王志勇， 楊順富

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

內(nèi)置遮陽百葉外循環(huán)雙層通風(fēng)幕墻傳熱與流動特性研究

王志勇1,2， 楊順富1

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083）

基于內(nèi)置遮陽百葉的外循環(huán)雙層通風(fēng)幕墻三維物理模型，利用WINDOW軟件計算出內(nèi)外幕墻的材料屬性，然后采用FLUENT軟件，使用太陽加載模型模擬雙層通風(fēng)幕墻熱通道內(nèi)的溫度場和速度場，得到熱通道內(nèi)的溫度和流動特性，并且計算出熱通道的動態(tài)隔熱效率。研究表明，熱通道內(nèi)的速度場和溫度場以耦合的方式影響雙層通風(fēng)幕墻的熱工性能。

雙層通風(fēng)幕墻；熱工性能；太陽加載模型

0 引言

雙層通風(fēng)幕墻（double skin facade，DSF）是一種既能滿足建筑美學(xué)又可節(jié)約建筑運行能耗的新型幕墻系統(tǒng)。DSF有內(nèi)、外兩層玻璃，內(nèi)層和外層幕墻之間有一定間距，中間是空氣流通的熱通道，熱通道內(nèi)裝有遮陽百葉阻擋太陽輻射。根據(jù)通風(fēng)方式的不同，DSF可分為外循環(huán)式和內(nèi)循環(huán)式。外循環(huán)式幕墻的內(nèi)層幕墻封閉，外層幕墻的上下方設(shè)有進出風(fēng)口，熱通道內(nèi)的空氣與室外空氣相通，通過循環(huán)可以將熱通道內(nèi)的熱量帶出到室外，此構(gòu)造是目前廣泛采用的幕墻形式。DSF自20世紀(jì)90年代引入中國以來，已經(jīng)在建筑領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但是其節(jié)能性一直沒有達到預(yù)期的效果。DSF的熱通道內(nèi)存在復(fù)雜的耦合傳熱過程，室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)以及DSF的結(jié)構(gòu)參數(shù)都會對DSF的熱工性能產(chǎn)生顯著影響，進而影響其節(jié)能效果。目前，國內(nèi)外學(xué)者多采用數(shù)值模擬方法進行DSF的熱工性能研究，其中以計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）方法最為普遍。Gan G. H.[1]采用CFD 模擬預(yù)測DSF的對流傳熱特性、熱阻及傳熱系數(shù)。H. Manz等[2]利用光譜光學(xué)模型與CFD 模型耦合的方法，進行DSF的物性分析和優(yōu)化設(shè)計。H. El-Sadi等[3]運用CFD模擬，指出DSF熱通道內(nèi)的氣流組織存在非常復(fù)雜的渦流，而且進口處的熱流量和氣流速度對熱通道內(nèi)的氣流速率存在顯著影響。A. Guardo-Zabaleta等[4]通過CFD模擬了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對DSF節(jié)能性的影響，指出對DSF的太陽輻射得熱量影響最大的因素是玻璃的光學(xué)性能，同時，增大熱通道的長寬比可以減少太陽輻射得熱量。劉猛等[5]利用CFD方法建立箱體式“呼吸”單元物理模型，研究了夏季工況不同太陽輻射強度、通風(fēng)腔寬度以及遮陽裝置在不同位置時的DSF綜合傳熱系數(shù)。王漢青等[6]采用窗戶系統(tǒng)模擬程序WIS和CFD相結(jié)合的方法，對機械輔助DSF的熱工性能進行模擬分析，提出了降低機械輔助DSF的太陽能得熱因子的方案。曾臻等[7]提出適用于熱壓與風(fēng)壓共同作用的DSF的CFD模擬方法，并實驗驗證了該模擬方法的準(zhǔn)確性。

DSF的傳熱過程復(fù)雜，影響因素多，是一種典型的非線性問題。目前DSF的研究主要還是針對某些特定因素，且通常采用過分簡化的假設(shè)條件，如忽略輻射效應(yīng)，將太陽輻射量以恒定負荷的形式加入到模型當(dāng)中，難以獲得比較滿意的預(yù)測結(jié)果。本文建立了內(nèi)置遮陽百葉的外循環(huán)DSF的三維模型，采用六面體網(wǎng)格以提高計算精度。同時，采用WINDOW7.2和FLUENT軟件相結(jié)合的方法對DSF熱通道內(nèi)的溫度場和速度場進行模擬分析。

