1、夏季工况井箱式双层皮玻璃幕墙优化设计邹惠芬，袁 军团， 马跃林，王雪峰（ 沈 阳 建 筑 大 学 市 政 与 环 境 工 程 学 院 ， 110168， 沈 阳 ）摘要：目的 对井箱式双层皮玻璃幕墙进行优化设计，减少建筑能耗，以获取良好的室内环境。方法 采用了 FLUENT 模拟分析了夏季工况下沈阳地区无遮阳井箱式双层皮玻璃幕墙的传热现象，分别从幕墙的南立面、西立面、竖井高度选择上，比较了不同热通道间距及通风口尺寸的条件下井箱式双层皮玻璃幕墙的排热性能。结果 综合考虑夏季沈阳地区室内外气象参数，在建筑南立面上，笔者建议选择竖井高度为40m,热通道间距为 0.4m,通风口尺寸为(0.6m-0.6
2、m)的井箱式双层皮玻璃幕墙，不仅能够降低幕墙的初投资，而且可以提供良好的室内舒适性，还可起到建筑节能的效果。结论 在综合考虑建筑经济和节能的角度上，适宜的选择热通道间距、通风口尺寸和竖井的高度，不仅能够获得良好的室内环境，还可以减少能源的消耗。关键字： 井箱式双层皮玻璃幕墙 排热量 竖井 节能井 箱 式 双 层 玻 璃 幕 墙 是 由 箱 式 双 层 玻 璃 幕 墙 结 构 演 化 而 来 的 。 与 箱 式 双 层 玻 璃幕 墙 不 同 的 是 ： 井 箱 式 双 层 玻 璃 幕 墙 在 竖 向 有 规 律 的 设 置 了 贯 通 层 ， 见 图11所 示 。 这 样 在 玻 璃 空 腔 之
3、 间 便 形 成 了 纵 横 交 错 的 网 状 通 道 。 空 腔 内 的 空 气吸 收 了 太 阳 辐 射 后 ， 玻 璃 表 面 升 温 ， 同 时 由 于 竖 向 的 井 相 对 较 高 ， 导 致 很 强 的“烟 囱 效 应 ”， 这 种 效 应 加 速 了 双 层 皮 空 腔 内 空 气 的 竖 向 流 动 。 由 于 该 种 结 构 的排 风 口 布 置 在 建 筑 物 的 上 部 ， 与 立 面 上 的 进 风 口 有 较 远 距 离 ， 故 可 以 杜 绝 空 气的 “短 路 ”可 能 ， 在 冬 天 则 可 以 关 闭 或 减 少 进 风 口 ， 减 缓 “井 ”内 空 气
4、 流 动 ，形 成 适 宜 的 温 度 缓 冲 区 。国 内 外 研 究 人 员 针 对 双 层 幕 墙 技 术 较 复 杂 的 特 点 ,通 过 风 洞 试 验 和 数 值 模拟 计 算 方 法 进 行 了 大 量 的 研 究 。 李 鹏 2等 人 利 用 风 洞 试 验 分 析 研 究 了 双 层 通 风幕 墙 的 通 风 效 果 ,提 出 了 双 层 通 风 幕 墙 建 筑 通 风 换 气 时 间 的 计 算 方 法 。A.Zollner3等建造了足尺模型露天实验室，进行了双层皮玻璃幕墙空腔内紊流状态下混合对流热传递方面的专业实验研究。Prof.K.W.Kim 4等韩国学者运用实验的方法
5、结合住宅阳台图 1 井 箱 式 双 层 皮 玻 璃 幕 墙 示 意 图FIG.1 Schematic diagram of the shaft-box type of the DSF收稿日期：基金项目：中国住房与城乡建设部项目（2010-K1-30）和辽宁省（高校）重点实验室开发基金资助项目（JZ-200908）作者简介：邹惠芬(1972-),女,副教授,博士,主要从事建筑节能和真空玻璃的研究.Comment U1: 又查了一下，确实是24mm,是 6+12air+6类型的。进行了双层皮玻璃窗寒冷地区气候适应性研究，这是目前发现的亚洲地区唯一的此类国外研究，其研究方法对本课题具有借鉴意义。但上
6、述的研究并没有针对井箱式双层皮玻璃幕墙给出对应的设计参考。在实际应用过程中，井箱式双层皮玻璃幕墙的“烟囱效应”会随着高度的增加而加强，其高度也是受限制的。本文模拟的是无遮阳井箱式双层皮玻璃幕墙热通道内部的传热现象，运用 FLUENT模拟软件，在夏季工况下对井箱式双层皮玻璃幕墙建筑南、西两个朝向进行模拟。观察在不同空腔宽度、进出风口尺寸、不同竖井高度的情况下，热通道内部产生的烟囱效应，从而找出适合于沈阳无遮阳井箱式双层玻璃幕墙的优化设计方案。1 井箱式双层皮玻璃幕墙的 CFD解析1.1 井箱式双层皮玻璃幕墙的构造图 2为井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体的结构示意图，内层幕墙封闭，在外层幕墙上下方分别
