閉式內循環幕墻熱工性能研究

王庭陽(中國建筑上海設計研究院有限公司，北京 100054)

閉式內循環幕墻熱工性能研究

Study on Thermal Performance of Closed Inner Circle Curtain Wall

王庭陽(中國建筑上海設計研究院有限公司，北京 100054)

采用數值模擬的方法，研究了夏季和冬季時不同朝向遮陽系統對閉式內循環幕墻熱工性能的影響。結果表明：夏季時，采用遮陽基本滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于4K（即28℃）的定量要求；冬季時，不采用遮陽系統均滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于4K（即16℃）的要求。

數值模擬；遮陽系統；閉式內循環幕墻

玻璃幕墻是當代的一種新型建筑外墻形式，具有采光面積大、美觀、裝飾性能好，且防腐性能優異等優點?，F在，玻璃幕墻以其樣式豐富多變，極具表現力的特點，越來越多地被用作建筑的外圍護結構。由于玻璃幕墻圍護結構傳熱系數很大，加上夏季的溫室效應，和幾十年前的隔熱性能良好的普通建筑物內冬暖夏涼的特性完全相反，其耗能將高于普通建筑物。為了減少冬季供暖負荷和夏季制冷能耗，雙層玻璃幕墻應運而生。

封閉式內循環體系雙層玻璃幕墻，其外層外層一般由中空玻璃組成，內層一般為單層玻璃幕墻或可開啟的單層玻璃窗，下部設有通風口，室內空氣由此通風口進入熱通道，使進入熱通道的室內空氣形成自下而上的強制性空氣循環。在室外太陽輻射強度高的地區，內循環體系雙層玻璃幕墻對取暖地區更為有利。

Rayment 分別應用單層、雙層玻璃及熱反射玻璃的幕墻節能性進行了比較研究，發現與單層幕墻相比，應用了雙層玻璃和熱反射玻璃的幕墻分別要節能 9% 和 10%。K.A.R.Ismail 和 J.R.Henriquez 通過建立基于質量、動量和能量守恒原理的二維數學模型，對熱通道中浮力驅動下的空氣流動進行了研究，并分析討論了太陽得熱系數和遮陽系數對氣體流動的影響。朱清宇以某內循環式 DSF 工程實例為對象建立物理模型，模擬計算不同工況下 DSF 的綜合傳熱系數，分析了 DSF 熱通道的風速、寬度以及遮陽百葉位置對圍護結構熱損失的影響?，F有的研究多以單層與雙層幕墻的對比或雙層玻璃幕墻與這樣結構之間的關系，而有關于閉式內循環幕墻熱工方面的研究并不深入，本文利用 CFD模擬了夏季和冬季時，在太陽輻射作用下不同朝向遮陽系統對式內循環幕墻內通道熱環境的影響。

1 數值模型

本文以地處北京的中國石油大廈的玻璃幕墻為研究對象，建筑高 22 層，廈外圍護結構采用了雙層內循環玻璃幕墻。內循環結構外層玻璃為：8TP+12A+8TP 雙銀Low-E 膜(透明)雙銀 Low-E 中空玻璃，外框為斷熱型材，內層為 8TP 鋼化玻璃(透明)。內外層玻璃之間的間距為 200 mm，內外層之間采用電動調節遮陽百葉裝置，如圖1 所示，熱工參數如表1 和表2 所示：

表1 玻璃的熱工參數

圖1 中國石油大廈雙層內循環玻璃幕墻結構示意圖

表2 雙層內循環玻璃幕墻遮陽百葉性能參數

根據雙層玻璃幕墻傳熱過程的分析，應用計算流體力學軟件 FLUENT 對閉式內循環玻璃幕墻進行模擬，模擬采用精度較高的低 Re 數 k-ε湍流模型?？紤]溫度差所產生的浮力作用，采用 Boussinesq 假設。閉式內循環幕墻內傳熱現象的模擬分析耦合了 CFD 的流體計算和傳導、對流及輻射傳熱計算，同時考慮了通過外層玻璃透射的太陽輻射(短波)對遮陽百葉和內層玻璃的得熱影響。

在傳熱的耦合計算時，各個壁面始終保持熱量平衡。玻璃的導熱計算為一維導熱計算。在計算室外、室內側的對流及輻射傳熱時，采用了表面綜合傳熱系數來評價在外壁面和內壁面的輻射及對流換熱現象。在輻射計算時，固體表面假設為漫－灰表面，進風口和排風口為黑體。

