别略微降低为-3.2 ℃、-4.9 ℃、和-6.7 ℃，对应的排风速度分别为 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s。由此可知，在不影响室内热舒适性的情况下，适当降低室内空调设定温度，对提高排风隔热窗冬季抵御结露的能力十分有限。

图4 的计算结果揭示了室内相对湿度对排风隔热窗冬季结露的影响，同时考虑室内空气温度和排风速度的影响。由图可知，降低室内相对湿度，可以显著降低露点温度。当相对湿度由 50%分别降低至 40%和30%时，排风速度仅为 0.1 m/s 的情况下，见图4（a），此时结露室外临界温度可以由-1.6 ℃分别下降至-9.0 ℃和-18.8 ℃。该计算结果意味着，在冬季当室内温度是20 ℃、相对湿度是 30%时，室外空气温度不低于-18.8 ℃时，排风隔热窗则不会出现结露。此时，进一步将室内空气温度降低至 18 ℃时，见图4（b），相对湿度 30%、排风速度0.1 m/s 时对应的结露室外临界温度则为-20.1 ℃。由此可知，在温度不变的情况下，通过降低室内的相对湿度，可以显著提升排风隔热窗防结露的能力。

图4 室内相对湿度对排风隔热窗冬季结露的影响

本文进一步研究了使用 Low-e 玻璃对排风隔热窗冬季结露的改善作用，将排风隔热窗中间层玻璃设置为Low-e 玻璃，低发射率 Low-e 膜位于中间层玻璃的室外侧表面，其表面发射率为 0.141[7]，远低于普通白玻璃0.84 的表面发射率，从而有效减少外窗冬季的热损失。图5为排风隔热窗使用 Low-e 玻璃前后，对应的中间层玻璃室内侧表面温度的计算结果。由计算结果可知，使用 Low-e 玻璃可以显著提高排风隔热窗中间层玻璃的室内侧表面温度，从而避免结露的发生。当使用发射率为0.141 的Low-e 玻璃之后，在室内空气处于温度为20 ℃和相对湿度为50%的状态下，即使室外空气温度接近-20 ℃时，在不同排风速度条件下，该玻璃的室内侧表面温度始终高于此时的排风露点温度，即不会发生结露。在图5 的计算工况下，当排风速度分别为 0.1 m/s、0.2 m/s 和0.3 m/s 时，此时排风隔热窗的结露室外临界温度则为-20 ℃、-24.3 ℃和-28.7 ℃。由此可知，使用Low-e 玻璃可以避免排风隔热窗在冬季极端天气条件下发生结露。

图5 使用Low-e 玻璃对排风隔热窗冬季结露的影响

4 结论

本文针对排风隔热窗冬季运行工况内部玻璃表面发生结露这一问题展开研究，分析其出现结露的理论背景，确定出现结露时的临界边界条件，提出避免冬季结露的有效措施。本文利用区域模型，计算排风隔热窗在不同运行参数和不同室内外边界条件下的中间层玻璃的室内侧表面温度，并将其与室内排风的露点温度进行比较，用于界定不同计算工况条件下，排风隔热窗内部是否会出现结露。

由上述计算结果可知，可从提高与排风气流相邻的玻璃表面温度，以及降低排风气流的露点温度这两个方面，来避免排风隔热窗在冬季发生结露。在室内空气温度不变的情况下，降低室内空气相对湿度，可以大幅降低其露点温度，从而防止结露的出现。尽管，该方法可以很好的避免结露的发生，但是根据室外的气候的变化，实现室内空气相对湿度的实时响应，该方法实现起来较为复杂。另一方面，使用 Low-e 玻璃可以显著提高中间层玻璃表面温度，从而降低排风隔热窗的结露室外临界温度，结果表明，当室外空气温度低至-20 ℃时，仍然可以避免结露的发生。

因此，为了提高排风隔热窗冬季防结露的能力，及其在寒冷及严寒气候区的适用性，排风隔热窗的中间层玻璃应使用 Low-e 玻璃，对于冬季极端的气候区，则可在实际运行过程中，在个别室外极端低温的条件下，配合适当提高排风速度以及降低室内设定温度则可避免结露的发生，或者采用表面发射率更低的玻璃，例如 Triple Low-e on clear 镀膜玻璃的表面发射率仅为0.021[7]。