雙層玻璃幕墻空腔通風(fēng)的影響因素分析

何國(guó)青 孟源 郭新雅 陳狄 葉長(zhǎng)青

1浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院

2浙江大學(xué)平衡建筑研究中心

3浙江亞廈幕墻有限公司

雙層玻璃幕墻具有雙層結(jié)構(gòu)，中間空腔為各種輔助功能構(gòu)件提供了場(chǎng)所，使得該類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有很大的節(jié)能潛力[1-2]。但在設(shè)計(jì)中，雙層玻璃幕墻是否能保證建筑具有足夠的通風(fēng)量仍是個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。空腔通風(fēng)，關(guān)系到空腔熱量的帶走以避免夏季空腔溫度過(guò)高[3]，也關(guān)系到過(guò)渡季節(jié)的自然通風(fēng)效果。一直以來(lái)，空腔通風(fēng)量缺乏快速有效的計(jì)算方法?？涨坏臒釅和L(fēng)實(shí)質(zhì)是壁面加熱的煙囪效應(yīng)，最近發(fā)展的用于描述太陽(yáng)能煙囪效應(yīng)的煙羽模型[4]可用于雙層玻璃幕墻空腔的通風(fēng)計(jì)算，該模型具有較好的通用性[5]，并得到場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[6]。本文基于此模型，研究雙層玻璃幕墻的空腔深度，開(kāi)口大小，室外溫度以及太陽(yáng)輻射等主要設(shè)計(jì)參數(shù)或環(huán)境因素對(duì)通風(fēng)量的影響。

1 方法

1.1 均勻加熱豎直通道通風(fēng)量的煙羽模型

本節(jié)簡(jiǎn)要描述用于計(jì)算墻面均勻加熱的垂直矩形通道內(nèi)氣流流量的煙羽模型，具體推導(dǎo)過(guò)程可參考文獻(xiàn)[5]。

垂直面熱源加熱空氣產(chǎn)生的氣流是貼附于垂直面的熱邊界層流動(dòng)，煙羽模型假設(shè)該流動(dòng)的浮力等效于等厚度的煙羽流，煙羽流內(nèi)部同高度處的溫度分布均勻?；跓熡鹆鞯膭?dòng)量方程和能量方程，可獲得煙羽流質(zhì)量流量的如下方程：

式中：m是煙囪產(chǎn)生的質(zhì)量流量,是煙羽流的平均密度，H是煙囪高度。分子是浮力，分母中Γ1是浮力做功導(dǎo)致的壓力變化，Γ2是局部阻力損失，Γ3是除煙囪外的沿程阻力損失，Γ4是煙囪內(nèi)部的沿程阻力損失，Γ5是轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的壓力損失，Γ6是房間入口的阻力損失，其中Γ4和Φg分別是：

式中：f是和流動(dòng)雷諾數(shù)有關(guān)的阻力系數(shù)，T1和ρ1是煙囪入口溫度和密度，ρa(bǔ)是室外空氣密度，TH是煙囪出口處煙羽流的溫度，Ap是煙羽流流道的面積，Dp是煙羽流道的當(dāng)量直徑。方程需和能量方程一起采用迭代循環(huán)的方式求解。根據(jù)能量方程可以得到如下的煙羽流溫度的公式：

煙羽模型中，煙羽厚度和邊界層的發(fā)展有關(guān)。但湍流自然對(duì)流的邊界層厚度并沒(méi)有可靠公式，文獻(xiàn)[5]采用了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法，獲得了基于瑞利數(shù)和煙囪通道雷諾數(shù)的煙羽厚度dp的公式：