1 物理模型及邊界條件

1.1 物理模型

室內(nèi)、外環(huán)境時刻影響DSF的換熱，進出風(fēng)口的擋雨裝置也會改變氣流的方向，增加氣流運動過程中的阻力。為了準(zhǔn)確計算出熱通道內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)熱特性，盡可能真實地反應(yīng)熱通道內(nèi)的氣流狀況，本文建立三維物理模型，并且在進出風(fēng)口設(shè)置鋁制擋雨百葉，葉片向外傾斜45°，如圖1所示。

優(yōu)化模擬計算域，確保模擬過程中進、出風(fēng)口的氣流能夠充分發(fā)展，并且在不影響模擬結(jié)果的前提下減少計算量。對于外循環(huán)DSF，熱通道與室內(nèi)環(huán)境無氣流交換，建模時可以忽略室內(nèi)區(qū)域，對內(nèi)側(cè)玻璃幕墻設(shè)置合理的邊界條件即可，選取熱通道和部分室外大氣區(qū)域作為計算域，如圖2所示。

圖1 DSF三維物理模型Fig. 1 3D physical model of double skin facades

圖2 模擬計算域Fig. 2 Numerical computational domain

物理模型朝向為南向，整體高度為2 800 mm，寬1 800 mm，2層幕墻之間的距離為400 mm，進出風(fēng)口高度均為200 mm，遮陽百葉距外側(cè)幕墻100 mm，葉片傾角為45°。外側(cè)幕墻采用8 mm厚單層浮法玻璃，內(nèi)側(cè)幕墻采用6+12+6 mm雙層中空Low-E玻璃，內(nèi)、外幕墻的表面溫度恒等于各自對應(yīng)的空氣溫度。

采用WINDOW7.2軟件計算出內(nèi)、外幕墻的物性參數(shù)，遮陽百葉與擋雨百葉采用鋁制材料，墻體為保溫隔熱材料，其具體參數(shù)見表1。本文假設(shè)空氣為不可壓縮牛頓流體，其密度變化滿足Boussinesq假設(shè)。

表1 雙層通風(fēng)幕墻材料的物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of double skin facade

1.2 邊界條件

本研究選取湖南省株洲市為研究地，該地屬于夏熱冬冷地區(qū)，模擬時間段選在2015年9月10日的上午7時到晚上19時。DSF的傳熱及氣流組織是一種非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，進行數(shù)值模擬時需要時刻更新環(huán)境參數(shù)，計算量大并且對計算機硬件要求較高。本文對實際情況進行簡化，將模擬時間段等分成13個不同時刻，各時刻的室外空氣溫度通過溫度傳感器實測獲得，室內(nèi)空氣溫度借助空調(diào)維持在26 ℃，具體溫度值如表2所示。

表2 7—19時各時刻室內(nèi)外空氣溫度值Table 2 Indoor and outdoor temperature values from 7 a.m. to 19 p.m.

將室外區(qū)域的來流邊界面和下邊界面定義為壓力入口邊界，上邊界面定義為壓力出口邊界，內(nèi)、外幕墻采用固定溫度的固體壁面邊界條件，熱通道上下和左右壁面設(shè)置成絕熱壁面。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 湍流模型

DSF的熱通道空間狹小，內(nèi)遮陽百葉將熱通道分成內(nèi)外2部分。受到風(fēng)壓和熱壓的作用時，通道內(nèi)氣流會受到極大地擾動，流動呈不穩(wěn)定狀態(tài)，同時存在層流和湍流，流動特性變化復(fù)雜。本次模擬采用重正化群（RNG k-）模型，它能夠順利地應(yīng)對高應(yīng)變率和流線彎曲程度較大的流動。該模型的k方程和 方程與標(biāo)準(zhǔn)k-模型非常相似。

u為流速，ui，uj為u的分量（i, j代表坐標(biāo)方向）；

x為坐標(biāo)參數(shù)，xi，xj為x的分量（i, j代表坐標(biāo)方向）；

t為時間；

Gk為因平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能k的產(chǎn)生項；

Eij為時均應(yīng)變率。

值得注意的是，RNG k-模型只是針對充分發(fā)展的湍流流動，DSF熱通道的間距和高度有限，部分湍流并未充分發(fā)展，所以模擬過程中將RNG k-模型與壁面函數(shù)法配合使用，以準(zhǔn)確地模擬熱通道內(nèi)氣流組織狀態(tài)。

2.2 輻射模型

DSF具有內(nèi)外2層玻璃幕墻，涉及到半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射，所以選用離散坐標(biāo)輻射模型（discreteordinates radiation model，DO模型）。該模型對于任何光學(xué)厚度都適用，考慮了散射的影響，而且允許出現(xiàn)鏡面反射和半透明介質(zhì)內(nèi)的輻射，還可以使用灰?guī)Ｐ瓦M行非灰體輻射計算。

