重慶某雙層皮幕墻自然通風(fēng)工況下的性能研究及構(gòu)造優(yōu)化

代孟瑋 曹 鍇 黃 屹 楊奇志 王 勇

（1.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400045；2.重慶市巫山縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì) 重慶 404799）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗、工業(yè)能耗和交通能耗成為中國能耗三大巨頭。中國建筑能耗研究報(bào)告[1]指出，我國建筑全過程能耗占全國能源消費(fèi)總量比重為46.5%，全國建筑全過程碳排放占全國碳排放的比重為51.3%。其中建筑運(yùn)行階段能耗占全國能源消費(fèi)總量的比重為21.7%，占全國碳排放的比重為21.9%。由此可見，建筑行業(yè)有巨大的節(jié)能潛力。結(jié)合我國2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的目標(biāo)，這說明推動(dòng)建筑行業(yè)節(jié)能減排、綠色發(fā)展是必要的。在建筑能耗中，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗占比高達(dá)65%。雙層皮玻璃幕墻節(jié)能、美觀的特性使得其在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛。

雙層皮玻璃幕墻由內(nèi)外兩層幕墻組成，在內(nèi)外結(jié)構(gòu)間形成一個(gè)供空氣流通的熱通道作為室內(nèi)和室外環(huán)境的空氣緩沖層。在夏季，空氣從幕墻底部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，從頂部出風(fēng)口流出，在幕墻內(nèi)部形成上升的氣流流動(dòng)，帶走室外高溫環(huán)境和太陽輻射向室內(nèi)傳遞的熱量；在冬季，關(guān)閉雙層皮玻璃幕墻的進(jìn)出風(fēng)口，使熱通道內(nèi)形成“溫室”，減少室內(nèi)外熱量傳遞。作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的雙層玻璃幕墻，其熱工性能很大程度上影響著建筑物的使用效果和能耗。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，在夏季容易出現(xiàn)氣流組織不合理、太陽輻射得熱量大等問題；在冬季無法達(dá)到溫室效應(yīng)的效果，保溫性能差[2-5]。

本文對(duì)重慶市某辦公建筑的自然通風(fēng)外循環(huán)式[6]雙層玻璃幕墻進(jìn)行了夏季自然通風(fēng)運(yùn)行工況下溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的實(shí)地測(cè)試，并利用FLUENT軟件對(duì)其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了幕墻熱通道間距對(duì)雙層皮玻璃幕墻熱工性能的影響，并獲得了該模型條件下的最佳間距[7,8]。

1 建筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該辦公建筑位于重慶市區(qū)，共5 層，總高度19m，經(jīng)過整體改造后增設(shè)了雙層皮外圍護(hù)結(jié)構(gòu)[9]。該建筑原外墻為傳統(tǒng)的墻體與單層玻璃窗，改造方式是在原有的南側(cè)建筑外墻的外部增設(shè)一面外掛式單層玻璃幕墻，使新增玻璃幕墻與原外墻間形成一個(gè)熱通道，形成自然通風(fēng)外循環(huán)的整體式雙層皮玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。新增玻璃幕墻與原建筑外墻的間距在樓層1～3 層為2400mm，4～5 層建筑外挑一部分，間距減少為900mm，整個(gè)構(gòu)造為階梯形，如圖1所示。1 層底部設(shè)置通風(fēng)百葉進(jìn)風(fēng)口，垂直安裝，寬度450mm，如圖2 所示。4 層頂部設(shè)置通風(fēng)百葉出風(fēng)口，水平安裝，寬度900mm。西側(cè)設(shè)置豎向百葉進(jìn)/出風(fēng)口，垂直安裝，寬度700mm。

