閉式內(nèi)循環(huán)幕墻熱工性能研究

王庭陽(中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司，北京 100054)

閉式內(nèi)循環(huán)幕墻熱工性能研究

Study on Thermal Performance of Closed Inner Circle Curtain Wall

王庭陽(中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司，北京 100054)

采用數(shù)值模擬的方法，研究了夏季和冬季時不同朝向遮陽系統(tǒng)對閉式內(nèi)循環(huán)幕墻熱工性能的影響。結(jié)果表明：夏季時，采用遮陽基本滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于4K（即28℃）的定量要求；冬季時，不采用遮陽系統(tǒng)均滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于4K（即16℃）的要求。

數(shù)值模擬；遮陽系統(tǒng)；閉式內(nèi)循環(huán)幕墻

玻璃幕墻是當(dāng)代的一種新型建筑外墻形式，具有采光面積大、美觀、裝飾性能好，且防腐性能優(yōu)異等優(yōu)點?，F(xiàn)在，玻璃幕墻以其樣式豐富多變，極具表現(xiàn)力的特點，越來越多地被用作建筑的外圍護結(jié)構(gòu)。由于玻璃幕墻圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)很大，加上夏季的溫室效應(yīng)，和幾十年前的隔熱性能良好的普通建筑物內(nèi)冬暖夏涼的特性完全相反，其耗能將高于普通建筑物。為了減少冬季供暖負荷和夏季制冷能耗，雙層玻璃幕墻應(yīng)運而生。

封閉式內(nèi)循環(huán)體系雙層玻璃幕墻，其外層外層一般由中空玻璃組成，內(nèi)層一般為單層玻璃幕墻或可開啟的單層玻璃窗，下部設(shè)有通風(fēng)口，室內(nèi)空氣由此通風(fēng)口進入熱通道，使進入熱通道的室內(nèi)空氣形成自下而上的強制性空氣循環(huán)。在室外太陽輻射強度高的地區(qū)，內(nèi)循環(huán)體系雙層玻璃幕墻對取暖地區(qū)更為有利。

Rayment 分別應(yīng)用單層、雙層玻璃及熱反射玻璃的幕墻節(jié)能性進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)與單層幕墻相比，應(yīng)用了雙層玻璃和熱反射玻璃的幕墻分別要節(jié)能 9% 和 10%。K.A.R.Ismail 和 J.R.Henriquez 通過建立基于質(zhì)量、動量和能量守恒原理的二維數(shù)學(xué)模型，對熱通道中浮力驅(qū)動下的空氣流動進行了研究，并分析討論了太陽得熱系數(shù)和遮陽系數(shù)對氣體流動的影響。朱清宇以某內(nèi)循環(huán)式 DSF 工程實例為對象建立物理模型，模擬計算不同工況下 DSF 的綜合傳熱系數(shù)，分析了 DSF 熱通道的風(fēng)速、寬度以及遮陽百葉位置對圍護結(jié)構(gòu)熱損失的影響?，F(xiàn)有的研究多以單層與雙層幕墻的對比或雙層玻璃幕墻與這樣結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，而有關(guān)于閉式內(nèi)循環(huán)幕墻熱工方面的研究并不深入，本文利用 CFD模擬了夏季和冬季時，在太陽輻射作用下不同朝向遮陽系統(tǒng)對式內(nèi)循環(huán)幕墻內(nèi)通道熱環(huán)境的影響。

1 數(shù)值模型

本文以地處北京的中國石油大廈的玻璃幕墻為研究對象，建筑高 22 層，廈外圍護結(jié)構(gòu)采用了雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻。內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)外層玻璃為：8TP+12A+8TP 雙銀Low-E 膜(透明)雙銀 Low-E 中空玻璃，外框為斷熱型材，內(nèi)層為 8TP 鋼化玻璃(透明)。內(nèi)外層玻璃之間的間距為 200 mm，內(nèi)外層之間采用電動調(diào)節(jié)遮陽百葉裝置，如圖1 所示，熱工參數(shù)如表1 和表2 所示：

表1 玻璃的熱工參數(shù)

圖1 中國石油大廈雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)示意圖

表2 雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻遮陽百葉性能參數(shù)

根據(jù)雙層玻璃幕墻傳熱過程的分析，應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件 FLUENT 對閉式內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻進行模擬，模擬采用精度較高的低 Re 數(shù) k-ε湍流模型?？紤]溫度差所產(chǎn)生的浮力作用，采用 Boussinesq 假設(shè)。閉式內(nèi)循環(huán)幕墻內(nèi)傳熱現(xiàn)象的模擬分析耦合了 CFD 的流體計算和傳導(dǎo)、對流及輻射傳熱計算，同時考慮了通過外層玻璃透射的太陽輻射(短波)對遮陽百葉和內(nèi)層玻璃的得熱影響。

