關(guān)于混合式通風(fēng)幕墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)研究

趙寶玉（上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)工程建設(shè)咨詢有限公司 ，上海 200040）

1 雙層幕墻分類

雙層幕墻又叫動(dòng)態(tài)幕墻，可以分為 3 種，即外循環(huán)通風(fēng)幕墻、內(nèi)循環(huán)通風(fēng)幕墻及混合式通風(fēng)幕墻。

1.1 外循環(huán)通風(fēng)幕墻

采用自然通風(fēng)，結(jié)構(gòu)上一般外層幕墻在層間設(shè)置通風(fēng)口（開啟窗或者通風(fēng)百葉等），內(nèi)層幕墻設(shè)置開啟門或窗等。為了降低雙層幕墻的傳熱系數(shù) K，內(nèi)層幕墻采用斷熱式結(jié)構(gòu)。利用熱壓原理（煙囪效應(yīng)）和溫室效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和自然通風(fēng)的效果。按通風(fēng)方式，主要分為整面式通風(fēng)幕墻、通道式通風(fēng)幕墻、箱式通風(fēng)幕墻。

1.2 內(nèi)循環(huán)通風(fēng)幕墻

采用機(jī)械通風(fēng)的建筑，為了實(shí)現(xiàn)其幕墻的節(jié)能要求，外層幕墻采用斷熱式結(jié)構(gòu)。室內(nèi)空氣通過(guò)內(nèi)層幕墻下方預(yù)留的通風(fēng)口進(jìn)入熱通道，回流至吊頂位置的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。在熱通道中間設(shè)置有遮陽(yáng)簾或者遮陽(yáng)百葉，可以遮陽(yáng)以及吸收一部分熱量。

1.3 混合式通風(fēng)幕墻

混合式通風(fēng)幕墻為雙層幕墻的一種，結(jié)合了外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)幕墻的優(yōu)點(diǎn)，通常外層幕墻采用單片或者夾膠玻璃，內(nèi)層幕墻采用中空玻璃。外層幕墻設(shè)置進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口，同時(shí)在吊頂位置設(shè)置機(jī)械通風(fēng)裝置。熱通道中的通風(fēng)可以來(lái)自室內(nèi)的空氣，也可以來(lái)自室外新鮮空氣。它是主要以外循環(huán)方式為主、內(nèi)循環(huán)方式為輔的通風(fēng)方式。

2 混合式通風(fēng)幕墻設(shè)計(jì)

本文以混合式通風(fēng)幕墻為研究對(duì)象。該建筑所處的地區(qū)為上海市市區(qū)，按混合式通風(fēng)幕墻設(shè)計(jì)了幕墻大樣圖和節(jié)點(diǎn)圖具體見圖 1、圖 2，同時(shí)進(jìn)行了計(jì)算流體學(xué)（Computional Fluid Dynamics， CFD）模擬分析。

圖1 混合式通風(fēng)幕墻大樣圖（mm）

圖2 混合式通風(fēng)幕墻典型節(jié)點(diǎn)

2.1 混合式通風(fēng)幕墻圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

外層采用單元式玻璃幕墻，玻璃配置為 8 mm＋1.52 PVB＋8 mm 鋼化夾膠玻璃；內(nèi)層采用框架式玻璃幕墻，玻璃配置為 10 Low－E＋12 A＋10 mm 鋼化中空玻璃。

外層玻璃幕墻層間設(shè)置通風(fēng)防雨百葉，百葉后側(cè)設(shè)計(jì)兩層穿孔鋁單板，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩層板交錯(cuò)時(shí)，即為關(guān)閉狀態(tài)；兩層板合并的時(shí)，即為通風(fēng)狀態(tài)。內(nèi)層幕墻吊頂上方設(shè)計(jì)機(jī)械通風(fēng)裝置，當(dāng)室內(nèi)外溫差或者壓力差較小時(shí)，可以采用機(jī)械通風(fēng)。另在雙層幕墻中間設(shè)置遮陽(yáng)簾，夏季時(shí)，遮陽(yáng)簾可以吸收太陽(yáng)能，降低空調(diào)能耗；冬季時(shí)，遮陽(yáng)簾可以存儲(chǔ)熱量。

2.2 工況分析

工況分析詳見表 1 。

表1 不同季節(jié)工況分析表

3 混合式通風(fēng)幕墻的 CFD 模擬

為了驗(yàn)證不同季節(jié)工況模擬的正確性，采用 CFD 進(jìn)行模擬分析。依據(jù)大樣圖進(jìn)行建模，通過(guò)建立與實(shí)際尺寸一樣大小的物理模型，建立了 230 萬(wàn)網(wǎng)格，采用 Realizable k-（可實(shí)現(xiàn)的湍流） 模型，并結(jié)合 DO radiation model（輻射傳熱模型）和 solar ray tracing（太陽(yáng)輻射強(qiáng)度）模型，采用壓力速度求解方法進(jìn)行求解。