圖1 雙層皮玻璃幕墻側(cè)視圖Fig.1 Side view of double-skin facade

圖2 進(jìn)風(fēng)口Fig.2 Air inlet

2 夏季工況自然通風(fēng)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了夏季自然通風(fēng)工況下，雙層皮玻璃幕墻通道內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布情況以及雙層皮幕墻的內(nèi)外壁面溫度和太陽輻射。測(cè)試時(shí)間為2020年8月10日至2020年8月12日，共三天。在雙層皮玻璃幕墻通道內(nèi)部放置9 個(gè)溫度自記儀，間隔時(shí)間設(shè)定為5 分鐘自動(dòng)記錄一次，測(cè)點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖3 雙層皮玻璃幕墻內(nèi)溫度自記儀測(cè)點(diǎn)位置Fig.3 Position of temperature recorder measuring point inside double-skin facade

玻璃幕墻各層壁面溫度采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)試，手動(dòng)測(cè)試間隔時(shí)間為60 分鐘，分別測(cè)試了通道內(nèi)9 個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置處內(nèi)外壁面的溫度。進(jìn)出口溫度和風(fēng)速采用手持環(huán)境風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)試，分別在進(jìn)出風(fēng)口位置布置六個(gè)上下對(duì)應(yīng)分布的測(cè)點(diǎn)，每間隔60 分鐘手動(dòng)測(cè)量風(fēng)口的風(fēng)速和溫度。在屋頂放置太陽輻射儀，每間隔10 分鐘自動(dòng)記錄該建筑接收的總輻射和長(zhǎng)波輻射。實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器Table 1 Experimental apparatus

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

圖4 顯示了夏季自然通風(fēng)工況下，雙層皮玻璃幕墻通道內(nèi)溫度分布情況。圖5 為建筑內(nèi)外側(cè)壁面墻體和玻璃窗戶的溫度分布。測(cè)試期間，室外平均溫度為34.1℃，雙層皮玻璃幕墻（DSF）通道內(nèi)平均溫度為36.0 ℃，房間側(cè)內(nèi)壁面平均溫度為30.3℃。由測(cè)試結(jié)果知，室外溫度＜DSF 通道內(nèi)溫度，內(nèi)層墻體內(nèi)壁面溫度＜外層玻璃內(nèi)壁面溫度。速度測(cè)試結(jié)果顯示，該雙層皮玻璃幕墻內(nèi)存在向上的氣流流動(dòng)，但速度普遍偏小，在0～1.3m/s 的范圍內(nèi)波動(dòng)，且分布規(guī)律不明顯。

圖4 測(cè)試期間通道內(nèi)各樓層平均溫度Fig.4 Average temperature of each floor in the the cavity during the test

圖5 測(cè)試期間各樓層內(nèi)壁面靠房間側(cè)平均溫Fig.5 Average temperature of the inner wall side of each floor during the test

3 CFD 模擬分析

目前，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬是較為常用的研究DSF 熱工性能的方法。CFD 模型將計(jì)算區(qū)域用二維或三維網(wǎng)格劃分為多個(gè)子區(qū)域，利用計(jì)算機(jī)求解所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程。本文采用ANSYS 2020 R2 軟件中的FLUENT 模塊，對(duì)自然通風(fēng)工況下的雙層皮玻璃幕墻運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.1 物理模型

本文根據(jù)建筑的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立了該建筑的三維模型（見圖6）。該實(shí)際工程由于改造前設(shè)置了6 臺(tái)分體空調(diào)室外機(jī)，建筑構(gòu)造改造后沒有移動(dòng)外機(jī)位置，這對(duì)實(shí)際DSF 通道內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)造成影響。為準(zhǔn)確建立該DSF 通道三維模型，實(shí)際測(cè)試了6 臺(tái)相同型號(hào)的室外機(jī)尺寸、出風(fēng)溫度、出風(fēng)速度。以測(cè)試參數(shù)為邊界條件建立真實(shí)的CFD 模型，從而為模型建立的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)以及構(gòu)造優(yōu)化計(jì)算奠定基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)狀況下，測(cè)試得到室外機(jī)的出風(fēng)溫度、出風(fēng)速度分別為40.8℃、0.73m/s。

