雙層光伏種植幕墻的熱工性能分析

楊重陽，穆大偉，鄧婷婷，李 艷

（1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南大學(xué)基建處，海南 ?？?570228）

應(yīng)用雙層玻璃幕墻，不僅可以使建筑的外形更加優(yōu)美，而且與單層玻璃幕墻相比，雙層玻璃幕墻還能使室內(nèi)環(huán)境更加舒適，并使節(jié)能效果更佳，因此，與光伏材料相結(jié)合的光伏建筑一體化BIVP（Building Inte?grated Photovoltaic）建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)顛覆了傳統(tǒng)的建筑能量構(gòu)成.其中，雙層通風(fēng)光伏窗的綜合節(jié)能性能最好［1］，它與植物遮陽和垂直溫室等技術(shù)在建筑的節(jié)能領(lǐng)域有諸多契合，具有良好的集成期望，盡管如此，若要將這三者有機(jī)地結(jié)合，幕墻設(shè)計(jì)則需要綜合考慮以下的諸多因素，如空間利用率、構(gòu)件設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)、造價(jià)等.因此要想所設(shè)計(jì)的雙層光伏種植幕墻系統(tǒng)能夠更好地適合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)，就需要對(duì)其傳熱特性進(jìn)行全面的研究.

為此，本文以?？诘貐^(qū)夏季最不利的工況為例，對(duì)應(yīng)用于夏熱冬暖地區(qū)的雙層外呼吸式光伏種植幕墻進(jìn)行了熱工性能方面的研究.首先，通過理論計(jì)算，分析了雙層光伏幕墻綜合傳熱系數(shù)的影響因素；其次，以普通百葉雙層透光薄膜光伏幕墻為基準(zhǔn)模型，并以植物遮陽雙層光伏幕墻為對(duì)照，利用Fluent軟件對(duì)外呼吸式雙層光伏種植幕墻的熱工性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化分析.根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189—2015）［2］，?？谑袑儆谙臒岫貐^(qū)，其光伏幕墻的窗墻面積比通常要求大于0.8，所以，其綜合傳熱系數(shù)限值應(yīng)大于2.0 W/（m2·K）（見表1）.

表1 夏熱冬暖型地區(qū)透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合傳熱系數(shù)限值［2］

1 幕墻的設(shè)計(jì)

1.1幕墻的工作和節(jié)能原理目前應(yīng)用最為廣泛的雙層幕墻為外呼吸式自然通風(fēng)幕墻［3］.其外層幕墻通常為單層玻璃，主要起防護(hù)和滿足采光的作用，而內(nèi)層幕墻一般由保溫性能良好的Low?E玻璃組成，通風(fēng)口則被設(shè)置于外層立面位置處，如此就能夠調(diào)節(jié)夾層空間內(nèi)的通風(fēng)效果.這種類型幕墻的顯著特點(diǎn)為：夾層空間的遮陽百葉在吸收太陽熱輻射后，通過外界風(fēng)壓和空氣熱浮升力可形成煙囪效應(yīng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了空氣流動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)夾層空間與室外進(jìn)行換氣［4］，這樣就降低了太陽的輻射熱量，同時(shí)也減少了傳入室內(nèi)的熱量.

透光薄膜光伏材料很好地契合了外層幕墻的要求，它不僅可自然采光，而且還可避免眩光，可讓室內(nèi)光環(huán)境具有較好的均勻度；此外，由于其材料所固有的屬性—可吸收太陽熱輻射并進(jìn)行光伏發(fā)電，因此它可實(shí)現(xiàn)建筑“自遮陽”的技術(shù)要求，這樣就從根本上減少了進(jìn)入幕墻系統(tǒng)的太陽能輻射熱量［5］.

普通的遮陽材料只是將太陽輻射熱量傳遞到室內(nèi)的時(shí)間延遲了，或者是把熱量反射到了室外環(huán)境，因此它有一定的遮陽效果，而植物遮陽的不同之處就是其能量流向不同于普通遮陽材料的能量流向，在光合作用下，植物將太陽能轉(zhuǎn)化成生物能，同時(shí)又在蒸騰作用下讓其自身的溫度波動(dòng)維持在較低的范圍內(nèi)，其原理為：植物吸收太陽輻射熱后，通過轉(zhuǎn)化將太陽能轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)能，而植物因具有生物調(diào)節(jié)作用，其自身的溫度不會(huì)升高，這樣就使得太陽輻射熱（不論是反饋給外部空間的，還是進(jìn)入室內(nèi)空間的太陽輻射熱）大幅度減少，從而切斷了能量的二次傳播，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能［6］.