在傳熱的耦合計算時，各個壁面始終保持熱量平衡。玻璃的導(dǎo)熱計算為一維導(dǎo)熱計算。在計算室外、室內(nèi)側(cè)的對流及輻射傳熱時，采用了表面綜合傳熱系數(shù)來評價在外壁面和內(nèi)壁面的輻射及對流換熱現(xiàn)象。在輻射計算時，固體表面假設(shè)為漫－灰表面，進風(fēng)口和排風(fēng)口為黑體。

在滿足建筑室內(nèi)環(huán)境設(shè)計要求的夏季空調(diào)工況和冬季采暖工況的條件下，進行閉式內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻的穩(wěn)態(tài)熱工計算，其中雙層閉式內(nèi)循環(huán)玻璃幕通風(fēng)量：3～5 L/m/s；冬季太陽輻射照度：南向太陽總輻射照度為 102 W/m2， 北向計算太陽總輻射照度為 0；夏季太陽輻射照度：南向計算太陽總輻射照度為 447 W/m2； 西向計算太陽總輻射照度為697 W/m2，其他參數(shù)如表3 所示。

表3 室內(nèi)外計算參數(shù)

2 研究內(nèi)容

雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻傳熱情況可以分為內(nèi)遮陽百葉收起和內(nèi)遮陽垂下兩種情況，從季節(jié)上可以分為冬季和夏季來分析。

2.1 夏季雙層玻璃幕墻熱工分析

在夏季，當(dāng)雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)遮陽百葉收起時，其傳熱過程見圖2。由圖可見，在室外空氣溫度和太陽輻射熱作用下，熱量由室外向室內(nèi)傳遞，利用內(nèi)循環(huán)氣流可以帶走部分熱量，從而減少了向室內(nèi)的熱量傳遞。但是，由于沒有遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到內(nèi)層玻璃，內(nèi)層玻璃吸熱，雖然部分熱量會向室內(nèi)外散熱，但在空氣傳熱和太陽輻射得熱的共同作用下，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度明顯升高，極不利于室內(nèi)熱舒適。

圖2 夏季內(nèi)遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖3 給出夏季南向和西向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內(nèi)層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

在炎熱的夏季，當(dāng)朝向為南向和西向的內(nèi)循環(huán)式雙層玻璃幕墻通風(fēng)腔間層的遮陽裝置收起時，由圖3 可以看出，朝向不同時，西向比南向外層玻璃內(nèi)表面溫度高約 12K，而內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度表面西向時溫度變化相對南向較大，但整體沿高度方向變化較小。隨著玻璃高度的升高，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度也快速升高。 值得注意的是西向雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻間層的遮陽百葉收起時，玻璃底端溫度是 25.3℃；在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 35.2℃，內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為 30.87℃，超過內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向時，玻璃底端溫度在 24℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 30.8℃，內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為28.20℃，略微超過內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

圖3 遮陽百葉收起時玻璃表面溫度場模擬結(jié)果

在夏季，當(dāng)雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)遮陽百葉垂下時，其傳熱過程示意圖見圖4。由圖可見，在室外空氣溫度和太陽輻射熱作用下，熱量由室外向室內(nèi)傳遞，利用內(nèi)循環(huán)氣流可以帶走部分熱量，從而減少了向室內(nèi)的熱量傳遞。但是，由于有遮陽百葉的遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到遮陽百葉上。雖然，在百葉內(nèi)表面輻射和空氣對流作用下向內(nèi)層玻璃傳熱，由于內(nèi)層玻璃沒有直接接受到輻射熱，玻璃內(nèi)表面溫度不會有很大升高，有利于改善室內(nèi)熱舒適。

圖4 夏季內(nèi)遮陽百葉垂下時雙層幕墻傳熱過程示意圖

給出夏季南向和西向幕墻間層遮陽百葉垂下時，玻璃面溫度的云圖和內(nèi)層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。(見圖5)。

圖5 遮陽百葉垂下時玻璃表面溫度場模擬結(jié)果

由圖5 可以看出，朝向不同時，西向比南向外層玻璃內(nèi)表面溫度高約 20℃，而內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度西向時溫度變化相對南向較大，單表面溫度沿高度方向變化較小。與遮陽系統(tǒng)收起時相比，外層玻璃內(nèi)表面溫度升高約 10 K。實驗結(jié)果顯示，與遮陽系統(tǒng)收起時相同，隨著玻璃高度的升高，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度也快速升高。 不同的是西向雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻間層的遮陽百葉收起時，玻璃底端溫度在24.6℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 32℃，內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為 28.24℃，略微超過內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向時，玻璃底端溫度在 24.4℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 29.8℃，內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為27.07，滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

夏季遮陽裝置垂下時，在求解收斂的情況下，由“Report”功能得到內(nèi)層玻璃內(nèi)表面面積加權(quán)平均的熱流流量 Q。

于是，該外循環(huán)式雙層皮玻璃幕墻的綜合傳熱系數(shù) K值為：

綜上所述，在夏季，如果南向和西向不使用遮陽百葉時，無法滿足內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。當(dāng)利用遮陽百葉時，通過適當(dāng)增大內(nèi)循環(huán)通風(fēng)量和降低鋁質(zhì)百葉內(nèi)側(cè)吸收率基本滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

