水循环玻璃幕墙热工性能分析与计算

张忠相，李向阳，马 龙

(1.南华大学环境保护与安全工程学院，湖南衡阳421001;2.南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001)

1 引言

玻璃幕墙是指由支承结构体系可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构。墙体有单层和双层玻璃两种，本文所设计的水循环玻璃幕墙，是由双层玻璃幕墙和其空腔中可循环利用的水构成。双层玻璃幕墙在欧洲20世纪80年代后期出现，我国双层玻璃幕墙发展比较晚，近几年我国企业的技术人员和学者对双层玻璃幕墙研究出了很多有价值的成果，促进了双层玻璃幕墙的健康发展。双层玻璃幕墙夏季隔热和冬季保温效果比单层玻璃幕墙好，能明显改善室内气候，可以减少空调的使用时间，节约能源［1］。如今家用节能玻璃幕墙主要有Low－E玻璃幕墙，中空玻璃幕墙。然而，通过实际使用发现，夏季玻璃幕墙温度普遍偏高，节能效果不明显。为了弥补传统家用节能玻璃幕墙的缺点，家用水循环玻璃幕墙应运而生。研究表明采用流水幕墙要比采用普通幕墙节能效果高10倍［2］。利用水的高显热蓄热能力和双层玻璃幕墙优势，本文开展了家用水循环玻璃幕墙系统研究。

2 水循环玻璃幕墙系统设计

卫生间水箱内水量一般为20L左右，pH值为中性，水质较好，夏季水温一般为20℃左右。本设计通过水管将卫生间水箱与双层玻璃幕墙中间空气层相联通，夏季通过电子水泵将卫生间水箱内低温水定时与双层玻璃幕墙中被日射加热的高温水置换，高温水进入水箱后，随着人们的冲洗，将热量带入下水管道。水循环玻璃幕墙室外侧安装光伏发电板，将太阳辐射能转化为电能储存在蓄电池中，蓄电池为电子水泵提供能量(图1)。

图1 水循环玻璃示意

3 水循环玻璃幕墙的热工计算

3.1 水循环玻璃幕墙的太阳辐射计算

水循环玻璃幕墙是一种半透明结构，其对太阳辐射存在透射、吸收和反射作用。双层玻璃与水之间存在多次反射、吸收和透射，由于辐射在相邻两个表面之间的反射和吸收过程类似，其传热过程满足一定的递推关系式(图 2)［3］。

其中玻璃A靠近室外侧，玻璃B靠近室内侧。假定入射的太阳辐射为单位1，太阳入射角45°。且对理想玻璃或水膜层，应有下式成立:

则按规律计算出透射入室内的太阳辐射比，反射的太阳辐射比与被玻璃A、B和水膜吸收的太阳辐射比的前10组数据进行得热计算，后面数据对结果影响不大，故舍弃。

其中 αn(n=1、2、3)为玻璃或水膜的吸收率;ρn(n=1、2、3)为玻璃或水膜的反射率;τn(n=1、2、3)为玻璃或水膜的透射率。水膜的吸收比(α)、反射比(ρ)和透射比(τ)按下式计算［4］。

式中a为水膜的一次辐射的吸收比，r为水膜的一次辐射的反射比，按下式计算:

式中:i1为太阳光线的入射角(°);i2为太阳光线的折射角(°);n为折射指数，取1.33;μ为水的消光系数(m－1)，取30m－1;L为射线透过水膜层中的路程(m);d为水膜厚度(m)。

图1 太阳辐射透过水循环玻璃示意

通过以上对玻璃幕墙的太阳辐射进行计算分析，可以得到玻璃幕墙外层玻璃，水膜层和内层玻璃吸收的太阳辐射热量及太阳辐射总透射率和总反射率。其他种类玻璃计算方法同上。

3.2 水循环玻璃幕墙的传热计算

室内外温度不同时，室内外空气通过玻璃进行热量交换。传热过程包括串联的3个环节:从室外热空气到室外侧玻璃A的热量传递;从玻璃A到水膜层再到玻璃B的热量传递;从室内侧玻璃B到室内空气的热量传递。热流量按公式(9)计算。

式中:φ为热流量(w/m2);A为玻璃表面积(m2);tf1为室外侧空气温度(℃);tf2为室内侧空气温度(℃);hi=(i=1，2)为室外、内侧的对流换热系数(w/m2);δi(i=1、2、3)为分别为玻璃 A、水膜层(空气层)和玻璃层B的厚度(m);λt(i=1、2、3)为分别为玻璃 A、水膜层(空气层)和玻璃B的导热系数(w/(m·k))。