式中：d是煙囪通道深度，w是煙囪寬度。

文獻(xiàn)[7]提供了上述模型的求解程序。求解過(guò)程如圖1所示。第一步是準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)，包括煙囪結(jié)構(gòu)參數(shù)、進(jìn)出口溫度，空腔得熱量、煙囪結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)，以及房間開(kāi)口的參數(shù)（如有的話）。第二步，假設(shè)初始的質(zhì)量流量。第三步，運(yùn)行程序，輸出迭代收斂后的流量。正常情況下，到這一步計(jì)算結(jié)束，但因?yàn)榉匠探M存在兩個(gè)解，有時(shí)會(huì)獲得不合理的極小值。因此，需要有第四步，檢查結(jié)果。大多數(shù)情況下，通過(guò)改變質(zhì)量流量的初始值，可以獲得合理的解。

1.2 案例參數(shù)

研究基于高度H=3.0 m，寬w=3.0 m，深度D=0.6 m，開(kāi)口高度ΔH=0.2 m的標(biāo)準(zhǔn)單層高雙層玻璃幕墻模塊，滿足凈深d=4 m、寬相同（3.0 m）的辦公空間的通風(fēng)要求。所采用的雙層玻璃幕墻系統(tǒng)由8 mm夾膠玻璃作為外層，6+12A+6 中空玻璃作為內(nèi)層組成，中間或增加鋁百葉。對(duì)于采用吸熱玻璃的雙層玻璃幕墻系統(tǒng)，僅外層玻璃和中空玻璃外層玻璃采用了吸熱玻璃，而中空玻璃內(nèi)層玻璃仍為普通玻璃。各玻璃材料相應(yīng)的熱輻射光學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 雙層玻璃幕墻所用的玻璃光學(xué)特性

計(jì)算兩種模式下的空腔氣流流量，一種是單側(cè)循環(huán)模式（圖2A），這種模式用于夏天外循環(huán)的隔熱模式或冬天內(nèi)循環(huán)加熱的模式，這種模式下，通風(fēng)量決定了帶走空腔熱量的能力。另一種是雙側(cè)氣流交換的模式（圖 2B），這種模式用于過(guò)渡季節(jié)換氣的模式，決定房間的通風(fēng)量。不考慮管道連接，雙層玻璃幕墻局部阻力系數(shù)計(jì)算中考慮圖 3的四種結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算相應(yīng)的阻力系數(shù)。在文獻(xiàn)[8]的公式或圖表中采用插值的方式獲得相應(yīng)的阻力系數(shù)，對(duì)于超出范圍外的少數(shù)情況，采用圖表延申的方式獲得阻力系數(shù)。

圖2 雙層玻璃幕墻通風(fēng)模型示意圖

圖3 雙層玻璃幕墻流道局部阻力系數(shù)分解

兩種模式下的計(jì)算案例如表2所示，工況A1 中，變化空腔深度D和開(kāi)口高度△H，研究開(kāi)口和深度對(duì)流量的影響，工況 A2 中，改變太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，研究輻射的影響。工況 B中，改變進(jìn)出口環(huán)境溫度研究環(huán)境溫度對(duì)流量的影響。

表2 計(jì)算案例

1.3 雙層玻璃幕墻系統(tǒng)的太陽(yáng)一次得熱計(jì)算

煙羽模型輸入?yún)?shù)之一是垂直通道的得熱量，即雙層玻璃幕墻空腔獲得的輻射得熱。假設(shè)輻射熱均勻且垂直投射到 DSF上，垂面上熱量均勻分布，雖然有陰影，但鑒于玻璃、百葉等材料的導(dǎo)熱率相比空氣對(duì)流換熱要高很多，且陰影面積占比總體不大，假設(shè)有一定的合理性。暫且不考慮房間側(cè)的進(jìn)風(fēng)阻力。采用能量平衡法獲得太陽(yáng)輻射在各玻璃上的吸熱值[9]。計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于使用普通玻璃的雙層幕墻系統(tǒng)，外層玻璃和中空玻璃外層玻璃分別吸收 21.9%和 8.2%的太陽(yáng)輻射熱。對(duì)于吸熱玻璃，外層玻璃和中空玻璃外層玻璃分別吸收43.6%和 17.7%的太陽(yáng)輻射熱。玻璃吸熱后傳遞到空腔的熱量可以通過(guò)耦合求解空腔對(duì)流換熱方程和煙羽流動(dòng)的方程獲得，但這會(huì)增加求解的復(fù)雜性和計(jì)算時(shí)間。鑒于氣流流動(dòng)實(shí)際對(duì)熱量并不太敏感，這里采用類似文獻(xiàn)[6]的方式估算空腔得熱，即外層玻璃吸熱的一半和中空玻璃外層玻璃得熱的全部被傳遞到空腔。

