1、土木工程与力学学院建筑环境与能源应用工程建筑环境学论文指导老师：亲爱可亲的周叶老师13 级建筑环境与能源应用工程二班王智华 2013800813 建筑环境学论文太阳辐射下双层玻璃幕墙能耗研究学院：土木工程与力学学院 班级：建环二班 姓名：王智华 学号： 2013800813 摘要：由于双层玻璃幕墙在能耗效率和隔声降噪等方面远优于单层玻璃幕墙，这使得近年来双层玻璃幕墙在我国发展迅速。但是，因为双层玻璃幕墙的传热过程十分复杂，工程设计人员很难准确计算双层玻璃幕墙的能耗。目前，几乎没有研究直接关注透过双层玻璃幕墙的室内得热量，而室内得热量是与建筑能耗直接相关的。本文中给出的线性公式只是针对本实验中所
2、使用的玻璃组合，考虑到实验所消耗的时间成本和人力成本巨大，本文利用实验数据来验证计算流体力学软件的模型设置，对于不同玻璃组合的双层玻璃幕墙可采用软件模拟的手段得到类似的计算双层玻璃幕墙能耗的公式。在验证软件模型的研究中，以实验测量的初始值为边界条件，利用计算流体力学软件FLUENT120对四种不同太阳辐射的实验工况进行了模拟。模拟结果中通过双层玻璃幕墙进入室内的热量结果与实验测量结果非常相近，因此可以证明模拟模型的准确性。同时，实验中也进行了一组双层玻璃幕墙空腔中加入遮阳布的实验，以此来考量遮阳设施的节能效果。最后，总结了本文的主要成果、研究中存在的问题及对下一步工作的展望。关键字：双层玻璃幕
3、墙；太阳辐射；实验验证；计算流体力学模拟；能耗计算正文：1.研究背景自从上世纪中叶以来，玻璃幕墙以其通透及富有现代力的外观赢得了众多建筑师的喜爱，首先在一批超高层中得以应用。随着世界经济的发展以及工业技术的成熟，现代都市中越来越多的建筑使用玻璃幕墙作为建筑表皮。虽然玻璃的透光性在建筑采光上有很大的优势，使建筑内环境显得明亮，但是大量的太阳辐射通过玻璃进入室内，也极大的增加了空调能耗。而传统的单层玻璃幕墙在使用外遮阳时，也存在着影响建筑立面以及遮阳构件安装困难等问题。因此，虽然内遮阳的效果非常不好，但依然是现在单层玻璃幕墙的主要遮阳形式。双层玻璃幕墙作为单层玻璃幕墙的改进形式，主要有三方面优势：
4、一是双层玻璃幕墙本身是由外侧玻璃及中空玻璃组成，在选用中空玻璃时使用太阳得热系数低的low-e玻璃时，双层玻璃幕墙系统本身的太阳得热系数就会低于单层玻璃幕墙；二是在双层玻璃幕墙的上下两侧各有一个开口，由于烟囱效应可以形成热对流，带走一部分玻璃吸收的热量；三是在双层玻璃幕墙的空腔内装置遮阳设备，既安全可靠又不影响建筑的外立面，却可以大幅度的减小建筑能耗。因此，双层玻璃幕墙自从上世纪90年代开始，在全球都得到了广泛的发展。但是由于在双层玻璃幕墙中同时存在着相互耦合且不稳定的太阳辐射热传递；内外层玻璃表面、中间遮阳与空腔气体的对流换热；内层玻璃与室内的辐射换热等耦合热过程，使得对其动态传热性能的模拟
5、变得相当复杂。由于各地区不同的气象条件，对双层玻璃幕墙的应用分析变得十分具有挑战。国外大多数学者研究的气候条件多集中于欧洲与日本等寒冷地区，这些地区主要的需求是使用双层玻璃幕墙达到更好的保温效果。而中国由于地域宽广，各个不同地域气候对于建筑表皮保温性能的要求也不尽相同，例如在夏热冬冷地区，不仅存在着冬季保温的需求，夏季防热是建筑耗能的主要部分。目前，国内学者对于双层玻璃幕墙能否达到好的节能效果仍然存在争议。其本质原因在于双层玻璃幕墙的传热过程十分复杂，现在对于双层玻璃幕墙仍没有一个准确的能耗计算方法。本课题旨在利用夏热冬冷地区(杭州I)的实验数据来验证数值模拟的准确性，将准确性高的数值模拟方法
6、进行推广，并总结出适用于工程计算的能耗计算方法。2.双层玻璃幕墙的分类双层玻璃幕墙系统是双层结构的新型幕墙，通常由内外两层玻璃幕墙构成，两层幕墙中间形成宽度通常为几百至几千毫米不等的通道，在通道的上下部位分别有出气口和进气口，空气可从下部的进气口进入通道，从上部的出气口排出通道，形成空气在通道内自下而上的流动，同时将通道内的热量带出通道。外层幕墙通常采用点支式玻璃幕墙、明框玻璃幕墙或隐框玻璃幕墙，内层幕墙通常采用明框玻璃幕墙结构、隐框玻璃幕墙或铝合金门窗。双层玻璃幕墙种类繁多，根据不同的依据有不同的分类。根据通风方式的不同，可以划分为外循环式自然通风、外循环式机械通风和内循环式机械通风，如图1
7、2所示。对于外循环式双层玻璃幕墙，根据热通道内气布的不同，可以分为整体式、廊道式、箱体式和井箱式四种基本形式。3.研究目的由于双层玻璃幕墙的传热过程十分复杂，工程设计人员很难准确计算双层玻璃幕墙的能耗。目前，几乎没有研究关注透过双层玻璃幕墙的直接室内得热量，而室内得热量是与建筑能耗直接相关的。本文旨在通过研究在太阳辐射下双层玻璃幕墙建筑的室内得热量，来探寻关于双层玻璃幕墙能耗的计算方法，总结出双层玻璃幕墙室内得热量与太阳辐射和室内外温差的线性公式。并通过实验数据来验证计算流体力学模拟软件模型，对于由不同玻璃组成的双层玻璃幕墙系统可利用本文提出的模拟模型计算总结出相应的线性公式，进而推广到工程实