在滿足建筑室內環境設計要求的夏季空調工況和冬季采暖工況的條件下，進行閉式內循環玻璃幕墻的穩態熱工計算，其中雙層閉式內循環玻璃幕通風量：3～5 L/m/s；冬季太陽輻射照度：南向太陽總輻射照度為 102 W/m2， 北向計算太陽總輻射照度為 0；夏季太陽輻射照度：南向計算太陽總輻射照度為 447 W/m2； 西向計算太陽總輻射照度為697 W/m2，其他參數如表3 所示。

表3 室內外計算參數

2 研究內容

雙層內循環玻璃幕墻傳熱情況可以分為內遮陽百葉收起和內遮陽垂下兩種情況，從季節上可以分為冬季和夏季來分析。

2.1 夏季雙層玻璃幕墻熱工分析

在夏季，當雙層內循環玻璃幕墻內遮陽百葉收起時，其傳熱過程見圖2。由圖可見，在室外空氣溫度和太陽輻射熱作用下，熱量由室外向室內傳遞，利用內循環氣流可以帶走部分熱量，從而減少了向室內的熱量傳遞。但是，由于沒有遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到內層玻璃，內層玻璃吸熱，雖然部分熱量會向室內外散熱，但在空氣傳熱和太陽輻射得熱的共同作用下，內層玻璃內表面溫度明顯升高，極不利于室內熱舒適。

圖2 夏季內遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖3 給出夏季南向和西向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

在炎熱的夏季，當朝向為南向和西向的內循環式雙層玻璃幕墻通風腔間層的遮陽裝置收起時，由圖3 可以看出，朝向不同時，西向比南向外層玻璃內表面溫度高約 12K，而內層玻璃內表面溫度表面西向時溫度變化相對南向較大，但整體沿高度方向變化較小。隨著玻璃高度的升高，內層玻璃內表面溫度也快速升高。 值得注意的是西向雙層內循環玻璃幕墻間層的遮陽百葉收起時，玻璃底端溫度是 25.3℃；在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 35.2℃，內層玻璃表面溫度面積加權平均值為 30.87℃，超過內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向時，玻璃底端溫度在 24℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 30.8℃，內層玻璃表面溫度面積加權平均值為28.20℃，略微超過內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

圖3 遮陽百葉收起時玻璃表面溫度場模擬結果

在夏季，當雙層內循環玻璃幕墻內遮陽百葉垂下時，其傳熱過程示意圖見圖4。由圖可見，在室外空氣溫度和太陽輻射熱作用下，熱量由室外向室內傳遞，利用內循環氣流可以帶走部分熱量，從而減少了向室內的熱量傳遞。但是，由于有遮陽百葉的遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到遮陽百葉上。雖然，在百葉內表面輻射和空氣對流作用下向內層玻璃傳熱，由于內層玻璃沒有直接接受到輻射熱，玻璃內表面溫度不會有很大升高，有利于改善室內熱舒適。

圖4 夏季內遮陽百葉垂下時雙層幕墻傳熱過程示意圖

給出夏季南向和西向幕墻間層遮陽百葉垂下時，玻璃面溫度的云圖和內層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。(見圖5)。

圖5 遮陽百葉垂下時玻璃表面溫度場模擬結果

由圖5 可以看出，朝向不同時，西向比南向外層玻璃內表面溫度高約 20℃，而內層玻璃內表面溫度西向時溫度變化相對南向較大，單表面溫度沿高度方向變化較小。與遮陽系統收起時相比，外層玻璃內表面溫度升高約 10 K。實驗結果顯示，與遮陽系統收起時相同，隨著玻璃高度的升高，內層玻璃內表面溫度也快速升高。 不同的是西向雙層內循環玻璃幕墻間層的遮陽百葉收起時，玻璃底端溫度在24.6℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 32℃，內層玻璃表面溫度面積加權平均值為 28.24℃，略微超過內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向時，玻璃底端溫度在 24.4℃，在高度為 3 m 時，玻璃溫度為 29.8℃，內層玻璃表面溫度面積加權平均值為27.07，滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

夏季遮陽裝置垂下時，在求解收斂的情況下，由“Report”功能得到內層玻璃內表面面積加權平均的熱流流量 Q。

于是，該外循環式雙層皮玻璃幕墻的綜合傳熱系數 K值為：

綜上所述，在夏季，如果南向和西向不使用遮陽百葉時，無法滿足內層玻璃內表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。當利用遮陽百葉時，通過適當增大內循環通風量和降低鋁質百葉內側吸收率基本滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

