夏熱冬冷地區(qū)VDSF自然通*

陳友明，高麗慧，王衍金，何文皓，郭曉琴

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

夏熱冬冷地區(qū)VDSF自然通*

陳友明?，高麗慧，王衍金，何文皓，郭曉琴

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

以長沙作為夏熱冬冷地區(qū)的典型城市，通過試驗(yàn)對位于長沙地區(qū)的一已搭建好的通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)時(shí)熱通道內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行對比分析.研究表明，當(dāng)玻璃間距分別為0.10，0.20，0.30和0.40 m時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)；當(dāng)玻璃間距為0.30和0.40 m時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果十分接近.對熱通道內(nèi)百葉的位置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)玻璃間距為0.40 m，百葉位于離外玻璃0.10 m或位于熱通道正中間時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果基本一致.結(jié)合Fluent軟件分別對自然通風(fēng)狀態(tài)下通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻玻璃間距為0.30和0.40 m，百葉位置位于離外玻璃0.10 m及位于熱通道正中間的情形分別進(jìn)行流場和溫度場的模擬對比分析.結(jié)果表明，夏季，通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻自然通風(fēng)下的最佳玻璃間距是0.30 m，百葉離外層玻璃0.10 m.

通風(fēng)式雙層皮幕墻；自然通風(fēng)；流場；溫度場；玻璃間距；百葉位置

通風(fēng)式雙層皮幕墻(VDSF)的通風(fēng)空腔在室外和室內(nèi)之間形成一個(gè)熱緩沖區(qū)，起到保溫隔熱和隔絕室外噪音的作用.其空腔內(nèi)的通風(fēng)形式可以是自然通風(fēng)，也可以是機(jī)械通風(fēng)或者混合通風(fēng).VDSF技術(shù)復(fù)雜，如何根據(jù)建筑物的使用要求，結(jié)合幕墻所在地的氣候和室外條件，確定熱通道的寬度以及遮陽百葉的位置等設(shè)計(jì)參數(shù)，對降低建筑能耗具有重要意義.

關(guān)于通風(fēng)式雙層皮幕墻，國內(nèi)外都進(jìn)行過一些重要的研究.但是，當(dāng)前的VDSF的研究工作絕大多數(shù)都是針對寒冷和溫和氣候地區(qū)開展的[1-2]，針對諸如中國夏熱冬冷地區(qū)這類相對惡劣氣候條件地區(qū)應(yīng)用VDSF的研究仍然非常少[3-5].雙層皮幕墻自然通風(fēng)研究主要有兩種方法，一種是實(shí)驗(yàn)測試的方法；另一種是通過建立理想模型進(jìn)行仿真模擬的方法.對于前者，清華大學(xué)和重慶大學(xué)進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)[6-9]，對于后者，Saelens等[10]通過建立二維數(shù)學(xué)模型研究了單元式多層幕墻機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)情況下的節(jié)能性能；李容敏等[11]用ANSYS對上海某醫(yī)院玻璃幕墻熱通道的流場和溫度場進(jìn)行了模擬.

實(shí)驗(yàn)測試方法是理論研究和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場擾動(dòng)和測量精度的限制，有時(shí)僅通過實(shí)驗(yàn)的方法可能很難得到需要的結(jié)果.

本文在已搭建的試驗(yàn)平臺上，對夏季，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下的VDSF熱通道內(nèi)的流場和溫度場進(jìn)行對比分析，得出自然通風(fēng)效果較好的4種工況.再利用Fluent分別對這4種工況進(jìn)行模擬和分析，確定自然通風(fēng)下，最佳玻璃幕墻空腔間距及遮陽百葉位置.