3.2 邊界條件

室外空氣溫度、室內(nèi)空調(diào)房間溫度、太陽輻射強(qiáng)度均采用對(duì)應(yīng)時(shí)刻的實(shí)測(cè)值作為輸入的邊界條件進(jìn)行模擬。項(xiàng)目所在地重慶的大氣壓強(qiáng)為96.38kPa，底部進(jìn)風(fēng)口平均風(fēng)速為0.27m/s，重力加速度為9.81m/s2。邊界條件類型及參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 邊界條件設(shè)置Table 2 Boundary condition setting

3.3 數(shù)學(xué)模型

本文采用基于有限體積法的Fluent 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，空腔內(nèi)空氣簡(jiǎn)化考慮為不可壓縮牛頓流體[10]，忽略風(fēng)壓作用，只考慮熱壓作用的影響[11]，因此空氣密度需滿足Boussinesq 假設(shè)。湍流模型采用精度較高的RNGk-ε湍流模型，離散格式采用二階迎風(fēng)差分格式，利用simple 算法對(duì)控制方程中的壓強(qiáng)和速度進(jìn)行耦合求解。

此模型采用ICEM 劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口以及靠近壁面的網(wǎng)格進(jìn)行加密。網(wǎng)格數(shù)量和尺寸對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度有很大的影響，通過13 萬、36 萬、93 萬、263 萬網(wǎng)格數(shù)量的模擬結(jié)果對(duì)比，最終確定模型網(wǎng)格數(shù)量為93 萬，保證了計(jì)算精度和有效計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。

3.4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

CFD 模型的準(zhǔn)確性決定了后期優(yōu)化方案的有效性。首先對(duì)CFD 模型利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。在三天的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果中，每天選取四個(gè)時(shí)刻，對(duì)玻璃幕墻熱通道內(nèi)9 個(gè)溫度和速度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬驗(yàn)證。

以測(cè)試時(shí)間2020年8月10日18:00 典型計(jì)算時(shí)刻為例，室外空氣溫度為38.0℃，室內(nèi)空調(diào)房間平均溫度為26.0℃，太陽輻射強(qiáng)度為232W/m2。雙層皮玻璃幕墻熱通道內(nèi)的溫度分布實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比如圖7 所示，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差在5%以內(nèi)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試三天期間的數(shù)據(jù)，選取共12 個(gè)時(shí)刻的溫度實(shí)測(cè)值和模擬值進(jìn)行逐點(diǎn)對(duì)比，誤差均控制在5%左右。

圖6 模型整體網(wǎng)格劃分Fig.6 Mesh division of the whole model

圖7 典型時(shí)刻熱通道溫度實(shí)測(cè)值和模擬值Fig.7 Measured and simulated values of the cavity temperature at typical moments

由模擬結(jié)果的速度場(chǎng)可以看出，熱通道內(nèi)存在自下而上的氣流流動(dòng)，但空氣流速較小，在合理范圍內(nèi)[12]?？諝饬魉俚膶?shí)測(cè)值和模擬值結(jié)果集中在0～0.2m/s 之間?？傮w而言，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差較小，該CFD 模型精度較高，適用于自然通風(fēng)工況下雙層皮玻璃幕墻的性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

由實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果可知，該雙層皮玻璃幕墻在夏季自然通風(fēng)工況下能夠產(chǎn)生空氣流動(dòng)帶走熱量，起到緩沖隔熱的作用。但是由于原結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)置不合理和人為的在熱通道內(nèi)一樓地面放置分體式空調(diào)外機(jī)等原因，通道內(nèi)溫度場(chǎng)不符合典型雙層皮玻璃幕墻的溫度分布規(guī)律，且空氣流動(dòng)速度較小。綜上所述，該雙層皮玻璃幕墻自然通風(fēng)工況下的“煙囪效應(yīng)”并不理想，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.5 幕墻熱通道間距影響