8、践中。4.研究内容（1）实验前期准备工作为了保证实验测量的准确性，本文首先对实验中需要使用的热电偶的准确度进行了标定。进而使用标定后的热电偶标定实验材料的传热系数，如实验小室、水箱和水管。（2）实验研究本文实验中使用集热板来收集太阳辐射下通过双层玻璃幕墙进入室内的热量，并以水为冷却介质来带走集热板所吸收的热量，最终通过计量水的质量和温升来计算得到室内的得热量。通过四组不同太阳辐射强度下的实验数据，拟合得到室内得热量与太阳辐射值和室内外温差的线性公式，并讨论了该公式的物理意义。之后由实验数据讨论了现行双层玻璃幕墙热工计算规程中存在的一些问题。（3）模拟研究本文使用计算流体力学模拟软件FLUENT
9、对实验过程进行动态模拟，将实验得到的室内得热量与模拟结果进行对比分析，以此来验证模拟模型的准确性。针对由不同的玻璃组成的双层玻璃幕墙系统可根据模拟模型计算出相应的线性公式。（4）内置遮阳的节能率实验在双层玻璃幕墙空腔内布置遮阳系统是双层玻璃幕墙的重要节能措施。本文也对内置遮阳的双层玻璃幕墙系统的室内得热量进行了实验测量，并结合之前拟合的线性公式计算得到无遮阳状态下双层玻璃幕墙的室内得热量，从而计算得到内置遮阳装置后的节能率。5.实验方法（1）实验前期准备工作对于热工实验来说，测量的精确度的保证很重要，也是难点之一。因此，在本实验进行之前，进行了一系列的标定和准备工作，希望可以尽量的减少误差，保
10、证实验数据的精确度。（2）热电偶标定在热电偶标定过程中使用由中国科学院低温计量测试站分度过的铂电阻(准确01K)作为基准，来标定我们会在实验时使用的T型热电偶。对于分度后的铂电阻，要想使测量结果更为准确，应比对实验中的电阻实测值和分度表的测量值来得出相应的温度。（3）软件模拟本项目采用通用计算流体动力学软件FLUENT(120版本)作为模拟工具，关于计算流体动力学的基本方程以及fluent的一些基本算法这里不再赘述。这里重点讲诉应用于本项目的一些特殊模型以及计算结果。模拟的对象并不包括水箱及水管，将集热板的温度设为实验过程的平均温度，即模拟得到的结果应对应于实验结果中水带走的热量。CFD技术简
11、介CFD是计算流体动力学的简-写(Computational Fluid Dynamics)，其基本的定义是通过计算机进行数值计算和图像显示，分析包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统。CFD进行流动和传热现象分析的基本思想是用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替将空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场。然后，按照一定的方式建立这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD可以看成在流动基本方程(质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程)控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，得到复杂问题基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)在流场内各个位置
12、的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与CAD联合，还可进行结构优化设计等。CFD具有适应性强、应用面广的优点。由于流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，只有用CFD方法才有可能找出满足工程需要的数值解；而且，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。另外，CFD方法不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊
13、尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。CFD也存在一定的局限性。自一先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用，适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限数量离散点上的数值解，并有一定的计算误差：其次，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；而且程序的编制及资料的收集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪
14、物理效应。最后，CFD涉及到大量数值计算，需要较高的计算机软硬件配置。CFD方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。CFD数值计算与理论分析、实验观测是相互联系、相互促进的关系，但不能完全替代，泛者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注意三者有机的结合。FLUENT简介自1983年问世以来，FLUENT就一直是CFD软件技术的领先者，被广泛应用于航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算石口电子、材料、冶金、生物、医药等领域，使FLUENT公司成为占有最大市场份额的CFD软件供应商。2006年5月，FLUENT成为全球最大的CAE软件供应商一ANSYS
15、大家庭中的重要成员。所有的FLUENT软件将被集成在ANSYS Workbench环境下，共享先进的ANSYS公共CAE技术。FLUENT是ANSYS的旗舰产品，ANSYS将加大对FLUENT核心CFD技术的投资，确保FLUENT在CFD领域的绝对领先地位。FLUENT是通用CFD软件，FLUENT软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器、基于密度的显式求解器，多求解器技术使FLUENT软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流场。FLUENT软件包含非常丰富、经过工程确认的物理模型，可以模拟高超音速流场、转换、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋
16、转机械、动变形网格、噪声、材料加工等复杂机理的流动问题。经过对实验数据的研究，发现经过双层玻璃幕墙进入室内的热量与太阳总辐射和温度之间存在线性关系。利用线性回归的方法，对实验结果进行拟合得到公式：总结1.主要成果本文通过一套具有创新性的实验装置来直接测量双层玻璃幕墙建筑的室内得热量，实验装置中集热板不仅吸收了绝大部分的透射进室内的太阳辐射，而且在水的冷却作用下基本保持恒定温度的集热板还吸收了双层玻璃幕墙向室内的二次传热(因为实验中室内的空气温度基本恒定)。由四组不同太阳辐射强度下的实验数据总结出适用于双层玻璃幕墙系统能耗计算的线性公式。该线性关系式表明太阳辐射下通过双层玻璃幕墙进入室内的热量与
17、太阳辐射和室内外温差之间存在紧密关联。对于不同实际工况下，只需知道太阳辐射强度和室内外温差，即可应用公式计算得出室内的得热量。此外，根据实验结果讨论了现行玻璃和双层玻璃幕墙热工计算规程中相关计算中的不足，并提出了改进的建议。但是对于不同的双层玻璃幕墙系统其线性公式的系数也是不同的，而实验测量又需要消耗大量人力物力，因此我们使用之前的实验测量结果验证了数值模拟的模型设置，尤其是太阳辐射加载模型的应用。应用本文使用的模型设置得到的模拟结果与实验结果非常接近，因此可以验证该模型设置在模拟双层玻璃幕墙的热工特性时有很高的准确性。在以后计算不同玻璃组成的双层玻璃幕墙系统的能耗时，可使用这套数值模拟方法得
18、出线性公式中的相关系数，继而推广到工程实践应用当中。最后，通过实验测量在双层玻璃幕墙空腔中加入遮阳布的工况的节能率，以此证明在双层玻璃幕墙的空腔内安装遮阳设施可以大大减小室内得热量。所以，在双层玻璃幕墙的空腔内安装遮阳是双层玻璃幕墙的重要节能方式，这既不影响建筑立面美观又不存在安全隐患，应极力推广。2.不足和展望因笔者能力及现有实验条件有限，本文中尚有许多不足之处。1)实验设计使用水来带走集热板的热量，但由于水的比热较大，所以实验前后水的温升不是很大，这在一定程度上会影响实验精度。尤其是在测量太阳辐射较小的工况时，水的温升偏小可能会影响测量精度。2)在进行CFD数值模拟时对模型进行了一定的简化，如忽略了外界风压的影响、将集热板设定为固定温度、太阳辐射值取为实验过程中的平均值等。3)本文中对于双层玻璃幕墙空腔中加入遮阳设施对能耗影响的研究尚处于初步阶段，在今后的工作中应进一步完善这方面的研究。
