寧勇飛 張杰 陳剛

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

雙層皮玻璃幕墻熱特性的簡化計算方法

寧勇飛 張杰 陳剛

南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

雙層皮玻璃幕墻的復(fù)雜熱工特性使得它在建筑設(shè)計過程中熱工參數(shù)和計算方法存在諸多的不確定性。為了避免采用復(fù)雜耗時的數(shù)值計算方法，本文采用集總方法，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，對雙層皮玻璃幕墻系統(tǒng)的熱工性能進(jìn)行了模擬計算。結(jié)果顯示，模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較好，該法在幕墻設(shè)計計算中可行。

雙層皮玻璃幕墻 熱工性能 集總方法

雙層皮玻璃幕墻已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑廣泛采用的墻體形式，作為一種特殊圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有傳統(tǒng)墻體不具備的優(yōu)點(diǎn)，絢麗的玻璃使建筑呈現(xiàn)出美麗的外觀，良好的透光性使人與自然環(huán)境具有更好的親近感[1]。此外，雙層皮玻璃幕墻系統(tǒng)具有良好的隔聲性能和節(jié)能特性[2，3]。

雙層皮玻璃幕墻通常由內(nèi)、外兩層玻璃層及中間空氣腔構(gòu)成。為了防止眩光和達(dá)到一定的節(jié)能效果，通常在雙層皮玻璃幕墻中設(shè)置百葉遮陽裝置或者遮陽卷簾。然而，雙層皮玻璃幕墻復(fù)雜的熱工特性和不同氣候條件下的適用性方面的研究尚不夠完善[4～6]。

國內(nèi)的李榮敏[7]等人用有限元分析軟件ANSYS對玻璃幕墻熱通道的氣流組織進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為并非所有雙層皮玻璃幕墻都能實(shí)現(xiàn)煙囪效應(yīng)。劉斌[8]采用CFD軟件對雙層皮玻璃幕墻的熱工參數(shù)進(jìn)行了計算。在歐洲玻璃幕墻的應(yīng)用與研究較為廣泛，Elisabeth Gratia[9～11]等人通過大量的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與軟件模擬分析對比，對雙層皮玻璃幕墻的節(jié)能性能進(jìn)行了較為全面的研究。Heinrich Manz[12]分析了雙層玻璃幕墻的光學(xué)、動態(tài)傳熱和流體動力學(xué)特性，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，具有較好的一致性。

本文采用簡化的集總方法，結(jié)合冬季實(shí)測數(shù)據(jù)，模擬分析雙層皮玻璃幕墻系統(tǒng)的逐時溫度變化規(guī)律，為建筑設(shè)計過程中雙層皮通風(fēng)玻璃幕墻參數(shù)設(shè)計提供參考。

1 多層透過體系光學(xué)性能

太陽光入射到幕墻玻璃表面后，光線在玻璃表面經(jīng)過反復(fù)的反射，透射，以及吸收作用，最終一部分能量返回室外，另一部分被玻璃吸收，其余部分則進(jìn)入室內(nèi)。雙層皮玻璃幕墻系統(tǒng)由三層玻璃組成，根據(jù)射線追蹤原理（如圖1所示），從太陽入射方向各層玻璃的總吸收率為：

圖1 玻璃間光線的反射與透射

式中：αi，ρi，τi分別為第i層玻璃的吸收率，反射率，透射率。

玻璃的光學(xué)性質(zhì)如表1所示[13]：

表1 玻璃光學(xué)性質(zhì)

2 雙層玻璃幕墻熱過程

2.1 熱過程

室外太陽光線入射到雙層玻璃系統(tǒng)上，經(jīng)過玻璃的反射，透射以及吸收之后，進(jìn)入室內(nèi)成為室內(nèi)得熱。玻璃吸收輻射能后溫度升高，同時與空腔空氣進(jìn)行換熱。由于空氣密度差產(chǎn)生熱浮升力，驅(qū)動空氣流動，將玻璃熱量帶走。采用集總方法，室內(nèi)外空氣溫度，各表面對流換熱系數(shù)及空腔氣流溫度與速度如圖2所示。

圖2 雙層玻璃幕墻傳熱過程

如圖2所示傳熱過程，根據(jù)各部分能量關(guān)系，可得如下能量平衡式：

玻璃層1：

式中：Qsi為各玻璃層太陽輻射吸熱量，W/m2；Ti為各玻璃層溫度，K；Ta為空腔空氣溫度，K；Tsky為天空溫度，Tsky=0.0552To1.5，K；εi為個表面發(fā)射率；σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m·2K4)；λ1，λ2分別為中空玻璃空氣夾層和空腔空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；d1為中空玻璃空氣夾層寬度，m；ρ為空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓比熱，J/(kg·K)；v為空腔氣流速度，m/s。

2.2 參數(shù)確定

根據(jù)文獻(xiàn)[12]與[14]，空腔空氣及室內(nèi)與玻璃間對流換熱系數(shù)h=8W/(m2·K)，室外空氣與玻璃間對流換熱系數(shù)h=12W/(m·2K)。

根據(jù)伯努利方程，從空腔入口至出口處建立能量方程：

式中：△p為壓力損失，Pa；H為氣流進(jìn)出口高差，m；ξ，f分別為局部和沿程阻力系數(shù)。

空腔內(nèi)空氣受到的熱浮升力為：

式中：Ho為室外空氣密度，kg/m3。

3 結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)式（8）、（9）并通過計算機(jī)編程解式（4）～（7），分別模擬計算各玻璃層及空腔空氣溫度，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析。被測幕墻高度2.4m，幕墻中空間距0.3m。測試的室內(nèi)外溫度及幕墻的太陽輻照度如圖3所示，圖4則為中空氣流速度。

