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摘要:利用 PHOENICS软件，采用 CFD数值分析方法对该外呼吸双层通风玻璃幕墙的的速度场和温度场进行了模拟 ,研究了不同工况下的的综合传热系数、遮阳系数、围护结构热损失效果。
关键词: 外呼吸双层通风玻璃幕墙;CFD;传热系数;遮阳系数
Abstract: using PHOENICS software, by adopting the method of CFD numerical analysis of the external respiration double skin facade of the velocity field and temperature field is simulated and studied under different working conditions of the integrated heat transfer coefficient and shading coefficient, palisade structure heat loss effect.
Key words: external respiration double skin facade; CFD; Heat transfer coefficient; Shading coefficient
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
外呼吸玻璃幕墙是双层通风幕墙的一种，其基本特征是内幕墙是封闭的,外幕墙设有进风口和出风口。在夏季,开启上、下风口,进行自然通风,降低空气层内的温度；同时在幕墙内设置百叶,减少太阳辐射热的影响,降低围护结构的热损失,提高节能效果。在冬季,关闭风口,形成温室,起到保温作用。此种幕墙结构完全靠自然通风与热压通风实现空气流动,维护和运行费用低,是目前应用最广泛的形式。
本文以某外呼吸玻璃幕墙工程实例为研究对象,建立了物理模型,通过CFD数值模拟,计算了不同工况下的综合传热系数,详细分析了不同幕墙通风口高度以及遮阳帘设置对减少围护结构热损失的影响。
1．外呼吸双层通风玻璃幕墙CFD解析
1.1 外呼吸双层通风玻璃幕墙的构造与参数
该建筑位于上海市 ,外窗采用外呼吸双层通风玻璃幕墙，结构示意如图 1 所示 ,外层玻璃为半钢化（LOW-E）夹胶玻璃8+1.14PVB+8 ,内层玻璃为双钢化中空（LOW-E）玻璃6+12A+6,两玻璃幕墙间距为200mm。为减少夏季太阳辐射得热影响，在空腔内可设置电动遮阳帘（距内玻璃为80mm）。
图1外呼吸双层通风玻璃幕墙构造示意简图
1.2CFD模型
采用K-ε湍流模型和Boussinesq 假設。幕墙内传热现象的模拟分析包括CFD的流体计算和传导、对流及辐射传热计算，同时考虑了玻璃的太阳得热影响。在进行这些传热系数计算时，保持各个壁面的热平衡，壁面处的热量流出为正，流进为负。
1.3外呼吸双层通风玻璃幕墙的综合传热系数K
外呼吸双层通风玻璃幕墙的综合传热系数K按下式计算：
K=Q/( to-ti)式中，Q为传入或流出室内的热流量（包括穿透辐射）。
1.4计算条件
外呼吸双层通风玻璃幕墙宽度为200mm,共设计了5组计算模拟工况（见表1），模拟一天（夏季10小时，冬季9小时）的传热分析：
工况1-3：比较不同幕墙高度和通风口大小对幕墙热工性能的影响；
工况4：分析夏季外呼吸双层通风玻璃幕墙空腔内设置遮阳帘的效果，房间朝向为西；
工况5：分析单采用断热中空（LOW-E）玻璃的热工性能。
工况1-3和5有分别考虑冬夏季不同房间朝向的情况。
表 1计算工况
室内侧玻璃表面综合传热系数αi冬夏季同样取值8.3 W/（㎡·℃），室外表面综合传热系数αo冬季为23.0 W/（㎡·℃），夏季为19.0 W/（㎡·℃）。计算时夏季和冬季各选取一典日（夏季为7月20日，冬季为1月7日），计算分析该外呼吸双层通风玻璃幕墙一天当中各个时刻的传热情况（夏季为8：00－18：00，冬季为8：00—17：00），夏季室内温度为26℃，冬季室内温度为20℃,室外计算温度、太阳辐射强度依据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。
2. CFD计算结果
2.1 室内得热量分析
表2各工况单位时间室内得热Q（W/S,包括太阳辐射得热）对比表
根据分析图表可以看出，当通风口高度不变，外呼吸双层通风玻璃幕墙高度变小室内得热变化不大。幕墙高度从3070mm降低到2120mm时，室内得热冬季变化不大，夏季略有增加。外呼吸双层通风玻璃幕墙的室内得热较断热中空LOW-E玻璃窗冬季不利，夏季有利。原因时主要受太阳辐射得热影响很大，冬季约小于30％，夏季小于20～40％。