7、开设进排风口，外层玻璃采用普通的 6mm厚单层钢化玻璃，内层玻璃采用 Low-E中空玻璃（24mm） ，明框幕墙的铝型材采用断热铝型材，其箱式单元体结构尺寸为 3m(L)4m(H),进出风口分别选取：0.2m（L）0.2m（H） 、0.4m（L）0.2m（H） 、0.6m（L）0.2m（H） 、0.6m（L）0.4m（H） 、0.6m（L）0.6m（H） ；热空腔宽度分别选取：0.2m、0.4m、0.6m；单层玻璃竖井高度分别取10m、20m、30m、40m，竖井的入风口与单元箱体双层皮玻璃幕墙的出风口尺寸相同，竖井的出口尺寸定为：1.5m(L)0.9m(H)；竖井热通道间距亦分别选取：0.2
8、m、0.4m、0.6m；选用材料的性能参数如表 15所示。表 1 采用玻璃的性能参数表Table1 The performance parameters of the glass材料厚度（mm） 反射率 吸收率 透过率 发射率热阻 w.m-2.K-1外层单玻 6 0.156 0.073 0.771 0.9 0.008中空玻璃 6+12A+6 0.32 0.3 0.38 0.3 0.488注：A 表示中空玻璃夹层充注的是空气1.2 CFD模型的选择根据上述中提到的井箱式双层皮玻璃幕墙结构尺寸，利用 GAMBIT建立井箱式模型，如下图 3所示.由于通风腔中的气体流动属于热浮升力驱动下的自然对流，流
9、速较低，流态既有层流也有紊流，因此关于流动采用 RNG k- 6紊流模型，考虑重力加速度 9.8m/s2。对于太阳辐射，采用离散坐标（discrete ordinates, DO）辐射模型。关于太阳辐射负荷的处理采图 2 井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱式结构FIG.2 The unit box structure of the shaft-box type of DSF用太阳射线跟踪法，设置沈阳的经纬度以及太阳辐射方向，同时在设置玻璃辐射边界条件的时候选择半透明围护结构。在研究自然对流换热时，流体密度会随着周围温度的变化而变化.这一现象是不可忽略的，一般情况下，连续性方程、动量方程及能量方程相互耦
10、合求解非常复杂。因此为了便于计算处理由于温度差而引起的浮升力作用，通常采用 Boussinesq 假设 7。图 3 井箱式双层玻璃幕墙热通道简化模型图FIG.3 The model of the shaft-box type of the DSF1.3 排热量的计算在双层皮玻璃幕墙得热的理论计算模型中,可以根据室外气象参数和双层皮玻璃幕墙结构特性来求解通风腔内的气流温度和通风量,这样可以求出气流在进出通风腔前后的焓差,即气流流经通风腔所带走的热量。可以按照下式计算通风腔中的气流焓增：8tAuchp为空气的定压比热， 为空气的定性温度对应的密度， 为通风腔断面面积， 为气pc t流的温升， 为通
11、风腔中气流的平均速度。u气流排热对夏季双层皮玻璃幕墙减小室内得热量很重要。而且气流的存在可以避免通风腔过热。在夏季，如果通风腔的开口都关闭，其间的温度可以高达 70。1.4 边界条件的设置考虑单楼层的双层玻璃幕墙系统，假设热通道内的流动是三维、稳态的，忽略遮阳百叶及室外风速的影响,空气的热膨胀系数 取为相应的热力学气温的倒数，热通道的顶部和底部采用绝热的边界条件，热通道的左右两边采用空腔内的平均温度作为边界条件；进风口采用“inlet-vent”边界条件，箱体排风口和竖井排风口均采用“pressure-out”边界条件 9。 由于通风腔内气流流速很低，因此控制方程中的压力项采用线性化处理，动量
12、方程用一阶迎风格式进行离散，控制通风腔中气流的速度残差绝对值小于 10-6时停止迭代运算 10。2 CFD 的模拟结果本文针对井箱式双层皮玻璃幕墙西向和南向分别进行对比分析.在热通道宽度分别为0.2m、0.4m、0.6m，进出风口尺寸分别为0.2m0.2m、0.4m0.2m、0.6m0.2m、0.6m0.4m、0.6m0.6m 的情况下，运用 FLUENT对南向和西向分别进行 15 种情况的数值模拟。同时，分别在竖井高度为10m、20m、30m、40m 的情况下，对井箱式双层皮玻璃幕墙进行模拟分析，总结出不同程度的烟囱效应对双层皮玻璃幕墙的单元箱体热通道气流分布的影响。2.1 南立面井箱式双层