1.2物理模型本文僅對(duì)海口地區(qū)夏季最不利的情況進(jìn)行了討論.由于玻璃幕墻熱通道的形狀規(guī)則，其內(nèi)壁和外壁的荷載均勻，故只分析了一層樓層，其他樓層則與之相似.雙層幕墻的熱通道為300～900 mm寬，高度為層間高度（3～5 m），但其整體長度卻可達(dá)到幾十米，有的甚至達(dá)到上百米，因此在此將其模型簡化為二維平面模型［7］.由于室外與室內(nèi)的溫度不同，所以內(nèi)壁面和外壁面的溫度也不相同，因此在浮升力的作用下，空氣在熱通道內(nèi)就可以流動(dòng)了.研究表明：熱通道在300～900 mm的范圍內(nèi)，隨著幕墻間距的增大，其節(jié)能性呈現(xiàn)指數(shù)性增長［8］，但空腔尺寸過大時(shí)，這將不利于空腔內(nèi)部空氣的對(duì)流［9］.故在本次研究中，還綜合考慮了幕墻的工藝制作、栽培裝置、空間利用率等因素.

玻璃幕墻熱通道的基本分析條件如下（圖1）：

圖1 熱通道簡化模型

（1）尺寸為0.6 m×3.0 m，進(jìn)出風(fēng)口的高度為0.3 m；

（2）外界環(huán)境條件穩(wěn)定；

（3）不考慮玻璃蓄熱；

（4）假定幕墻封閉性能良好，不考慮空氣滲透；

（5）植物遮陽可以以簡化法處理，即依據(jù)遮陽系數(shù)將太陽輻射到內(nèi)側(cè)和外側(cè)玻璃的熱量折算進(jìn)玻璃的總換熱量中.

透光薄膜光伏玻璃用于玻璃幕墻的外層，Low?E玻璃用于玻璃幕墻的內(nèi)層.

幕墻外層所采用的材料是產(chǎn)于中國龍焱能源科技有限公司的碲化鎘透光薄膜光伏材料（外表面為鋼化玻璃，內(nèi)襯為多層半導(dǎo)體薄膜），其透光率為20%［10］，薄膜光伏組件的參數(shù)如表2所示.

表2 透光薄膜光伏組件參數(shù)

內(nèi)層玻璃的熱工參數(shù)：內(nèi)層玻璃選用Low?E中空玻璃（0.006 m玻璃+0.012 m空氣層+0.006 m玻璃），其傳熱系數(shù)為1.9 W/（m2·K）.

1.3幕墻熱工參數(shù)的計(jì)算室外氣象參數(shù)所采用的是夏季?？诘貐^(qū)的氣象參數(shù)［11］，具體如下：100.97 kPa的大氣壓力，風(fēng)速平均為2.6 m/s，室外干球溫度為35.1℃，濕球溫度為28.1℃.空調(diào)室內(nèi)的夏季舒適性設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：溫度在25～27℃之間，相對(duì)濕度為65%，風(fēng)速小于0.3 m/s，太陽輻射朝向正南，太陽總輻射照度數(shù)取午間12時(shí)左右的最大數(shù)值720 W/m2［12］.

?？谑泄夥Ａ粔ν鈧?cè)壁面在夏季的綜合溫度的計(jì)算式如下：

式中，外側(cè)壁面的綜合溫度用tz表示，室外空氣的溫度用tw表示，取值為35.1℃；光伏幕墻外表面鋼化玻璃的傳熱系數(shù)及室外空氣間表面的傳熱系數(shù)用aw表示，取值為19.3 W/（m2·℃）；鋼化玻璃對(duì)太陽輻射的吸收系數(shù)用ρ表示，取值為0.75；鋼化玻璃幕墻外表面所接受的太陽總輻射照度用I表示，取值為720 W/m2.通過計(jì)算，結(jié)果為：tz=63.1℃.于是，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口的溫度為308.1 K，同時(shí)設(shè)置幕墻外側(cè)玻璃壁面的溫度為336.1 K.

穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，空氣間層的傳熱系數(shù)KK可通過式（2）計(jì)算［13］：

式中，λa表示空氣間層的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；λc表示空氣間層的對(duì)流當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；λΓ表示空氣間層的輻射當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；d表示空氣間層的厚度.