式中：I是垂直面上的太陽(yáng)總輻照強(qiáng)度，W/m2；α1是外層玻璃吸熱率，α2是中空玻璃外層玻璃的吸熱率。

2 結(jié)果

2.1 夏季外循環(huán)模式下開(kāi)口和深度的影響

圖4給出了煙囪深度D和開(kāi)口高度ΔH對(duì)空腔通風(fēng)量的影響。在外循環(huán)模式下，流量隨著開(kāi)口增大而增加。當(dāng)空腔深度只有0.1 m時(shí)，在開(kāi)口大于0.2 m后，流量的增加十分有限。在同一開(kāi)口高度下，隨著深度的增加，流量先增加后降低。這說(shuō)明對(duì)于每個(gè)開(kāi)口大小，存在一個(gè)最佳深度或者最佳深高比，該結(jié)果與不同文獻(xiàn)得到不同最佳深高比的結(jié)果是一致[10-12]。對(duì)于開(kāi)口高度ΔH=0.3 m，流量最大發(fā)生在D=0.4 m的深度，而開(kāi)口高度 ΔH=0.2 m 對(duì)應(yīng)的最佳深度是D=0.3 m的深度。此外，當(dāng)開(kāi)口很小時(shí)（ΔH=0.05 m），深度在D>0.05 m后對(duì)流量的影響可以忽略，此時(shí)進(jìn)出口阻力成為了空腔通風(fēng)的制約因素，繼續(xù)增大深度無(wú)助于通風(fēng)。

圖4 煙囪深度D和開(kāi)口高度ΔH 對(duì)空腔通風(fēng)量的影響

深度過(guò)大導(dǎo)致流量反而減少的可能原因有幾個(gè)，一是，進(jìn)出口處過(guò)大的縮放比引起的阻力成為了重要的阻力因素。二是，大深度小開(kāi)口容易引進(jìn)空腔內(nèi)部的局部循環(huán)，增加了腔內(nèi)的阻力，耗散了部分熱壓勢(shì)能。雖然其中腔內(nèi)回流理論還不完善，但煙羽模型的參數(shù)是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，反而能夠捕捉到該變化規(guī)律。

雖然外循環(huán)模式不用于房間通風(fēng)，但比較風(fēng)量大小仍然有意義。上述結(jié)果中，最小風(fēng)量（ΔH=0.05 m，D=0.6 m）為 45 m3/ h，相當(dāng)于4 m進(jìn)深房間近 4個(gè)換氣次數(shù)，而最大風(fēng)量（ΔH=0.30 m，D=0.4 m）則相當(dāng)于 16個(gè)換氣次數(shù)。

2.2 夏季外循環(huán)模式下輻射的影響

圖5給出了開(kāi)口0.2 m的三個(gè)深度下流量隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化情況。流量隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，但增長(zhǎng)率逐漸降低。在低輻射強(qiáng)度下，流量低，并且對(duì)深度并不敏感。換句話說(shuō)，在低輻射下，熱源是限制因素，流量對(duì)其它因素如深度等并不敏感。當(dāng)輻射增強(qiáng)時(shí)，其他因素成為限制因素，比如在高輻射強(qiáng)度下，開(kāi)口高度是限制因素，流量對(duì)深度不敏感。

圖5 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和玻璃材質(zhì)對(duì)空腔通風(fēng)量的影響

從增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)看，隨著熱源的增強(qiáng)，流量增長(zhǎng)率逐漸降低，說(shuō)明熱量轉(zhuǎn)換為流量的效率隨輻射的增強(qiáng)而減弱。