1 實(shí)驗(yàn)平臺簡介

本實(shí)驗(yàn)平臺位于湖南長沙地區(qū)，實(shí)驗(yàn)有兩組完全一致的通風(fēng)式雙層玻璃幕墻系統(tǒng)，供實(shí)驗(yàn)對比用.兩組幕墻系統(tǒng)分別安裝在兩間實(shí)驗(yàn)室的南向墻體中，兩間實(shí)驗(yàn)室尺寸均為2.000 m×2.000 m×2.500 m.該實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.實(shí)驗(yàn)室為普通磚混結(jié)構(gòu)，幕墻為實(shí)驗(yàn)室的南墻，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過開啟空調(diào)器以維持室內(nèi)溫度恒為25 ℃.

玻璃幕墻系統(tǒng)中內(nèi)、外兩層玻璃上部和下部均留有80 mm寬度的通風(fēng)孔.機(jī)械通風(fēng)時(shí)開啟風(fēng)機(jī)對空腔進(jìn)行抽風(fēng)運(yùn)行.采用鉑電阻溫度傳感器對室內(nèi)外空氣、幕墻表面、中間空氣層、遮陽裝置和進(jìn)、排風(fēng)等溫度進(jìn)行測量；幕墻前后太陽輻射采用總太陽輻射儀和散射太陽輻射儀進(jìn)行測量；中間空氣腔流速采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測量.參數(shù)測點(diǎn)布置如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 測點(diǎn)布置圖

2 自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)實(shí)驗(yàn)對比分析

2.1 夏季工況測試

本實(shí)驗(yàn)實(shí)測長沙地區(qū)7-10月份幕墻各層溫度分布、進(jìn)出風(fēng)口處溫度、速度分布以及幕墻前后太陽輻射值，每10 min記錄一次數(shù)據(jù)，每種工況測試歷時(shí)2 d，試驗(yàn)中機(jī)械通風(fēng)所用風(fēng)機(jī)功率58 W，風(fēng)量450 m3/h.夏季工況的進(jìn)、出風(fēng)口及氣流流動(dòng)情況如圖3所示.

VDSF分別在自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下，通過改變內(nèi)、外層玻璃間距、遮陽百葉位置等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行工況，以確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù).考慮到城市建筑用地面積，玻璃幕墻熱通道間距一般為0.10～0.40 m.實(shí)驗(yàn)中，熱通道間距分別取0.10，0.20，0.30及0.40 m.受實(shí)驗(yàn)條件的限制，當(dāng)間距為0.10～0.30 m時(shí)，遮陽百葉均位于熱通道正中間處；當(dāng)間距為0.40 m時(shí)，遮陽百葉有3種不同的位置，分別是百葉位于正中間處、離外玻璃0.10和0.30 m處.

圖3 VDSF夏季通風(fēng)模式

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 玻璃間距的影響

在自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下，分別對間距為0.10，0.20，0.30和0.40 m的熱通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果如圖4所示.試驗(yàn)中，遮陽百葉均位于熱通道正中間處.圖中溫度均為內(nèi)空腔的溫度.

時(shí)間/h

時(shí)間/h

時(shí)間/h

時(shí)間/h

從圖4可以看出，當(dāng)玻璃幕墻熱通道間距分別為0.30和0.40 m，遮陽百葉均位于正中間位置時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果基本一致；而當(dāng)熱通道間距分別為0.10，0.20 m時(shí)，機(jī)械通風(fēng)效果強(qiáng)于自然通風(fēng).

2.2.2 熱通道內(nèi)有無遮陽百葉的影響對比

實(shí)驗(yàn)分別對自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種工況下，熱通道內(nèi)有無遮陽百葉的情形進(jìn)行了對比，此時(shí)，玻璃間距為0.40 m.結(jié)果如圖5和圖6所示.