照射到DSF上的太陽輻射由DO模型中的太陽計算器計算得出，只要確定地點和時間，再輸入網(wǎng)格的三維方向和日照因子，就可以計算出當(dāng)?shù)氐奶栔鄙漭椛?、垂直和水平面的太陽散射輻射以及太陽位置。?中列出了模擬時段內(nèi)株洲地區(qū)的太陽輻射強度和太陽位置參數(shù)。

表3 株洲地區(qū)的太陽輻射參數(shù)Table 3 Solar radiation parameters in Zhuzhou City

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算的準(zhǔn)確性影響較大，直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度和收斂的難易程度。為了得到較精確的計算結(jié)果，采用分區(qū)處理的方法對模型劃分為六面體網(wǎng)格。首先將遮陽百葉和進、出口區(qū)域分離出來，遮陽百葉的葉片寬度為25 mm，間距僅有20 mm，劃分網(wǎng)格時在y方向和 方向劃分4個等間距網(wǎng)格。進、出風(fēng)口處的擋雨百葉葉片寬度和間距均為50 mm，在y方向和 方向分別劃分5個和10個等間距網(wǎng)格。對于室外區(qū)域，按1.05倍的比例，從外側(cè)幕墻向室外由密到疏劃分為等比例網(wǎng)格，如圖3所示。

DSF的非穩(wěn)態(tài)熱特性主要表現(xiàn)在y方向和 方向上，x方向上各固體層存在少量傳熱，氣流組織之間也會相互影響，但這些并不是影響熱特性的主要因素。所以在x方向上對整個計算域均劃分為20個等間距網(wǎng)格，與y, 方向網(wǎng)格間距的比值小于20，在不至于引起計算發(fā)散的情況下[5]還能減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算時間。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig. 3 Mesh grid

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 熱通道內(nèi)溫度分布

圖4和圖5分別是在太陽輻射強度較強烈的時段（10—15時），沿內(nèi)、外熱通道高度方向的溫度變化情況。

圖4 10—15時外側(cè)熱通道中心不同高度的溫度分布Fig. 4 Temperature distribution at the different heights of the lateral hot channel center from 10 a.m. to 15 p.m.

圖5 10—15時內(nèi)側(cè)熱通道中心不同高度的溫度分布Fig. 5 Temperature distribution at the different heights of the internal hot channel center from 10 a.m. to 15 p.m.

由圖4～5可以看出：在不同時刻，內(nèi)、外熱通道中心不同高度的溫度變化趨勢相似。

外側(cè)熱通道內(nèi)的空氣從進風(fēng)口處往上，溫度先升高再降低，這是因為從進風(fēng)口以上到1.2 m高度處，貼著外側(cè)幕墻產(chǎn)生了向下的回流，使遮陽百葉周圍出現(xiàn)局部高溫。在出風(fēng)口處，內(nèi)、外熱通道的氣體集聚并混合，最后經(jīng)出風(fēng)口排出，所以溫度有所下降。由于局部高溫的影響，內(nèi)側(cè)熱通道下部區(qū)域的溫度分布與外側(cè)相似，上部區(qū)域的空氣溫度呈增長趨勢。

在13時，熱通道內(nèi)溫度相對較高，此時內(nèi)、外熱通道能夠達到的最高空氣溫度分別為38 ℃和43 ℃。在10時，熱通道內(nèi)的溫度相對較低，此時內(nèi)、外熱通道的最高空氣溫度分別能達到35 ℃和39 ℃。熱通道頂部與底部之間存在明顯的溫升，外側(cè)熱通道在12時到15時時間段內(nèi)的溫升可以達到6.5 ℃。內(nèi)側(cè)熱通道相比于外側(cè)有所減小，最大溫升為2.5 ℃，出現(xiàn)在下午15時。

可見，無論是空氣溫度還是溫升，外側(cè)熱通道都高于內(nèi)側(cè)。這是由于內(nèi)置遮陽百葉對太陽輻射的阻擋作用，百葉葉片將大部分太陽輻射反射回外側(cè)熱通道，自身也吸收了一些輻射轉(zhuǎn)換成內(nèi)部得熱，只剩下一小部分太陽輻射透過葉片間隙進入到內(nèi)側(cè)熱通道。在12時，外側(cè)熱通道內(nèi)的太陽輻射強度可以達到1 128 W/m2的峰值，而此時內(nèi)側(cè)熱通道的太陽輻射強度僅為400 W/m2左右。