由于該實(shí)際項(xiàng)目存在的干擾因素較多，不適合雙層皮玻璃幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。本文在確定模型準(zhǔn)確的情況下，簡(jiǎn)化了該建筑的CFD 物理模型。簡(jiǎn)化內(nèi)容包括去掉了熱通道內(nèi)設(shè)置的6 臺(tái)空調(diào)外機(jī)，只保留底部的進(jìn)風(fēng)口和頂部的出風(fēng)口。去掉干擾因素后的模型作為標(biāo)準(zhǔn)模型A1，太陽輻射取1000W/m2，其余邊界條件設(shè)置同上述典型計(jì)算時(shí)刻。由于雙層皮玻璃幕墻有工藝性和維護(hù)的要求，空腔的設(shè)計(jì)寬度一般在200mm～2000mm 之間。在其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件不變的情況下，改變雙層皮玻璃幕墻熱通道間距，根據(jù)本項(xiàng)目情況取熱通道間距為2400mm、1900mm、1500mm、1200mm、900mm、500mm、300mm、200mm 八種典型工況A1～A8 進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 不同幕墻熱通道間距模擬情況Table 3 Simulation of different spacing of the cavity

圖8 不同幕墻熱通道間距x=-10m 截面處溫度分布Fig.8 Temperature distribution at cross section x=-10m of different DSF spacing

不同幕墻熱通道間距在熱通道中間截面x=-10m 處的溫度云圖如圖9～圖16 所示。結(jié)合圖8截面溫度分布圖，可以看出A1～A8 工況下雙層皮玻璃幕墻熱通道內(nèi)溫度均由下往上逐漸升高。隨著空腔間距變小，空腔內(nèi)氣體量變少，越容易被加熱，隨樓層變化的溫度梯度越明顯。內(nèi)外兩側(cè)壁面溫度高于熱通道內(nèi)空氣溫度，內(nèi)壁面溫度低于外壁面溫度。這說明雙層皮玻璃幕墻熱通道內(nèi)部在熱壓作用下形成了空氣流動(dòng)，有效地帶走了熱通道內(nèi)的熱量，降低了內(nèi)壁面溫度。在模擬選取的八個(gè)工況中，內(nèi)壁面溫度隨著幕墻熱通道間距的減小呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在熱通道間距為1500mm 時(shí)內(nèi)壁面溫度達(dá)到最高47.57℃，在熱通道間距為200mm時(shí)內(nèi)壁面溫度達(dá)到最低46.44℃。

圖9 2400mm 寬度溫度分布圖Fig.9 2400mm width temperature profile

圖10 1900mm 寬度溫度分布圖Fig.10 1900mm width temperature profile

圖11 1500mm 寬度溫度分布圖Fig.11 1500mm width temperature profile

圖12 1200mm 寬度溫度分布圖Fig.12 1200mm width temperature profile

圖13 900mm 寬度溫度分布圖Fig.13 900mm width temperature profile

圖14 500mm 寬度溫度分布圖Fig.14 500mm width temperature profile

圖15 300mm 寬度溫度分布圖Fig.15 300mm width temperature profile

圖16 200mm 寬度溫度分布圖Fig.16 200mm width temperature profile

如圖17～圖24 不同幕墻熱通道間距熱通道內(nèi)空氣速度云圖所示，不同熱通道間距的熱通道內(nèi)均存在從下往上的氣流流動(dòng)。空氣從進(jìn)風(fēng)口水平進(jìn)入，在初始進(jìn)風(fēng)速度作用下，空氣先流動(dòng)到內(nèi)側(cè)，與內(nèi)側(cè)壁面接觸后流動(dòng)方向變?yōu)橄蛏?。熱通道?nèi)空氣吸收透過外側(cè)玻璃的太陽輻射后溫度升高，在熱壓作用下形成向上的浮升力，使得空氣不斷向上流動(dòng)形成循環(huán)?？拷鼉?nèi)側(cè)幕墻的氣流流速較大，對(duì)應(yīng)區(qū)域空氣溫度較低。A1～A4 工況下靠近內(nèi)側(cè)壁面的氣流流動(dòng)在第四層樓板架空部分受阻，1～3 層出現(xiàn)較大區(qū)域的速度死區(qū)（氣流流速接近0m/s 的區(qū)域），而A5～A8 工況下氣流死區(qū)所占區(qū)域比例較少，氣流組織更合理，所以熱通道的設(shè)計(jì)應(yīng)該設(shè)計(jì)為沒有遮擋的豎直通道。八個(gè)工況下熱通道內(nèi)空氣速度分布在0.16～0.91m/s，隨著幕墻熱通道間距的減小，熱通道內(nèi)氣流流速呈上升趨勢(shì)。