13、皮玻璃幕墙的模拟结果采用竖井高度为 40m，针对南立面井箱式双层皮玻璃幕墙不同空腔宽度和进出风口尺寸总计 15 个算例进行模拟，模拟结果见表 2表 2 建筑南立面通风口各项参数值Table2 The parameters of the south of the building入口平均宽度(m)入风口尺寸(m) 速度(ms -1)出口平均速度(m s-1)箱体平均温度(K)箱体排热量 (W)0.2-0.2 4.2 4.4 315.2 326.2 0.4-0.2 3.37 3.72 314.8 1094.5 0.6-0.2 3.01 3.43 313.4 1653.0 0.6-0.4 2.76
14、3.2 311.6 2620.9 0.20.6-0.6 2.56 3.04 309.8 2910.3 0.2-0.2 4.27 4.52 314.8 592.8 0.4-0.2 4.15 4.35 313.6 1266.5 0.6-0.2 3.88 4.18 312.2 1991.2 0.6-0.4 3.42 3.72 310.4 3229.4 0.40.6-0.6 3.24 3.84 310.0 4148.4 0.2-0.2 4.73 4.93 315.2 718.0 0.4-0.2 4.54 4.74 314.6 1639.5 0.6-0.2 4.22 4.52 313.8 2506.1
15、0.6-0.4 3.8 4.3 311.4 3842.1 0.60.6-0.6 3.57 4.17 309.9 4501.0 由表 2 的数据可以绘制出折线图 4，它反映了井箱式双层皮玻璃幕墙中单箱体的排热量随热通道、通风口尺寸变化的规律。从图 4 中可以看出，在相同的通风口尺寸条件下，井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体的排热量随着热通道间距的增大而增大。在热通道间距一定的条件下，随着通风口尺寸的增加，热通道中的排热量也呈上升的趋势，但是不同热通道间距条件下，随着通风口尺寸变化排热量的增加，变化率会有不同的变化趋势。当通风口面积在 0.1m2以下时，随着通风口尺寸的增大，排热量的变化呈缓慢上升趋势；
16、当通风口面积超过 0.1 m2时，热通道间距为 0.6m 的幕墙排热量的增加变化率要明显大于热通道间距为 0.2m 的排热量的变化率。建 筑 南 侧 箱 体 排 热 量05001000150020002500300035004000450050000.2-0.2 0.4-0.2 0.6-0.2 0.6-0.4 0.6-0.6通 风 口 尺 寸箱体排热量 D=0.2 D=0.4D=0.6图 4 建筑南立面不同幕墙结构对应的箱体排热量FIG.4 The exhaust heat of various structure of the DSF at the south of the building
17、当通风口面积取到最大值(0.6m-0.6m)时，热通道间距为 0.2m 和 0.6m 的玻璃幕墙排热量的变化率迅速降低。从曲线的变化趋势可得，在竖井高度为 40m 的条件下，井箱式双层皮玻璃幕墙的排热量的饱和值应该在 4200w/h。热通道 0.4m 和热通道 0.6m 的情况下排热量差值并不是很大，因此合理的选择空腔间距要结合当地地价和建筑节能这两方面因素。依照沈阳地区夏季的室内实际需用和地价标准，笔者建议选择热通道间距为 0.4m,通风口尺寸为(0.6m-0.6m)的井箱式双层皮玻璃幕墙。现对空腔间距为 0.4m 的南立面井箱式和箱式双层皮玻璃幕墙的排热量做一个对比，绘制成如下的折线图，见