決定λa的是室內(nèi)溫度和室外綜合溫度的平均值，?？诘貐^(qū)夏季室內(nèi)溫度T1和室外綜合溫度T2分別取值為26℃和63.1℃，二者的平均值為44.55℃.查《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）以后得知，在該溫度條件下空氣導(dǎo)熱系數(shù)λa所對(duì)應(yīng)的值為0.027 6 W/（m2·K）.

λc的計(jì)算式如下：

式中，Δt代表室內(nèi)外溫差，其值為37.1℃.

λΓ的計(jì)算公式為：

式中，ε1、ε2代表發(fā)射率，透光薄膜光伏表皮的表面為玻璃材質(zhì)，經(jīng)查表其為0.84 W/（m2·K4），C0代表黑體輻射系數(shù)，為5.67W/（m2·K4）.

將λa、λc和λΓ的計(jì)算公式代入式（2），于化簡后可得式（5）：

綜合傳熱系數(shù)計(jì)算公式如式（6）.

式中，Re代表外表面換熱阻，單位為m2·K/W；

Kex代表外層薄膜光伏表皮的傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；

KK代表空氣間層的傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；

Kin代表內(nèi)層玻璃幕墻的傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；

Ri代表內(nèi)表面的換熱阻，單位為m2·K/W.

查《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50176—2016）可得，外表面換熱阻Re為0.04 m2·K/W，內(nèi)表面換熱阻Ri為0.11 m2·K/W.

本模型中d取0.6 m，代入得K0=1.06，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015），海口地區(qū)最不利的條件為：當(dāng)窗墻面積比大于0.8時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)應(yīng)小于或等于2.0 W/（m2·K）.外呼吸式透光薄膜光伏幕墻的綜合傳熱系數(shù)為1.06 W/（m2·K），小于2.0 W/（m2·K），符合《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中最不利條件的要求.

2 CFD模型的建立

2.1數(shù)學(xué)模型熱通道內(nèi)的空氣若要產(chǎn)生自然對(duì)流，就必須有重力場(chǎng)或其他力場(chǎng)的作用，由密度差而導(dǎo)致浮升力.所以，體積力項(xiàng)Y=-ρg在動(dòng)量方程中是不可忽略的，當(dāng)重力加速度方向與高度y正方向相反時(shí)，用負(fù)號(hào)表示.引入Boussinesq假設(shè)，進(jìn)而建立二維穩(wěn)態(tài)方程組（其中，雙層幕墻壁寬度方向用x表示，高度方向用y表示）［14］.

質(zhì)量守恒方程：

式中ρ代表的是空氣密度，其為溫度的函數(shù)，單位為kg/m3；u、v分別代表的是速度在x方向和y方向的分量，單位為m/s.質(zhì)量守恒方程常稱作連續(xù)方程：

狀態(tài)方程：

式中p代表的是壓力，單位是Pa；R代表的是氣體常數(shù)，R=287 J/（kg·K）；T代表的是空氣溫度，單位為K.

動(dòng)量方程與能量方程可組合為通用方程形式：

式中通用變量用φ表示；與φ相對(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)用Γφ表示；與φ相對(duì)應(yīng)的廣義源項(xiàng)用Sφ表示.

對(duì)于動(dòng)量方程中的浮升力項(xiàng)（包含壓力梯度項(xiàng)），暫時(shí)可放入廣義源項(xiàng)Sφ中，而μ（空氣的動(dòng)力粘性系數(shù)）是廣義擴(kuò)散系數(shù)［15］.

對(duì)于能量方程，廣義擴(kuò)散系數(shù)是λ；對(duì)流擴(kuò)散能量方程中的廣義擴(kuò)散系數(shù)是λ/Cp（Cp是空氣的定壓比熱容、λ為導(dǎo)熱系數(shù)）［16］.

方程中的未知數(shù)分別是u、v、p、T，由于方程組是封閉的，故可以求解.