3.2 熱通道內(nèi)速度分布

不同時刻熱通道內(nèi)的速度分布相似，以下午13時的模擬結(jié)果為例進行分析。圖6為熱通道內(nèi)的速度矢量圖。

圖6 熱通道內(nèi)速度矢量圖Fig. 6 Velocity vector chart in the hot channel

室外氣流從進風(fēng)口進入，直接通過遮陽百葉葉片的間隙進入到內(nèi)側(cè)熱通道，靠近進風(fēng)口處的空氣在進風(fēng)口氣流的卷吸作用下，產(chǎn)生了指向進風(fēng)口的速度，因此在熱通道中下部和底部產(chǎn)生明顯的渦流區(qū)。熱通道上部受熱浮升力影響，氣流向上運動，最終由出風(fēng)口流出熱通道。

在2 m以下的熱通道區(qū)域內(nèi)，空氣處于紊流區(qū)，風(fēng)速大小變化比較復(fù)雜，靠近內(nèi)側(cè)幕墻的風(fēng)速可以達到1 m/s，而渦流區(qū)內(nèi)的風(fēng)速基本為0。熱通道上部氣流逐漸穩(wěn)定風(fēng)速大小相對一致，基本保持在0.4 m/s。

3.3 熱通道的動態(tài)隔熱效率

夏季，DSF在滿足室內(nèi)采光的同時，更重要的是阻隔室外的熱量進入室內(nèi)，以避免增加額外的制冷能耗。DSF的隔熱性能優(yōu)劣可以通過動態(tài)隔熱效率[8]來衡量，其計算公式為

式（8）～（9）中：Qr表示熱通道排出的熱量，W；

Qout表示進入外側(cè)幕墻的總熱量，W；

Qin表示進入室內(nèi)的總熱量，W。

進入室內(nèi)的總熱量可以用進入內(nèi)側(cè)幕墻的熱量來近似代替，根據(jù)進入內(nèi)、外幕墻的總熱量就可以計算出各時刻的動態(tài)隔熱效率，計算結(jié)果見表4。

表4 各時刻的DSF動態(tài)隔熱效率Table 4 Dynamic insulation efficiency of double skin facades

由表4可知，在輻射強度較強烈的時段內(nèi)，動態(tài)隔熱效率基本能達到90%以上，這說明DSF在夏季具有較好的隔熱效果，能夠有效地降低室外高溫對室內(nèi)環(huán)境的熱擾動。

4 結(jié)論

1）內(nèi)置遮陽百葉的外循環(huán)DSF能夠有效阻擋夏季太陽輻射，具有較高的動態(tài)隔熱效率。在輻射強度最強烈的時段，可以將2/3的輻射阻隔在外側(cè)熱通道。這對于夏熱冬冷地區(qū)具有很好的適用性。

2）熱通道的下部區(qū)域氣流擾動大，風(fēng)速變化無明顯規(guī)律。沿高度往上，氣流逐漸穩(wěn)定，風(fēng)速維持在0.4 m/s，并且伴隨溫升，熱通道內(nèi)出現(xiàn)明顯的煙囪效應(yīng)。

3）本文對模擬計算域和網(wǎng)格劃分進行優(yōu)化，減少了網(wǎng)格數(shù)量和計算量，通過WINDOW7.2軟件計算DSF內(nèi)、外幕墻的物性參數(shù)，將計算結(jié)果作為CFD模擬的源項，并且引入太陽加載模型來計算進入DSF熱通道的太陽輻射，為數(shù)值模擬提供了較準(zhǔn)確的原始參數(shù)。該研究方法能夠為后期DSF結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化提供支持。

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（責(zé)任編輯：鄧光輝）

Research on Heat Transfer and Flow Properties of External DSF with Built-in Shading Shutters

WANG Zhiyong1,2，YANG Shunfu1
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. School of Energy Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China）

Based on 3D physical models of the external double skin facade (DSF) with built-in shading shutters, the material properties of the interior and exterior skin facades can be worked out by using WINDOW software. The simulation of solar loading model of the temperature field and velocity field, which can be found in the hot channel of double skin facades, can be achieved by using FLUENT software, thus obtaining the temperature and flow properties and the dynamic insulation efficiency of the hot channel. The study shows that the temperature and velocity distribution in hot channels, both working in a coupled manner, affect the the insulation performance of double skin facades.

double skin facade (DSF)；thermal performance；solar loading model

TU111.4

A

1673-9833(2016)05-0006-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.05.002

2016-07-28

湖南省教育廳科學(xué)研究基金資助重點項目（13A001），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項目（CX2015B570）

王志勇（1978-），男，山東濟寧人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，中南大學(xué)博士生，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為建筑節(jié)能技術(shù)，E-mail：zywang668@126.com