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第一作者单位：西安建筑科技大学 建筑设备科学与工程学院
李雪
.
锯齿形双层玻璃幕墙供冷期传热性能数值模拟
［J］.
煤气与热力，
2021，41（10）
：A20-
A25
.
双层玻璃幕墙（
Double skin facade
，
DSF
）由内、外两层幕墙和中间空腔（空气流动通道）组成，空腔的上下分别设有通风口，在太阳辐射的作用下，空腔内形成自下而上的自然通风。空气由下通风口进入空腔，由上通风口流出空腔。为便于阐述，本文将下通风口称为进风口，将上通风口称为出风口。
双层玻璃幕墙建筑起源于欧美发达国家
［
1
］
，
20
世纪
80
年代起在我国得到发展和应用
［
2
］
。国内许多学者长期致力于双层玻璃幕墙通风传热性能研究，力求寻找美观、舒适与节能兼顾的方案。为了使双层玻璃幕墙充分发挥节能效果，在设计过程中必须结合气候适应性。
Qahtan
［
3
］
采用实测法探讨了马来西亚地区双层玻璃幕墙的传热特点，发现双层玻璃幕墙可以有效控制内幕墙温度（指内幕墙内表面平均温度）。
Larsen
等人
［
4
］
通过实测发现，在地中海气候条件下，合适的通风控制策略可以避免双层玻璃幕墙建筑室内过热。国内学者也针对气候适应性进行了研究，刘猛等人
［
5-7
］
采用节点网络法，研究了稳态情况下夏热冬冷地区太阳辐照度、空腔厚度等因素对双层玻璃幕墙综合传热系数的影响。何文皓等人
［
8-9
］
采用区域模型法，研究了动态情况下夏热冬冷地区冬季运行模式对双层玻璃幕墙建筑节能效果的影响。
此外，国内外许多学者试图将光伏材料
［
10-11
］
、气凝胶材料
［
12-13
］
、相变材料
［
14-15
］
等应用在双层玻璃幕墙中，但成本较高，实际推广难度大。我国南北跨度大，对双层玻璃幕墙的研究大多集中在夏热冬冷地区，对寒冷地区双层玻璃幕墙动态传热特性的研究比较少。加之双层玻璃幕墙的热阻比传统实体墙小，且具有透光性，供冷期即使空腔内的自然通风可将部分热量带出幕墙，仍易出现室内过热现象，导致冷负荷过高，空调系统能耗显著增加。
本文提出锯齿形双层玻璃幕墙，利用计算流体力学方法，采用
Fluent
软件模拟研究西安地区供冷期分别采用锯齿形双层玻璃幕墙、平面双层玻璃幕墙、单层幕墙的房间的速度、温度分布，分析双层玻璃幕墙风口高度、进风口空气流速对内幕墙温度、室内得热量的影响。
作为建筑物的外围护结构，双层玻璃幕墙涉及辐射传热、对流传热、导热。辐射传热包括外玻璃幕墙吸收太阳辐射，两层玻璃幕墙之间的辐射传热，以及内幕墙与室内其他壁面间的辐射传热。对流传热包括外幕墙外壁面与室外空气间的对流传热，外幕墙内壁面与空腔中空气的对流传热，内幕墙外壁面与空腔中空气对流传热，以及内幕墙内壁面与室内空气对流传热。导热为各层玻璃幕墙自身的导热。
入射到双层玻璃幕墙上的太阳辐射量，一部分被幕墙吸收，成为自身热力学能，一部分被反射到室外环境中，另一部分则透过幕墙进入室内成为室内得热量。
以西安某建筑的西向房间作为研究对象，房间高
7.6 m
，长
8.4 m
，进深
8.0 m
。分别配置锯齿形双层玻璃幕墙、平面双层玻璃幕墙、单层幕墙，几何模型见图
1
，图中数值单位为
m
。锯齿形双层玻璃幕墙、平面双层玻璃幕墙的外幕墙均为中空玻璃，内幕墙均为单层玻璃。单层幕墙由两层单层玻璃与空气夹层组成，空气夹层厚度为
12 mm
。锯齿形双层玻璃幕墙的进出风口（各
4
个）宽度均为
1.7 m
，高为
h
。平面双层玻璃幕墙的进出风口高度为
0.8 m
，宽度为
8.4 m
。单层幕墙无风口。
3
种幕墙房间的幕墙一侧均不设实体墙，其他均为实体墙。材料参数见表
1
。
空气在空腔与室内的流动传热过程满足质量守恒、能量守恒、动量守恒定律。设定空气为不可压缩流体，满足
Boussinesq
假设；忽略流体流动过程中黏性力做功引起的热量耗散。空腔中的流动状态具有随机性，选择
RNG k-
ε模型，考虑到玻璃为半透明材料，辐射模型选择
DO
模型，太阳辐射模型采用太阳光线追踪法。
由于模型尺寸比较大，且锯齿形双层玻璃幕墙不规则，采用传统的六面体网格划分比较繁琐，网格数量过多。因此，采用多面体网格进行划分，不仅在计算局部流动时精确度比较高，而且对网格变形不敏感，可大幅减少网格数量。
模型初始温度设定为
27
℃。模拟过程中，除室外温度、太阳辐照度、进口空气流速随时间变化外，实体墙外表面空气温度保持
29
℃。室内无冷热源。进风口设为速度入口，出风口设为自由出流。设定实体墙外表面仅存在对流传热。各时间的参数见表