另外，根据对比情况得出结论：夏季，空腔内设置电动遮阳帘（透射率为0.3）时的室内得热量约为无遮阳时室内得热量的30％，即降低了约70％的围护结构热负荷。
2.2 综合传热系数K （W/㎡·℃）计算
表3各工况综合传热系数K （W/㎡·℃）对比表
由表3可以看出，当通风口高度不变，玻璃幕墙高度变小传热系数变化不大。幕墙高度从3070mm降低到2120mm时，太阳辐射强时传热系数略变大，太阳辐射弱时略减小。当幕墙高度不变，通风口高度增大时，传热系数大小受太阳辐射强度影响较大。冬季可能增大也可能减小，夏季传热系数增大。当夏季幕墙空腔内设置遮阳，传热系数明显降低，降低了约70％；幕墙的综合传热系数小于断热中空LOW-E玻璃窗的综合传热系数，降低了约25％。
2.3 综合遮阳系数SC计算
表4 各工况综合遮阳系数SC对比表
由表4可以得出，通风口高度不变时，幕墙高度变小时遮阳系数变化很小。幕墙高度不变时，通风口高度增大遮阳系数变化很小。夏季空腔内设置遮阳时的综合遮阳系数比无遮阳时降低了较多，低了约70％。
2.4通风口带走热量计算
表5各工况通风口带走热量（W/S）对比表
由表5可以看出，通风口高度不变，玻璃幕墙高度变小冬夏季通风口带走热量均减少。当幕墙高度由3070mm降至2120mm时，冬季带走热量约减少了10％，夏季约减少了25％。当幕墙高度不变时，通风口高度增大通风口带走热量均增多。通风口高度从60mm扩大到100mm冬季带走热量约增多40％，夏季约增多了20％。夏季空腔内设置遮阳时带走热量较多，约为无遮阳时的2倍。
3．结语
上海地区处于夏热冬冷地区，夏季空调制冷时间较长,外层幕墙采用热反射玻璃和相对较小的热通道宽度,可增强烟囱效应,降低内层玻璃表面的温度,从而达到最佳的节能效果。而对于冬季,选用双层通风玻璃幕墙可利用热通道的“温室效应”减少室内热量的散失。通过CFD 模拟,双层通风玻璃幕墙节能原理清晰,效果显著,一般比单层幕墙节能40%～70 %。
参考文献：
[1] 朱清宇，杜国付,邹瑜内呼吸玻璃幕墙综合传热系数CFD模拟计算暖通空调 HV &AC
2005 年第 35 卷第 6 期
[2] 彭晓丹 双层通风玻璃幕墙的热过程及热工设计工业建筑2006.7
[3] 高云飞 外呼吸双层通风玻璃幕墙热工性能模拟分析暖通空调 HV &AC
2007 年第 37 卷第1 期
关键词: 外呼吸双层通风玻璃幕墙;CFD;传热系数;遮阳系数
Abstract: using PHOENICS software, by adopting the method of CFD numerical analysis of the external respiration double skin facade of the velocity field and temperature field is simulated and studied under different working conditions of the integrated heat transfer coefficient and shading coefficient, palisade structure heat loss effect.
Key words: external respiration double skin facade; CFD; Heat transfer coefficient; Shading coefficient
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
外呼吸玻璃幕墙是双层通风幕墙的一种，其基本特征是内幕墙是封闭的,外幕墙设有进风口和出风口。在夏季,开启上、下风口,进行自然通风,降低空气层内的温度；同时在幕墙内设置百叶,减少太阳辐射热的影响,降低围护结构的热损失,提高节能效果。在冬季,关闭风口,形成温室,起到保温作用。此种幕墙结构完全靠自然通风与热压通风实现空气流动,维护和运行费用低,是目前应用最广泛的形式。
本文以某外呼吸玻璃幕墙工程实例为研究对象,建立了物理模型,通过CFD数值模拟,计算了不同工况下的综合传热系数,详细分析了不同幕墙通风口高度以及遮阳帘设置对减少围护结构热损失的影响。
1．外呼吸双层通风玻璃幕墙CFD解析
1.1 外呼吸双层通风玻璃幕墙的构造与参数
该建筑位于上海市 ,外窗采用外呼吸双层通风玻璃幕墙，结构示意如图 1 所示 ,外层玻璃为半钢化（LOW-E）夹胶玻璃8+1.14PVB+8 ,内层玻璃为双钢化中空（LOW-E）玻璃6+12A+6,两玻璃幕墙间距为200mm。为减少夏季太阳辐射得热影响，在空腔内可设置电动遮阳帘（距内玻璃为80mm）。