圖3 室外溫度與太陽輻照度

圖4 空腔氣流速度

圖5表明，從外至內(nèi)各層玻璃太陽輻射能吸收率依次降低，在太陽輻射峰值時段，最外層與最內(nèi)層玻璃對太陽輻射能的吸收率相差35%。最外層玻璃的輻射能吸收率超過10%，最內(nèi)層輻射能吸收率約7%。因此，可根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)和季節(jié)變化，采取相應(yīng)的措施減少或者增加玻璃的太陽輻射吸收率，達(dá)到一定的節(jié)能效果。

圖5 各玻璃層太陽輻射吸熱量

為了驗(yàn)證本文采用的簡化集總計算方法的可行性，采用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。如圖6所示，最外層玻璃受到室外側(cè)對流換熱系數(shù)以及和室外環(huán)境間的輻射換熱，因而溫度最低。

內(nèi)側(cè)玻璃受到室內(nèi)溫度與氣流自然對流換熱的影響，溫度最高，對于節(jié)能與提高室內(nèi)熱舒適效果明顯。在溫度峰值時段，空腔氣流模擬溫度較實(shí)測溫度低1～2℃，其原因?yàn)槟M過程未考慮氣體的長波輻射作用，以及模擬時采用平均氣流速度所致。玻璃層的模擬溫度與實(shí)測溫度差值均在0～1.5℃?？傮w而言，采用的集總計算方法與實(shí)測值吻合度較好，對于建筑設(shè)計過程中玻璃幕墻溫度的確定及太陽輻射得熱難以確定的問題有較好的參考價值。

圖6 測試值與模擬計算值的比較

4 結(jié)論

雙層皮玻璃幕墻的復(fù)雜熱工特性使得它在建筑設(shè)計過程中，熱工參數(shù)和計算方法存在諸多的不確定性。本文采用集總方法，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，對雙層皮玻璃幕墻系統(tǒng)的熱工性能進(jìn)行了模擬計算，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合度較好，該法在幕墻設(shè)計中可行。

[1]沈艷,李百戰(zhàn),丁勇.“雙層皮”外圍護(hù)結(jié)構(gòu)通風(fēng)效果的模擬分析[J].建筑科學(xué),2008,24(6):18-21

[2]M Bessoudo,A Tzempelikos,A K Athienitis,et al.Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devi -ces-partⅠ:experiments and building thermal model[J].Building and Environment,2010,45:2506-2516

[3]岑顯榮,詹杰民,楊仕超,等.雙層玻璃幕墻的CFD模擬與設(shè)計優(yōu)化[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,47:18-21

[4]陳海,姜清海,郭金基,等.雙層通風(fēng)幕墻熱氣流有限分析計算方法的研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,44(1):34-37

[5]Jorge S Carlos,Helena Corvacho.Modelling and simulation of a ventilated double window[J].Applied Thermal Engineering, 2011,31:93-102

[6]J Darkwa,Y Li,D H C Chow.Heat transfer and air movement behaviour in a double-skin fa?ade[J].Sustainable Cities and Society,2014,10:130-139

[7]李榮敏,顧建明.玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流組織的模擬與分析[J].暖通空調(diào),2007,37(1):23-28

[8]劉斌,梁方嶺,梁曙光,等.基于CFD的雙層玻璃幕墻熱工計算及應(yīng)用[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,49:11-14

[9]Elisabeth Gratia,André De Herde.Natural ventilation in a double-skin facade[J].Energy and Buildings,2004,36:137-146

[10]Elisabeth Gratia,André De Herde.Guidelines for improving natural daytime ventilation in an office building with a double-skin facade[J].Solar Energy,2007,81:435-448

[11]Elisabeth Gratia,André De Herde.The most efficient position of shading devices in a double-skin facade[J].Energy and Buildins, 2007,39:364-373

[12]Heinrich Manz.Total solar energy transmittance of glass double facades with free convection[J].Energy and Buildings,2004,36: 127-136[13]Dirk Saelens,Jan Carmeliet,Hugo Hens.Energy performance assessment of multiple-skin facades[J].HVAC＆R Research, 2003,9(2):167-185

[14]H Manza,A Schaelinb,H Simmlera.Airflow patterns and therma -l behavior of mechanically ventilated glass double facades[J]. Building and Environment,2004,39:1023-1033

Sim plifie d Ca lc ula ting Me thod for the The rm a l Prope rty of Double Skin Fa c a de s

NING Yong-fei,ZHANG Jie,CHEN Gang
School of Urban Construction,University of South China

The uncertainty of the thermal parameters and calculating method in the architectural design process is an issue for the complex of the thermal property of double skin facades.To avoid the fairly complicated numerical methods, a lumped method combined with the measured data is used in this paper.The results showed that the simulated and measured data have a good agreement with the comparison.The simplified calculating method in the curtain wall designing is available.

double skin facades,thermal property,lumped method

1003-0344（2015）02-068-4

2014-3-18

寧勇飛（1973～），男，碩士，講師；湖南省衡陽市常勝西路28號南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院（421001）；E-mail:nyf305921@163.com

湖南省教育廳高?？蒲幸话沩?xiàng)目（11C1116）