2.2 冬季雙層玻璃幕墻熱工分析

在冬季，為了充分利用太陽輻射得熱，雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)遮陽百葉一般都處于收起的狀態(tài)。但不同的建筑朝向，其獲得太陽輻射得熱的情況不同，通常分為南向可獲得太陽輻射得熱的有利狀態(tài)與北向無法獲得太陽輻射得熱的不利狀態(tài)這兩種情況。

冬季南向雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻傳熱過程如圖6。在室內(nèi)外空氣溫差的驅(qū)動下，熱量由內(nèi)向外傳遞。但是太陽輻射得熱補充和內(nèi)循環(huán)氣流帶入部分熱量的綜合作用下，可以減少向室外的傳熱量。此外，由于沒有遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到內(nèi)層玻璃，內(nèi)層玻璃吸熱，雖然部分熱量會向室內(nèi)外散熱，但是，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度不會下降很大，有利于室內(nèi)熱舒適。

圖6 冬季南向內(nèi)遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖7 表示冬季南向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內(nèi)層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

圖7 幕墻玻璃表面溫度場模擬結(jié)果

由圖9 可以看出，冬季時南向外層玻璃內(nèi)表面溫度相對較低，在 -5.8℃，而內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度最高，在20℃，與夏季相比溫度降低較大。與夏季不同的是，隨著玻璃高度的升高，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度快速下降并在高為2.6 m 時，溫度降到最低，隨后溫度有小幅上升。冬季南向雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為18.39℃，滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K (即 16℃)的要求。

冬季北向無太陽輻射得熱的情況下，雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻傳熱過程見圖8。由圖可見，在室內(nèi)外空氣溫差的驅(qū)動下，熱量由內(nèi)向外傳遞。盡管內(nèi)循環(huán)氣流補充部分熱量，但由于無太陽輻射得熱補充，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度下降較大，不利于室內(nèi)熱舒適。

圖8 冬季北向內(nèi)遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖9 給出冬季北向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內(nèi)層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

圖9 幕墻玻璃表面溫度場模擬結(jié)果

由圖9 可以看出，冬季時北向外層玻璃內(nèi)表面溫度相對較低在 -9℃，而內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度最高在 16℃ 左右，與南向相比，溫度都有所下降。與南向不同的是，隨著玻璃高度的升高，內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度先有一段上升而后快速下降并在高為 2.6 m 時，溫度降到最低，隨后溫度有小幅上升。冬季北向雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)層玻璃表面溫度面積加權(quán)平均值為 16.04 ℃，滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 16℃)的要求。

冬季遮陽裝置收起時，在求解收斂的情況下，朝南方向內(nèi)層玻璃內(nèi)表面面積加權(quán)平均的熱流流量 Q 于是，該外循環(huán)式雙層皮玻璃幕墻的綜合傳熱系數(shù) K 值為：

綜上所述：在冬季，大廈南向和北向幕墻滿足內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K (即 16℃)的定量要求。

3 結(jié) 語

(1) 在夏季，如果項目大廈的南向和西向不使用遮陽百葉時，無法滿足內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。而該大廈的南向和西向利用遮陽百葉時，通過適當(dāng)增大內(nèi)循環(huán)通風(fēng)量和降低鋁質(zhì)百葉內(nèi)側(cè)吸收率，基本滿足內(nèi)層玻璃表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

(2) 在冬季，大廈南向和北向幕墻滿足內(nèi)層玻璃內(nèi)表面溫度與室內(nèi)空氣設(shè)計溫度之差小于 4 K(即 16℃)的定量要求。

(3) 在雙層內(nèi)循環(huán)式玻璃幕通風(fēng)量為 3～5 L/m/s，夏季取最大計算太陽總輻射照度447W/m2條件下，幕墻間層遮陽百葉垂下時，雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻綜合傳熱系為 1.08 W/m2·K。冬季取計算太陽總輻射照度 0 W/m2·K 條件下，幕墻間層遮陽百葉合上時，雙層內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻綜合傳熱系為 0.94 W/m2·K。

TU50

A

1674-814X(2017)01-0058-05

2016-09-12

王庭陽，長期從事建筑環(huán)境物理性能分析、綠色建筑咨詢、機電深化設(shè)計、BIM設(shè)計等工作內(nèi)容。主要研究方向建筑環(huán)境物理性能、綠色建筑技術(shù)、被動式設(shè)計措施、門窗節(jié)能改造技術(shù)研究等。現(xiàn)任中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司綠色建筑工程技術(shù)研究中心主任。作者通信地址：北京市宣武區(qū)廣安門南街42號中建二局大廈，郵局：100054。