時(shí)間/h

由圖5和圖6可以看出，在夏季，無論是自然通風(fēng)還是機(jī)械通風(fēng)，在一天的1/3時(shí)間里(太陽輻射最強(qiáng)的時(shí)間段)無百葉情形下熱通道內(nèi)溫度均低于有百葉的情形，丹麥技術(shù)大學(xué)Poirazis在對DSF進(jìn)行研究后也得出了相似的結(jié)論[12]：玻璃幕墻內(nèi)的遮陽裝置往往會(huì)影響熱通道內(nèi)的通風(fēng)效果，特別是在夏季室內(nèi)外溫差較大的情況下，會(huì)降低由于通風(fēng)作用所帶走的熱量.而其余時(shí)間結(jié)果正好相反，這是由于百葉層吸收的太陽輻射要高于玻璃幕墻其他各層[6].2.2.3 百葉位置的影響

測試室1為自然通風(fēng)，測試室2為機(jī)械通風(fēng)，兩個(gè)測試室的熱通道間距均調(diào)至0.40 m，兩個(gè)測試室遮陽百葉距外玻璃距離均分別調(diào)至0.10，0.20，0.30 m，百葉葉片角度為45°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無法對熱通道間距為0.30 m，百葉位于不同位置的情形進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn).

從圖7可以看出，玻璃間距為0.40 m，當(dāng)百葉位于正中間或距外玻璃0.10 m時(shí)，其自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果十分接近.

接下來借助Fluent軟件對玻璃間距分別為0.30，0.40 m及百葉位于正中間和距外玻璃0.10 m的4種工況進(jìn)行模擬.

3 軟件模擬分析

3.1 模型的建立

VDSF的簡化模型見圖8，其中，VDSF的熱通道間距分別為0.30，0.40 m，高度為2.45 m，遮陽百葉分別位于正中間及距外玻璃0.10 m處.這里，將百葉葉片簡化成多孔介質(zhì)模型[13](圖8)，其內(nèi)部阻力因子C2為19.184，粘性阻力1/a為9 424 761.外層玻璃采用6 mm+9 mm+6 mm雙層中空鋼化玻璃，鋁合金邊框固定；內(nèi)層玻璃則采用8 mm鋼化玻璃，不銹鋼邊框固定；內(nèi)、外兩層玻璃上部和下部均留有80 mm寬度的通風(fēng)孔，且內(nèi)層玻璃上部和下部通風(fēng)孔被堵住.使用Boussinesq假設(shè)[14]；熱通道內(nèi)流體視為不可壓縮流體，經(jīng)計(jì)算得其雷諾數(shù)Re=4.72×104>2 000，流體處于湍流狀態(tài)，因此采用k-ε湍流模型.輻射換熱選用DO輻射模型；取正午時(shí)分的太陽輻射值，其照度[5]為178.14 W/m2；自然通風(fēng)；進(jìn)風(fēng)口處溫度取實(shí)驗(yàn)所測溫度的日平均溫度，其值為300 K.

圖8 帶百葉、多孔介質(zhì)的VDSF

3.2 模擬結(jié)果及分析

4種工況說明如表1所示.

表1 4種工況

3.2.1 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析

為了確定模擬結(jié)果的可靠性，對工況1的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在內(nèi)層玻璃豎直方向上只布置了3個(gè)測點(diǎn)，因此，模擬結(jié)果也對應(yīng)取這3個(gè)測點(diǎn)位置的溫度.對比結(jié)果如圖9所示，圖中實(shí)驗(yàn)時(shí)的測點(diǎn)溫度取正午時(shí)分對應(yīng)的溫度.

由圖9可見，模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要高0.5 ℃左右，這是因?yàn)槟M時(shí)取的太陽輻射要高于實(shí)驗(yàn)時(shí)的太陽輻射值，但是兩者的整體趨勢是保持一致的，所以，模擬結(jié)果可靠.

測點(diǎn)位置/m

3.2.2 各工況內(nèi)層玻璃表面溫度分布

各工況內(nèi)層玻璃表面溫度分布如圖10所示.

腔內(nèi)空氣吸收熱量后，溫度不斷升高，形成上升的氣流浮升力(煙囪效應(yīng))，因此，出風(fēng)口溫度應(yīng)高于玻璃幕墻內(nèi)壁溫度，這樣才能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)[12].由圖10可見，這4種工況均能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng).與工況1和工況2相比，工況3和工況4在工作區(qū)域內(nèi)溫度分布較均勻且低，即玻璃間距為0.30 m的溫度分布較好.