2
。
采用文献［
16
］的实测房间、各时间参数，模拟实测房间的平均室内温度。实测房间的几何模型见图
2
。实测房间高
2.8 m
，长
1.8 m
，进深
3 m
，采用平面双层玻璃幕墙、实体墙，进出风口尺寸
1.8 m
×
0.2 m
。实测、模拟平均室内温度随时间的变化见图
3
。由图
3
可知，模拟值与实测值的最大相对误差为
-2.55%
，说明模拟结果可靠。
2
种双层玻璃幕墙的风口高度均取
0.8 m
。截面速度分布、截面温度分布选取时刻
17
：
00
进行分析，截面选择
Ox=2.8 m
平面。内幕墙温度为内幕墙内表面平均温度，室内得热量为通过单位投影面积幕墙进入室内的热流量。
截面速度分布见图
4
。由图
4
可知，对于
3
种幕墙房间，室内空气流速比较小，气流方向紊乱，紧邻幕墙和房间顶面区域的空气流速比较高。对于两种双层玻璃幕墙的空腔：进风口上方空气流速不均匀；沿高度方向，紧邻内幕墙一侧的空气流速先快速增大再逐渐减小；出风口空气流速比进风口空气流速大；进风口上方靠外幕墙一侧及出风口上方空腔出现旋涡。与平面双层玻璃幕墙相比，锯齿形双层玻璃幕墙出风口上方空腔的旋涡流速更小，整个空腔内气流分布更均匀，紧邻内幕墙一侧的空气流速更小，出风口空气流速更小。
截面温度分布见图
5
。由图
5
可知，紧邻幕墙的室内空气温度高。沿高度方向，室内空气温度出现明显分层。单层幕墙房间的室内温度明显高于双层玻璃幕墙房间。与平面双层玻璃幕墙房间相比，在人员停留的高度上，锯齿形双层玻璃幕墙房间的空气温度更低。
17
：
00
时
3
种幕墙房间各高度上的平均空气温度见图
6
。由图
6
可知，同一时间，平均空气温度随房间高度的增高而增大。距地面
2 m
高度内，锯齿形双层玻璃幕墙房间的平均空气温度基本没有变化，平面双层玻璃幕墙房间变化比较小，单层幕墙房间变化最大。室内空气温度由低到高的顺序为锯齿形双层玻璃幕墙房间、平面双层玻璃幕墙房间、单层幕墙房间。
图
6 17
：
00
时
3
种幕墙房间各高度上的平均空气温度
3
种幕墙的内幕墙温度、室内得热量随时间的变化分别见图
7
、
8
。由图
7
、
8
可知，
3
种幕墙的内幕墙温度、室内得热量随太阳辐照度的变化而变化，先增大后减小。在
13
：
00
—
20
：
00
，单层幕墙内幕墙温度、室内得热量的变化最为明显，其他两种幕墙的变化并不显著。其他时间，
3
种幕墙的内幕墙温度、室内得热量基本接近。
风口高度分别为
0.4
、
0.8
、
1.2 m
的锯齿形双层玻璃幕墙内幕墙温度、室内得热量随时间的变化分别见图
9
、
10
。由图
9
、
10
可知，进风口空气流速一定时，增大风口高度可降低内幕墙温度、室内得热量。
图
9
风口高度分别为
0.4
、
0.8
、
1.2 m
的锯齿形双层玻璃幕墙内幕墙温度随时间的变化
图
10
风口高度分别为
0.4
、
0.8
、
1.2 m
的锯齿形双层玻璃幕墙室内得热量随时间的变化
风口高度为
0.8 m
、各时刻的进风口空气流速分别固定为
0.5
、
1.0
、
1.5 m/s
时，锯齿形双层玻璃幕墙内幕墙温度、室内得热量随时间的变化分别见图
11
、
12
。由图
11
、
12
可知，风口高度一定时，增大进风口空气流速可降低内幕墙温度、室内得热量。
图
11
风口高度为
0.8 m
、各时刻的进风口空气流速分别固定为
0.5
、
1.0
、
1.5 m/s
时锯齿形双层玻璃幕墙内幕墙温度随时间的变化
图
12
风口高度为
0.8 m
、各时刻的进风口空气流速分别固定为
0.5
、
1.0
、
1.5 m/s
时锯齿形双层玻璃幕墙室内得热量随时间的变化
①同一时间，截面平均空气温度随房间高度的增高而增大。距地面
2 m
高度内，锯齿形双层玻璃幕墙房间的截面平均空气温度基本没有变化，平面双层玻璃幕墙房间变化比较小，单层幕墙房间变化最大。截面空气温度由低到高的顺序为锯齿形双层玻璃幕墙房间、平面双层玻璃幕墙房间、单层幕墙房间。
②
3
种幕墙的内幕墙温度、室内得热量随太阳辐照度的变化而变化，先增大后减小。在
13
：
00
—
20
：
00
，单层幕墙内幕墙温度、室内得热量的变化最为明显，其他两种幕墙的变化不显著。其他时间，
3
种幕墙的内幕墙温度、室内得热量基本接近。
③进风口空气流速一定时，增大风口高度可降低内幕墙温度、室内得热量。风口高度一定时，增大进风口空气流速可降低内幕墙温度、室内得热量。
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