2.2計(jì)算模型的選擇對(duì)幕墻展開數(shù)值模擬分析，可選用的模塊有CFD（Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）中的ANSYS19.0Fluent［17］模塊.采用自然通風(fēng)，由于在模擬的熱通道中氣體流動(dòng)是自然對(duì)流，其對(duì)流是由熱浮力驅(qū)動(dòng)形成的，流動(dòng)過程中不僅有層流，而且還有紊流，假設(shè)流動(dòng)的室內(nèi)外空氣處于湍流狀態(tài)［18］，Coussirat M［19］等人通過研究得知，雙尺度RNGk?epsilon湍流模型具有更好的吻合性，可以非常精準(zhǔn)地描述DSF熱通道內(nèi)的氣流和溫度分布情況；因此，本課題選用的模型是RNGk?epsilon湍流模型，它可對(duì)雙層幕墻內(nèi)的氣流組織與熱工性能進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬［20］.對(duì)于雙層幕墻通道內(nèi)的氣流組織在自然通風(fēng)條件下的模擬，2D模型的模擬精準(zhǔn)度要優(yōu)于3D模型的模擬精準(zhǔn)度［21］，故采用2D模型.

2.3約束邊界的條件（1）環(huán)境溫度：熱通道外邊界空氣和內(nèi)邊界空氣分別為336.15 K和299 K，太陽輻射強(qiáng)度為720 W/m2；

（2）速度邊界條件：進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口被分別設(shè)為速度入口和壓力出口，室外風(fēng)速為2.6 m/s，出風(fēng)口邊界壓力為0.3；

（3）湍流模型：NEWK?ε模型；

（4）屋頂和地板要具備絕熱的特性；

（5）所有壁面邊界上的氣流速度都取無滑移邊界條件：u=v=0；

（6）通道中的空氣為不可壓縮牛頓流體，且滿足Boussinesq假設(shè).

通過CFD模型的建立，施加邊界條件，對(duì)流體性質(zhì)予以定義，進(jìn)行執(zhí)行控制的設(shè)置，并進(jìn)行求解計(jì)算，最后，處理器計(jì)算出熱通道的空氣溫度分布（見圖2）.

3 模擬計(jì)算結(jié)果的分析

外呼吸式光伏幕墻綜合傳熱系數(shù)的變化范圍在1.017～1.078 W/（m2·K）之間，這與前文理論計(jì)算的結(jié)果1.06 W/（m2·K）基本吻合.如圖2-1所示，沿通道豎直方向，氣流溫度逐漸升高；對(duì)比圖2-1和2-2可知，在以植物遮陽代替普通百葉遮陽時(shí)，通道中的溫度分層比較明顯，而且直到接近出風(fēng)口處，前者的溫度明顯更低，這是因?yàn)榭涨粌?nèi)的植物獲取了太陽輻射的能量，并以顯熱和潛熱的形式與周圍的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，同時(shí)通過蒸發(fā)降溫帶走了更多熱量的緣故.兩者溫差最大為3.8℃，平均溫差為1.5℃，這與國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果基本一致.圖2-1出口處的拐角溫度較高，這是因?yàn)楣战翘幨苤参镎趄v作用的影響，在層流和紊流相互作用下氣流容易形成渦流的緣故，圖2-2則由于氣流較為均勻和通暢，因而沒有形成局部高溫.

圖2 DSF熱通道內(nèi)豎直方向的溫度分布圖

圖3 空氣通道內(nèi)的溫度分布圖

4 結(jié) 論

本文是以?？诘貐^(qū)作為實(shí)例，該地區(qū)的氣候?yàn)橄臒岫蜌夂?，在將雙層外呼吸式透光薄膜光伏種植幕墻用于此地區(qū)后，對(duì)其熱工性能進(jìn)行了理論計(jì)算，同時(shí)應(yīng)用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真研究，得出了以下結(jié)論：

1）雙層外呼吸式透光薄膜光伏幕墻的綜合傳熱系數(shù)在1.017～1.078 W/（m2·K）之間，比2.0 W/（m2·K）要小很多，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2015）中的規(guī)定，在海口地區(qū)最不利的條件下它也可滿足應(yīng)用要求.

2）利用垂直栽培技術(shù)進(jìn)行植物遮陽可以有效地降低熱通道內(nèi)的溫度，減少傳入室內(nèi)的熱量，其降溫幅度最大為3.8℃，從而有利于降低室內(nèi)空調(diào)的能耗.

3）由于采用植物遮陽會(huì)使得出風(fēng)口的溫度較高，容易造成局部高溫，不利于降溫，因此，應(yīng)合理密植以減小對(duì)熱通道內(nèi)氣流流暢度的影響，從而避免產(chǎn)生局部高溫.