18、图 5。D=0.4 箱 体 排 热 量0100020003000400050000.2-0.2 0.4-0.2 0.6-0.2 0.6-0.4 0.6-0.6通 风 口 尺 寸排热量 南 侧 箱 式南 侧 井 -箱 式图 5 南立面热通道间距为 0.4m 箱体的排热量FIG.5 The exhaust heat of the south of the building when thermal cavity is 0.4m从上述折线图中可以明显的看出，在空腔间距为 0.4m 时，井箱式双层皮玻璃幕墙的排热量随着通风口尺寸的增大成倍的高于对应箱式双层皮玻璃幕墙通风口尺寸下的排热量，同理，在空腔间
19、距为 0.2m 和 0.6m 时亦会出现这样的结果。这就说明利用竖井所产生的烟囱效应来作为箱式双层皮玻璃幕墙热通道内气流的驱动力，可以获得较大排热效率，能够有效地降低单元箱体的温度。另外从数据中可知，通过竖井排出热空气后，井箱式双层皮玻璃幕墙的单元箱体平均温度比普通箱式双层皮玻璃幕墙低 23，降温效果明显。缺点仅在于井箱式双层皮玻璃幕墙所获得的大排热量，主要是通过较大的进出空气速度差产生的，会产生空气流动的噪音。2.2 西立面井箱式双层皮玻璃幕墙的模拟结果采用竖井高度为 40m，针对西立面井箱式双层皮玻璃幕墙不同空腔宽度和进出风口尺寸总计 15 个算例进行模拟，模拟结果见表 3表 3 建筑西立
20、面通风口各项参数值Table3 The parameters of the west of the building入口平均宽度(m)入风口尺寸(m)速度(ms -1)出口平均速度(ms-1)箱体平均温度(K)箱体排热量 (W)0.2-0.2 4.4 4.62 317.7 456.3 0.4-0.2 3.52 3.95 316.2 1555.1 0.6-0.2 3.23 3.79 315.2 2740.1 0.6-0.4 3.12 3.58 313.6 3733.4 0.20.6-0.6 2.96 3.36 312.6 4212.2 0.2-0.2 4.97 5.42 316.8 861.6
21、0.4-0.2 4.7 5.2 315.9 1755.1 0.6-0.2 4.38 5.04 314.2 2878.4 0.6-0.4 3.68 4.37 312.0 4403.7 0.40.6-0.6 3.58 4.2 310.9 4837.4 0.2-0.2 5.18 5.85 315.2 1092.8 0.4-0.2 4.89 5.56 314.6 2043.0 0.6-0.2 4.72 5.57 313.8 3526.1 0.6-0.4 4.42 5.24 311.5 4753.6 0.60.6-0.6 3.69 4.52 309.9 5164.8 由表 3 的数据可以绘制出图 6 的
22、折线图。从图 6 中可以看出，西立面井箱式双层皮玻璃幕墙单箱体的排热量随通风口尺寸的增加而逐渐增大。当通风口尺寸面积处在 0.1m2到0.3m2之间时，箱体排热量增加变化率比较高，而当通风口尺寸处在（0.2m-0.2m）和（0.6m-0.6m）时，箱体的排热量变化率就相对较小。从曲线变化趋势来看，西立面井箱式双层皮玻璃幕墙的排热量趋近于 5000w/h，又因为西晒太阳照度是全天最高值，所以这时的排热量也相当于全天中最大的排热量。建 筑 西 侧 箱 体 排 热 量01000200030004000500060000.2-0.2 0.4-0.2 0.6-0.2 0.6-0.4 0.6-0.6通 风
23、 口 尺 寸箱体排热量 D=0.2D=0.4D=0.6图 6 建筑西立面不同幕墙结构对应的箱体排热量FIG.6 The exhaust heat of various structure of the DSF at the west of the building依照对南立面的处理方法，对空腔间距为 0.4m 的西立面井箱式和箱式双层皮玻璃幕墙的排热量做一个对比，西立面井箱式双层皮玻璃幕墙的排热量随着通风口尺寸的增大，成倍的高于对应箱式双层皮玻璃幕墙通风口尺寸下的排热量。其变化规律与南立面的对比相似。由此可知，合理地将竖井式双层皮玻璃幕墙与箱式双层皮玻璃幕墙相结合，能够起到良好的建筑节能效果。