結(jié)合圖4 和圖5，可以看到，開(kāi)口高度、深度、輻射強(qiáng)度都是影響空腔通風(fēng)的重要因素，三者相互依次成為制約因素，其對(duì)流量的影響不能一概而論。

2.3 材質(zhì)的影響

普通玻璃并不怎么吸熱，因此，雙層玻璃幕墻空腔獲得的熱量并不多，僅約 14.2%的輻射熱被玻璃吸收并最終用于加熱空腔空氣。為了提高玻璃的吸熱量，將外層夾膠玻璃和內(nèi)層中空玻璃的外層玻璃用吸熱玻璃取代。采用吸熱玻璃，空腔得熱量增加了一倍（106%）。圖 5 顯示，空腔流量也相應(yīng)增加了 28%～69%，輻射越低，增加率越大。

增加空腔得熱對(duì)建筑隔熱或供暖都有意義。需要隔熱時(shí)，首先，減少直接進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱。其次，減少的輻射熱被擋在中空玻璃的外面，用于加熱空腔的空氣，提高通風(fēng)量，最終將空腔內(nèi)獲得的熱量帶到室外[13]。冬季需要供暖時(shí)，空腔獲得的熱量也可以被送到室內(nèi)進(jìn)行利用。因此，實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)注意空腔得熱優(yōu)勢(shì)。

2.4 室內(nèi)外溫度的影響

圖6 中，例 1～4 分別對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度為 32 ℃，26 ℃，20 ℃和15 ℃的情況，室內(nèi)外溫度相同。這四種情況下，質(zhì)量流量隨溫度降低略有升高，但體積流量一致。例5和6代表的是室內(nèi)外換氣的情況，其中例 5中，室內(nèi)溫度（15 ℃）低于室外溫度（20 ℃），這種溫度分布幾乎將空腔中的熱壓抵消，導(dǎo)致通風(fēng)量大大減弱。例 6代表室內(nèi)溫度（26 ℃）高于室外溫度（15 ℃）的情況，這種溫度屬于逆溫分布[6]，室內(nèi)外的熱壓與空腔中的熱壓有加強(qiáng)的作用，導(dǎo)致通風(fēng)量顯著增強(qiáng)。從例5和例6中可以看出，內(nèi)外溫差對(duì)流量的影響很大。因?yàn)槭彝鉁囟茸兓煊谑覂?nèi)溫度，因此，在過(guò)渡季節(jié)，容易出現(xiàn)進(jìn)出口的環(huán)境溫度不同。當(dāng)室外溫度高于室內(nèi)溫度時(shí)，通風(fēng)效果會(huì)減弱，當(dāng)室外溫度低于室內(nèi)時(shí)，空腔的通風(fēng)效果可以顯著加強(qiáng)。

圖6 環(huán)境溫度對(duì)空腔通風(fēng)量的影響

3 典型氣象候條件下的通風(fēng)性能

選取夏熱冬冷地區(qū)兩個(gè)城市——杭州和重慶作為代表城市，分析典型氣象條件下[14]過(guò)渡季節(jié)雙層玻璃幕墻的熱壓通風(fēng)能力。

在南向，垂直面太陽(yáng)輻射入射角（與地面夾角）一般都較大，并且夏天高于冬天。而在西向或東向，太陽(yáng)入射角是有可能垂直于幕墻面。本節(jié)考慮了正南向和西向兩個(gè)方向的雙層玻璃幕墻，采用吸熱玻璃，選取過(guò)渡季節(jié)3～5月以及9～11月進(jìn)行分析。作如下假設(shè)：

1）忽略投影的影響，太陽(yáng)輻射均勻且垂直于幕墻面。2）過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)不供暖也不供冷，室內(nèi)外溫度接近，即不考慮溫差的影響。