3.2.3 各工況速度場模擬結(jié)果

4種工況熱通道內(nèi)速度分布如圖11所示.

內(nèi)層玻璃高度h/m

內(nèi)層玻璃高度h/m

內(nèi)層玻璃高度h/m

內(nèi)層玻璃高度h/m

由圖11可見，這4種工況熱通道內(nèi)均不存在死區(qū)(即氣流速度為零的區(qū)域).當(dāng)百葉位于相同位置，玻璃間距0.30 m的熱通道內(nèi)氣流速度比玻璃間距0.40 m的工況要高.其中圖11(d)即工況4，氣流速度最大；當(dāng)百葉離外玻璃0.10 m時(shí)，玻璃間距無論是0.40 m還是0.30 m，內(nèi)空腔的氣流速度分布較百葉位于正中間的情形要均勻.由此可見，這幾種工況中，玻璃間距為0.30 m，百葉位于離外層玻璃0.10 m的工況，其通風(fēng)效果最佳.

x/m(a) 工況1

x/m(b) 工況2

x/m(c) 工況3

x/m(d) 工況4

4 結(jié) 論

夏熱冬冷地區(qū)，在夏季，無論自然通風(fēng)還是機(jī)械通風(fēng)，熱通道內(nèi)的百葉均會(huì)影響其通風(fēng)效果，這與Poirazis的結(jié)論吻合．

為了優(yōu)化玻璃幕墻設(shè)計(jì)，在長沙地區(qū)，對與實(shí)驗(yàn)平臺熱通道玻璃幕墻高度(2.5 m)相同的玻璃幕墻模型進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)玻璃間距分別為0.30和0.40 m時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果十分接近，因此，可以利用自然通風(fēng)，以節(jié)約能源.

2)自然通風(fēng)下，當(dāng)玻璃間距分別為0.30和0.40 m時(shí)，它們熱通道內(nèi)的溫度場和速度場分別相似.

3)當(dāng)自然通風(fēng)時(shí)，最佳玻璃間距為0.30 m，百葉離外層玻璃0.10 m.

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Experimental Research and Optimization of Natural Ventilation for VDSF in Zones Hot in Summer and Cold in Winter

CHEN You-ming?,GAO Li-hui,WANG Yan-jin,HE Wen-hao,GUO Xiao-qin

(College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan 410082, China)

Changsha is a typical zone hot in summer and cold in winter. By using the method of experiment, natural and mechanical ventilation's flow fields and temperature fields of a VDSF, which has been built in Changsha, its features were analyzed and compared. When the glazing spacing of glass curtain was 0.10 m,0.20 m,0.30 m and 0.40 m, natural ventilation could all be realized, and the effect of the latter two's natural and mechanical ventilation was very close. Also, the positions of the blind in the heat passage were studied, and the results showed that, when the glazing spacing was 0.40 m and the blind was located in the middle position or at a distance of 0.10 m from the external wall, the effect of natural ventilation and mechanical ventilation was basically identical. In order to find out the natural ventilation's optimum glazing spacing and the best position of the blind in summer, this paper has simulated four conditions with Fluent respectively, the glazing spacing was 0.30 m and 0.40 m, and the blind was located in the middle position at a distance of 0.10 m from the external wall. The results showed that, in summer, the natural ventilation's optimum glazing spacing is 0.30 m, and the blind from the outer glass is 0.10 m.

VDSF(ventilated double skin facades)；natural ventilation；flow fields；temperature fields；glass spacing；blind location

1674-2974(2015)05-0120-06

與優(yōu)化

2014-08-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378185), National Natural Science Foundation of China(51378185)

陳友明(1966-)，男，湖南祁東人，湖南大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:ymchen@hnu.edu.cn

TU111.2

A