24、2.3 不同高度的竖井对井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体排热量的影响在空腔间距为 0.4m 的条件下，分别对无竖井和竖井高度为 10m、20m、30m、40m 的南立面井箱式双层皮玻璃幕墙进行数值模拟，现将模拟的结果列于下表 4 中。表 4 不同竖井高度下各项参数值Table4 The parameters at the various heights of shaft-box入口平均竖井高度(m)箱体宽通风口尺寸（m)速度(ms -1)出口平均速度(m s-1)箱体平均温度(K)箱体排热量(W)0 1.08 1.25 312.9 772.24 10 1.89 2.14 311.4 1435.85
25、 20 2.43 2.76 311 1755.09 30 3.04 3.46 310.9 2233.75 40V=0.4(0.6-0.4)3.42 3.72 310.4 3229.37 在表 4 中，当井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体结构保持不变时，箱体的排热量随竖井高度的升高而逐渐增大；且有竖井和无竖井的井箱式玻璃幕墙，在箱体排热量上，至少也有一倍的差距。由此可以证明竖井确实能够明显改善箱体内的气流组织情况，当箱体内存在过热现象时，可以采用竖井与箱体交错的形式来增强箱体热通道内的通风性能。图 7 是由表 5 绘制出来的柱状图。从图中可以看出，随着竖井高度的增高，井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体的排热
26、量呈逐渐上升趋势。竖井高度从 10m 到 30m 之间，排热量保持有规律的增加，呈等差排列。当竖井高度为 40m 时，烟囱效应变得更加明显，此时的排热量也增加了很多，保持在 3300w/h，是一种比较理想的状况。因此竖井高度保持在 40m左右对不 同 竖 井 高 度 对 应 的 排 热 量05001000150020002500300035000 10 20 30 40竖 井 高 度井 -箱 式图 7 单元箱体对应不同竖井高度时的排热量FIG.7 The exhaust heat of unit box at the various heights of shaft-box于增强烟囱效应，加强
27、夏季幕墙热通道内热量的排除具有积极的意义。3 结语（1）在竖井高度为 40m 的情况下，综合考虑夏季沈阳地区室外气象参数、室内设计参数的设计要求，在建筑南立面上，笔者建议选择热通道间距为 0.4m,通风口尺寸为(0.6m-0.6m)的井箱式双层皮玻璃幕墙，这样不仅能够降低幕墙的初投资，而且可以提供良好的室内舒适性，同时起到建筑节能的效果。（2）利用竖井所产生的烟囱效应来作为箱式双层皮玻璃幕墙热通道内气流的驱动力，可以获得较大排热效率，能够有效地降低单元箱体的温度。（3）在井箱式双层皮玻璃幕墙单元箱体结构保持不变的条件下，随着竖井高度的增加，箱体排热量逐渐增加。当竖井高度为 40m 时，烟囱效应
28、的作用明显增强，排热量明显增加，这对井箱式双层皮玻璃幕墙的设计具有一定的参考价值。参考文献1杜妮妮,双层玻璃幕墙的不同结构对房间热环境的影响D.西安：长安大学，2007.Du Nini, The Impact of Different Structure of Double-skin Glass Facades to Room Heat EnviromentD.XiAn:Changan University,2007.2李鹏，曹立勇，楼文娟等，双幕墙高层办公楼通风效果风洞试验研究J.暖通空调，2004,34（11）.Li Peng, Gao Liyong, Lou Wenjuan, Chen Yong, Research on ventilation performance of high-rise office building with double-skin faade by wind tunnel testsJ.HV heat dissipating capacity; the shaft-box ; energy conservation;