圖7給出杭州、重慶過(guò)渡季節(jié)（春季、秋季）6 點(diǎn)到18 點(diǎn)的白天太陽(yáng)輻射分布。圖 7 顯示，77%的小時(shí)段西向幕墻獲得有效的輻射熱量在7 W/m2以上，也就是超過(guò)3/4的時(shí)間幕墻可產(chǎn)生4個(gè)房間換氣次數(shù)的通風(fēng)量。此外，約 1/2的小時(shí)段的通風(fēng)量在 12 個(gè)換氣次數(shù)以上。南向幕墻的輻射得熱略低于西向幕墻，特別是缺少輻射得熱超過(guò)200 W/m2的時(shí)間段，這主要是因?yàn)槟舷蛱?yáng)高度角較高的原因。但南向幕墻在中等輻射強(qiáng)度區(qū)間的比例高于西向，而在低輻射段和高輻射段均略低于西向幕墻。秋季的太陽(yáng)輻射比春季略低，比例接近。

圖7 杭州過(guò)渡季節(jié)雙層玻璃幕墻獲得輻射熱及通風(fēng)量分布

圖8 重慶過(guò)渡季節(jié)雙層玻璃幕墻獲得輻射熱及通風(fēng)量分布

重慶代表太陽(yáng)輻射較弱的城市，在上述 6 個(gè)月內(nèi)，在南向和西向的垂直面上的總輻射比杭州分別低了38%和32%。但從分布來(lái)看，重慶的低輻射（7～14 W/m2）小時(shí)數(shù)較多，在中高輻射段（>42 W/m2）的小時(shí)數(shù)較少。結(jié)果反映到通風(fēng)量分布上時(shí)，高于 4次/小時(shí)換氣次數(shù)的時(shí)間段分布和杭州情況差不多，但在中高通風(fēng)量段（>12次/小時(shí)）的小時(shí)數(shù)明顯減少。此外，南向和西向的輻射強(qiáng)度分布頻率差別要比杭州的小，說(shuō)明重慶地區(qū)的輻射多以散射輻射為主。

對(duì)比兩個(gè)城市的氣候和通風(fēng)量，可以看出，雖然重慶太陽(yáng)輻射總體比杭州的弱，但較低換氣次數(shù)的滿足率仍然接近杭州。

最后，需要討論一下百葉的影響。百葉的放置影響腔內(nèi)熱量的分布，空氣熱壓通風(fēng)問(wèn)題不屬于簡(jiǎn)單的1～2個(gè)邊界層的情況，當(dāng)前煙羽模型尚無(wú)法計(jì)算多熱通道并聯(lián)的情況。但根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究[15]，內(nèi)置百葉是能加強(qiáng)空腔通風(fēng)效率的。

4 結(jié)論

雙層玻璃幕墻的深度，開(kāi)口大小以及獲得太陽(yáng)輻射熱的能力對(duì)空腔通風(fēng)量的影響是綜合的，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免其中一個(gè)參數(shù)成為制約因素。在沒(méi)有出現(xiàn)制約因素的情況下，通風(fēng)量隨著深度的增大而增加，隨著開(kāi)口大小的增大而增加，隨著輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加。當(dāng)深度增大到一定程度（超過(guò)開(kāi)口高度），開(kāi)口高度會(huì)成為制約因素，此時(shí)，繼續(xù)增大深度，通風(fēng)量反而會(huì)下降。

使用吸熱玻璃提高了空腔的加熱量，可以顯著提高空腔的通風(fēng)能力（28%～69%），設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮提高空腔得熱量。環(huán)境溫度對(duì)空腔通風(fēng)量的影響可以忽略，但室內(nèi)外溫差對(duì)空腔的通風(fēng)有很大影響。室外環(huán)境溫度低對(duì)通風(fēng)量有加強(qiáng)的作用，室外溫度高對(duì)通風(fēng)量有減弱的作用。

當(dāng)雙層玻璃幕墻在過(guò)渡季節(jié)作為室內(nèi)通風(fēng)換氣模式時(shí)，不論在屬于太陽(yáng)輻射可利用的杭州還是太陽(yáng)輻射較弱的重慶，無(wú)論是安裝在西向還是安裝在南向，在白天的大部分時(shí)間（70%）均可獲得4個(gè)以上的換氣次數(shù)。