圖17 2400mm 寬度速度分布圖Fig.17 2400mm width volocity profile

圖18 1900mm 寬度速度分布圖Fig.18 1900mm width volocity profile

圖19 1500mm 寬度速度分布圖Fig.19 1500mm width volocity profile

圖20 1200mm 寬度速度分布圖Fig.20 1200mm width volocity profile

圖21 900mm 寬度速度分布圖Fig.21 900mm width volocity profile

圖22 500mm 寬度速度分布圖Fig.22 500mm width volocity profile

圖23 300mm 寬度速度分布圖Fig.23 300mm width volocity profile

圖24 200mm 寬度速度分布圖Fig.24 200mm width volocity profile

由以上模擬結(jié)果可以看出熱通道內(nèi)氣流速度變化和氣體溫度變化是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，它們共同影響著雙層皮玻璃幕墻的傳熱量，這就可能導(dǎo)致存在一個(gè)最優(yōu)夾墻寬度，與類似研究結(jié)果一致[13]。幕墻熱通道間距在A1～A3 工況時(shí)，雖然隨著幕墻熱通道間距的減小使得流速變大，空氣流動(dòng)更容易帶走通道內(nèi)熱量，但同時(shí)熱通道間距變窄，熱通道容積也變小，空氣流量變小，導(dǎo)致幕墻的“煙囪效應(yīng)”不明顯，運(yùn)行效果不佳。幕墻熱通道間距在A3～A8 工況間時(shí)，隨著幕墻熱通道間距減小，熱通道內(nèi)空氣流速增大，能快速帶走熱通道內(nèi)的熱量，內(nèi)側(cè)壁面溫度隨著熱通道間距的減小而降低。八個(gè)工況中，熱通道間距為1500mm 時(shí)雙層皮玻璃幕墻運(yùn)行效果最差，熱通道間距為200mm 的運(yùn)行效果最好。

4 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)合CFD 數(shù)值模擬的方法，對(duì)重慶某辦公建筑雙層皮玻璃幕墻在夏季自然通風(fēng)工況下的熱工性能進(jìn)行了研究，并模擬分析了六種不同熱通道間距工況下雙皮玻璃幕墻熱通道溫度和速度分布規(guī)律，得到了熱通道間距對(duì)雙層皮玻璃幕墻熱工性能的影響情況。研究結(jié)果表明：

（1）該建筑構(gòu)造條件下，在熱通道間距200mm～2400mm 范圍內(nèi)，空氣流速隨著熱通道間距減小而逐漸增大。在1500mm～2400mm 范圍內(nèi)，內(nèi)壁面溫度隨著熱通道間距減小而增大；在熱通道間距200mm～1500mm 范圍內(nèi)，內(nèi)壁面溫度隨著熱通道間距減小而減小。這說明熱通道內(nèi)的氣流速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布與雙層皮玻璃幕墻性能存在耦合關(guān)系，本項(xiàng)目最佳設(shè)計(jì)的熱通道間距為200mm，最不利熱通道間距為1500mm。

（2）為使上升的氣流組織合理，避免出現(xiàn)速度死區(qū)，熱通道應(yīng)設(shè)計(jì)為沒有阻擋的豎直通道。

（3）對(duì)于某一個(gè)具體的雙層皮玻璃幕墻建筑，應(yīng)該進(jìn)行模擬計(jì)算來指導(dǎo)設(shè)計(jì)。通過建筑能耗模擬以及CFD 方法可進(jìn)一步對(duì)雙層皮玻璃幕墻熱工性能的優(yōu)劣作出判斷。