3.3 玻璃幕墙蓄热量计算

通过太阳辐射与室内外传热，玻璃幕墙自身会吸收一部分热量，导致温度升高，最终通过辐射传热与对流传热，将自身吸收的热量再次传入室内与室外，造成室内冷负荷增加。玻璃幕墙蓄热量的能力对于减少二次室内得热有重要影响。蓄热量按公式(10)计算。

Q=cmΔt (10)式中:Q为热量(J);C为比热容(kJ/kg·k);m为质量(kg);Δt为温度变化值(℃)。

3.4 计算边界条件

计算采用《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》规定的标注边界条件［5］。夏季工况，太阳辐射为500w/m2，室内空气温度为25℃，室外空气温度为30℃，室外侧的对流换热系数为2.5w/(m2·k)，室内侧的对流换热系数为16w/(m2·k)。玻璃A、B的厚度为5 mm，中间水膜层或空气层厚度2 mm，水面距离蒸发口30 mm，玻璃宽1.2m，高1.8m，水比热容 C=4.2kJ/kg·k，空气比热容C=1.005kJ/kg·k。计算采用的玻璃的热工参数如表1所示。表中参数来自美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的Window软件中的window glass library。

表1 玻璃热工性能参数

4 计算结果

水循环玻璃幕墙与中空玻璃幕墙采用普通玻璃类型。表2为夏季工况下水循环玻璃幕墙、Low－E玻璃幕墙和中空玻璃幕墙对太阳辐射的吸收，反射和透射的对比表。

表2 双层玻璃幕墙辐射得热表

表3为水循环玻璃幕墙、Low－E玻璃幕墙和中空玻璃幕墙的热流量对比表。

表3 双层玻璃幕墙热流量

表4 通过双层玻璃幕墙室内得热

温度每升高1℃，双层玻璃幕墙吸收的热量见表5。

表5 双层玻璃幕墙蓄热

5 结语

通过对不同玻璃幕墙的辐射热计算和传热计算，得出以下主要结论。

(1)相同条件下，单位时间内Low－E玻璃幕墙传入室内的热量为710.01w/m2，中空玻璃幕墙传入室内的热量为652.102w/m2，水循环玻璃幕墙传入室内的太阳辐射为320.544w/m2。可见，水循环玻璃幕墙更能降低传入室内的热量。

(2)温度每上升1℃，水循环玻璃幕墙吸热量为Low－E玻璃幕墙和中空玻璃幕墙的3240倍。反之，吸收同样的热量，水循环玻璃幕墙温度远低于其他两种玻璃幕墙，从而有效降低通过玻璃幕墙二次传热室内的热量。同时水循环玻璃幕墙可将夹层中高温水定时与卫生间水箱内低温水置换，并且水蒸发也可带走一部分热量，从而达到降低夏季室内冷负荷的目的。

(3)由于水的导热系数大于空气的导热系数，结果导致水循环玻璃幕墙的热流量略大于其他两种双层玻璃，但相对与太阳辐射得热量，通过传热得热所占比例较小，对结果影响不大。

夏季工况下，水循环玻璃幕墙相比Low－E玻璃幕墙与中空玻璃幕墙，更能降低通过玻璃幕墙的室内得热，同时水循环玻璃幕墙与卫生间水箱构成水循环系统，有效利用夏季水箱中的冷量，同时可将水循环玻璃幕墙中水吸收的热量带入下水道。水循环玻璃幕墙自身能耗全部由太阳能提供，不消耗额电能。水循环玻璃幕墙整合了节能环保，新能源，美观等各种时下流行要素，符合国家节能环保的总方针和人们追求舒服美观，形式新颖，结构简单，是当今玻璃幕墙发展的一种新探索，值得进一步深入研究与应用。

［1］王 强，黄义龙，曹 芹.双层玻璃幕墙节能效果实验研究［J］.新型建筑材料，2006(7):70～72.

［2］赵方冉，张莎莎，蔡子良.航站楼围护结构水幕墙节能效果分析［J］.建筑节能，2014，42(5):50 ～54.

［3］杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］孟庆林.水膜对太阳辐射的隔热机理研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，1997，25(1):75 ～80.

［5］JGJ/T 151 2008，建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.