Realizable k- 模型的控制方程如式（1）所示。

式中： ρ — 流體密度，kg/m3；

t — 時(shí)間，s；

U — 速度矢量，m/s；

? — 變量，當(dāng) ? 取不同值時(shí)，可分別表示質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程；

τ?— 變量 ? 的擴(kuò)散系數(shù)；

S?— 變量 ? 的源項(xiàng)。

從而獲得了夏季和冬季工況下的模擬結(jié)果。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可以獲得結(jié)論如下所示。

3.1 夏季模擬結(jié)果

(1) 在夏季工況和本文的模擬條件下，當(dāng)遮陽(yáng)簾吸收系數(shù)為 0.9 時(shí)，空氣層平均溫度為 309.61 K，遮陽(yáng)簾平均溫度為 316.21 K，遮陽(yáng)簾的溫度大于各玻璃表面溫度，即遮陽(yáng)簾吸收太陽(yáng)輻射后溫度升高。

(2) 在夏季工況和本文的模擬條件下，當(dāng)遮陽(yáng)簾吸收系數(shù)為 0.9 時(shí)，進(jìn)（出）口風(fēng)速約為 0.157 m/s，玻璃幕墻內(nèi)外空氣在自然對(duì)流條件下進(jìn)行了熱質(zhì)傳遞，通過(guò)改變進(jìn)出口的尺寸，可以調(diào)節(jié)玻璃幕墻內(nèi)部的熱量傳遞總量。其他遮陽(yáng)簾吸收系數(shù)條件下同樣適用。不同部件模擬值見表 2。

表2 不同部件模擬值

由表 2 可知，夏季室外平均溫度 307.59 K，即 34 ℃；室內(nèi)為 300.98 K，即 26.5℃。由此可見加設(shè)遮陽(yáng)簾可以大大降低室內(nèi)溫度。

(3) 在夏季工況和本文的模擬條件下，隨著遮陽(yáng)簾吸收系數(shù)的增加，空氣層平均溫度相應(yīng)增加，且基本呈線性關(guān)系，詳見圖 3。由此可見，為了節(jié)約能源，遮陽(yáng)簾應(yīng)采用吸收系數(shù)較低的材料制作。

圖3 空氣層溫度隨遮陽(yáng)簾吸收率變化圖

3.2 冬季模擬結(jié)果

計(jì)算條件如下。

(1) 上海冬季室外計(jì)算溫度為 -2.2 ℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為 20 ℃。

(2) 直接正常太陽(yáng)輻射（在地球表面）：1 311.36 W/m2。

(3) 漫射太陽(yáng)輻射（垂直表面）：70.16 W/m2。

(4) 漫射太陽(yáng)輻射（水平表面）：77.20W /m2。

(5) 地面反射太陽(yáng)輻射（垂直表面）：83.80 W /m2。其他設(shè)計(jì)參數(shù)與夏季保持一樣。

在冬季工況和本文的模擬條件下，遮陽(yáng)簾可以吸收太陽(yáng)輻射，提高玻璃幕墻內(nèi)部的溫度，減少室內(nèi)外的傳熱。

計(jì)算結(jié)果如下所示。假設(shè)遮陽(yáng)簾的吸收系數(shù)為 0 時(shí)，可以獲得通過(guò)內(nèi)側(cè)玻璃內(nèi)表面的熱流密度為 30.84W/m2，而當(dāng)遮陽(yáng)簾的吸收系數(shù)為 0.9 時(shí)，通過(guò)內(nèi)側(cè)玻璃內(nèi)表面的熱流密度為 29.98 W/m2。遮陽(yáng)簾的節(jié)能率為（30.84－29.98）÷29.84×100%=2.87%。由此可見，加設(shè)遮陽(yáng)簾后，在冬季可以節(jié)約能耗 2.87%。

4 結(jié) 語(yǔ)

在夏季，由于陽(yáng)光的照射，熱通道的空氣層溫度很高。打開通道上下端進(jìn)、出風(fēng)口，在熱壓作用（煙囪效應(yīng)）下通道內(nèi)形成熱氣流將熱量帶到室外（機(jī)械通風(fēng)則通過(guò)室內(nèi)吊頂里面的熱排風(fēng)管道進(jìn)入樓宇通風(fēng)系統(tǒng)），從而降低了內(nèi)層幕墻的外表面溫度，減少空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約能源。

在冬季，兩層幕墻中間的空氣在陽(yáng)光的照射下，溫室效應(yīng)使其溫度升高，相應(yīng)地提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度，從而減少建筑物采暖運(yùn)行的費(fèi)用。

綜上所述，采用混合式通風(fēng)幕墻，無(wú)論冬季還是夏季，均能通過(guò)幕墻上設(shè)置的開啟窗、遮陽(yáng)簾以及機(jī)械通風(fēng)裝置提高室內(nèi)的舒適度，從而減少能源消耗。