图1外呼吸双层通风玻璃幕墙构造示意简图
1.2CFD模型
采用K-ε湍流模型和Boussinesq 假設。幕墙内传热现象的模拟分析包括CFD的流体计算和传导、对流及辐射传热计算，同时考虑了玻璃的太阳得热影响。在进行这些传热系数计算时，保持各个壁面的热平衡，壁面处的热量流出为正，流进为负。
1.3外呼吸双层通风玻璃幕墙的综合传热系数K
外呼吸双层通风玻璃幕墙的综合传热系数K按下式计算：
K=Q/( to-ti)式中，Q为传入或流出室内的热流量（包括穿透辐射）。
1.4计算条件
外呼吸双层通风玻璃幕墙宽度为200mm,共设计了5组计算模拟工况（见表1），模拟一天（夏季10小时，冬季9小时）的传热分析：
工况1-3：比较不同幕墙高度和通风口大小对幕墙热工性能的影响；
工况4：分析夏季外呼吸双层通风玻璃幕墙空腔内设置遮阳帘的效果，房间朝向为西；
工况5：分析单采用断热中空（LOW-E）玻璃的热工性能。
工况1-3和5有分别考虑冬夏季不同房间朝向的情况。
表 1计算工况
室内侧玻璃表面综合传热系数αi冬夏季同样取值8.3 W/（㎡·℃），室外表面综合传热系数αo冬季为23.0 W/（㎡·℃），夏季为19.0 W/（㎡·℃）。计算时夏季和冬季各选取一典日（夏季为7月20日，冬季为1月7日），计算分析该外呼吸双层通风玻璃幕墙一天当中各个时刻的传热情况（夏季为8：00－18：00，冬季为8：00—17：00），夏季室内温度为26℃，冬季室内温度为20℃,室外计算温度、太阳辐射强度依据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》。
2. CFD计算结果
2.1 室内得热量分析
表2各工况单位时间室内得热Q（W/S,包括太阳辐射得热）对比表
根据分析图表可以看出，当通风口高度不变，外呼吸双层通风玻璃幕墙高度变小室内得热变化不大。幕墙高度从3070mm降低到2120mm时，室内得热冬季变化不大，夏季略有增加。外呼吸双层通风玻璃幕墙的室内得热较断热中空LOW-E玻璃窗冬季不利，夏季有利。原因时主要受太阳辐射得热影响很大，冬季约小于30％，夏季小于20～40％。
另外，根据对比情况得出结论：夏季，空腔内设置电动遮阳帘（透射率为0.3）时的室内得热量约为无遮阳时室内得热量的30％，即降低了约70％的围护结构热负荷。
2.2 综合传热系数K （W/㎡·℃）计算
表3各工况综合传热系数K （W/㎡·℃）对比表
由表3可以看出，当通风口高度不变，玻璃幕墙高度变小传热系数变化不大。幕墙高度从3070mm降低到2120mm时，太阳辐射强时传热系数略变大，太阳辐射弱时略减小。当幕墙高度不变，通风口高度增大时，传热系数大小受太阳辐射强度影响较大。冬季可能增大也可能减小，夏季传热系数增大。当夏季幕墙空腔内设置遮阳，传热系数明显降低，降低了约70％；幕墙的综合传热系数小于断热中空LOW-E玻璃窗的综合传热系数，降低了约25％。
2.3 综合遮阳系数SC计算
表4 各工况综合遮阳系数SC对比表
由表4可以得出，通风口高度不变时，幕墙高度变小时遮阳系数变化很小。幕墙高度不变时，通风口高度增大遮阳系数变化很小。夏季空腔内设置遮阳时的综合遮阳系数比无遮阳时降低了较多，低了约70％。
2.4通风口带走热量计算
表5各工况通风口带走热量（W/S）对比表
由表5可以看出，通风口高度不变，玻璃幕墙高度变小冬夏季通风口带走热量均减少。当幕墙高度由3070mm降至2120mm时，冬季带走热量约减少了10％，夏季约减少了25％。当幕墙高度不变时，通风口高度增大通风口带走热量均增多。通风口高度从60mm扩大到100mm冬季带走热量约增多40％，夏季约增多了20％。夏季空腔内设置遮阳时带走热量较多，约为无遮阳时的2倍。
3．结语
上海地区处于夏热冬冷地区，夏季空调制冷时间较长,外层幕墙采用热反射玻璃和相对较小的热通道宽度,可增强烟囱效应,降低内层玻璃表面的温度,从而达到最佳的节能效果。而对于冬季,选用双层通风玻璃幕墙可利用热通道的“温室效应”减少室内热量的散失。通过CFD 模拟,双层通风玻璃幕墙节能原理清晰,效果显著,一般比单层幕墙节能40%～70 %。
参考文献：
[1] 朱清宇，杜国付,邹瑜内呼吸玻璃幕墙综合传热系数CFD模拟计算暖通空调 HV &AC
2005 年第 35 卷第 6 期
[2] 彭晓丹 双层通风玻璃幕墙的热过程及热工设计工业建筑2006.7
[3] 高云飞 外呼吸双层通风玻璃幕墙热工性能模拟分析暖通空调 HV &AC
2007 年第 37 卷第1 期