2.2 冬季雙層玻璃幕墻熱工分析

在冬季，為了充分利用太陽輻射得熱，雙層內循環玻璃幕墻內遮陽百葉一般都處于收起的狀態。但不同的建筑朝向，其獲得太陽輻射得熱的情況不同，通常分為南向可獲得太陽輻射得熱的有利狀態與北向無法獲得太陽輻射得熱的不利狀態這兩種情況。

冬季南向雙層內循環玻璃幕墻傳熱過程如圖6。在室內外空氣溫差的驅動下，熱量由內向外傳遞。但是太陽輻射得熱補充和內循環氣流帶入部分熱量的綜合作用下，可以減少向室外的傳熱量。此外，由于沒有遮擋，太陽輻射會透過外層玻璃，直接照射到內層玻璃，內層玻璃吸熱，雖然部分熱量會向室內外散熱，但是，內層玻璃內表面溫度不會下降很大，有利于室內熱舒適。

圖6 冬季南向內遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖7 表示冬季南向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

圖7 幕墻玻璃表面溫度場模擬結果

由圖9 可以看出，冬季時南向外層玻璃內表面溫度相對較低，在 -5.8℃，而內層玻璃內表面溫度最高，在20℃，與夏季相比溫度降低較大。與夏季不同的是，隨著玻璃高度的升高，內層玻璃內表面溫度快速下降并在高為2.6 m 時，溫度降到最低，隨后溫度有小幅上升。冬季南向雙層內循環玻璃幕墻內層玻璃表面溫度面積加權平均值為18.39℃，滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K (即 16℃)的要求。

冬季北向無太陽輻射得熱的情況下，雙層內循環玻璃幕墻傳熱過程見圖8。由圖可見，在室內外空氣溫差的驅動下，熱量由內向外傳遞。盡管內循環氣流補充部分熱量，但由于無太陽輻射得熱補充，內層玻璃內表面溫度下降較大，不利于室內熱舒適。

圖8 冬季北向內遮陽百葉收起時雙層幕墻傳熱過程示意圖

圖9 給出冬季北向幕墻間層遮陽百葉收起時，玻璃面溫度的云圖和內層玻璃表面溫度隨高度變化趨勢。

圖9 幕墻玻璃表面溫度場模擬結果

由圖9 可以看出，冬季時北向外層玻璃內表面溫度相對較低在 -9℃，而內層玻璃內表面溫度最高在 16℃ 左右，與南向相比，溫度都有所下降。與南向不同的是，隨著玻璃高度的升高，內層玻璃內表面溫度先有一段上升而后快速下降并在高為 2.6 m 時，溫度降到最低，隨后溫度有小幅上升。冬季北向雙層內循環玻璃幕墻內層玻璃表面溫度面積加權平均值為 16.04 ℃，滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 16℃)的要求。

冬季遮陽裝置收起時，在求解收斂的情況下，朝南方向內層玻璃內表面面積加權平均的熱流流量 Q 于是，該外循環式雙層皮玻璃幕墻的綜合傳熱系數 K 值為：

綜上所述：在冬季，大廈南向和北向幕墻滿足內層玻璃內表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K (即 16℃)的定量要求。

3 結 語

(1) 在夏季，如果項目大廈的南向和西向不使用遮陽百葉時，無法滿足內層玻璃內表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。而該大廈的南向和西向利用遮陽百葉時，通過適當增大內循環通風量和降低鋁質百葉內側吸收率，基本滿足內層玻璃表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

(2) 在冬季，大廈南向和北向幕墻滿足內層玻璃內表面溫度與室內空氣設計溫度之差小于 4 K(即 16℃)的定量要求。

(3) 在雙層內循環式玻璃幕通風量為 3～5 L/m/s，夏季取最大計算太陽總輻射照度447W/m2條件下，幕墻間層遮陽百葉垂下時，雙層內循環玻璃幕墻綜合傳熱系為 1.08 W/m2·K。冬季取計算太陽總輻射照度 0 W/m2·K 條件下，幕墻間層遮陽百葉合上時，雙層內循環玻璃幕墻綜合傳熱系為 0.94 W/m2·K。

TU50

A

1674-814X(2017)01-0058-05

2016-09-12

王庭陽，長期從事建筑環境物理性能分析、綠色建筑咨詢、機電深化設計、BIM設計等工作內容。主要研究方向建筑環境物理性能、綠色建筑技術、被動式設計措施、門窗節能改造技術研究等。現任中國建筑上海設計研究院有限公司綠色建筑工程技術研究中心主任。作者通信地址：北京市宣武區廣安門南街42號中建二局大廈，郵局：100054。