夏热冬冷地区VDSF自然通风实验研究与优化＊

陈友明，高丽慧，王衍金，何文皓，郭晓琴

（湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082）

通风式双层皮幕墙（VDSF）的通风空腔在室外和室内之间形成一个热缓冲区，起到保温隔热和隔绝室外噪音的作用．其空腔内的通风形式可以是自然通风，也可以是机械通风或者混合通风．VDSF技术复杂，如何根据建筑物的使用要求，结合幕墙所在地的气候和室外条件，确定热通道的宽度以及遮阳百叶的位置等设计参数，对降低建筑能耗具有重要意义．

关于通风式双层皮幕墙，国内外都进行过一些重要的研究．但是，当前的VDSF 的研究工作绝大多数都是针对寒冷和温和气候地区开展的［1－2］，针对诸如中国夏热冬冷地区这类相对恶劣气候条件地区应用VDSF的研究仍然非常少［3－5］．双层皮幕墙自然通风研究主要有两种方法，一种是实验测试的方法；另一种是通过建立理想模型进行仿真模拟的方法．对于前者，清华大学和重庆大学进行了一些实验［6－9］，对于后者，Saelens等［10］通过建立二维数学模型研究了单元式多层幕墙机械通风和自然通风情况下的节能性能；李容敏等［11］用ANSYS对上海某医院玻璃幕墙热通道的流场和温度场进行了模拟．

实验测试方法是理论研究和数值方法的基础，然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动和测量精度的限制，有时仅通过实验的方法可能很难得到需要的结果．

本文在已搭建的试验平台上，对夏季，自然通风和机械通风下的VDSF 热通道内的流场和温度场进行对比分析，得出自然通风效果较好的4种工况．再利用Fluent分别对这4种工况进行模拟和分析，确定自然通风下，最佳玻璃幕墙空腔间距及遮阳百叶位置．

1 实验平台简介

本实验平台位于湖南长沙地区，实验有两组完全一致的通风式双层玻璃幕墙系统，供实验对比用．两组幕墙系统分别安装在两间实验室的南向墙体中，两间实验室尺寸均为2．000 m×2．000 m×2．500m．该实验室结构简图如图1所示．实验室为普通砖混结构，幕墙为实验室的南墙，实验时通过开启空调器以维持室内温度恒为25 ℃．

玻璃幕墙系统中内、外两层玻璃上部和下部均留有80mm 宽度的通风孔．机械通风时开启风机对空腔进行抽风运行．采用铂电阻温度传感器对室内外空气、幕墙表面、中间空气层、遮阳装置和进、排风等温度进行测量；幕墙前后太阳辐射采用总太阳辐射仪和散射太阳辐射仪进行测量；中间空气腔流速采用热线风速仪进行测量．参数测点布置如图2所示．

图1 实验装置Fig．1 Experimental set－up diagram

图2 测点布置图Fig．2 Arrangement of measuring points

2 自然通风和机械通风实验对比分析

2．1 夏季工况测试

本实验实测长沙地区7－10月份幕墙各层温度分布、进出风口处温度、速度分布以及幕墙前后太阳辐射值，每10min记录一次数据，每种工况测试历时2d，试验中机械通风所用风机功率58 W，风量450m3／h．夏季工况的进、出风口及气流流动情况如图3所示．

VDSF分别在自然通风和机械通风条件下，通过改变内、外层玻璃间距、遮阳百叶位置等参数，实现不同的运行工况，以确定最佳设计参数．考虑到城市建筑用地面积，玻璃幕墙热通道间距一般为0．10～0．40m．实验中，热通道间距分别取0．10，0．20，0．30及0．40m．受实验条件的限制，当间距为0．10～0．30m时，遮阳百叶均位于热通道正中间处；当间距为0．40m时，遮阳百叶有3种不同的位置，分别是百叶位于正中间处、离外玻璃0．10和0．30m处．

图3 VDSF夏季通风模式Fig．3 VDSF ventilation mode in summer

2．2 实验结果分析

2．2．1 玻璃间距的影响

在自然通风和机械通风下，分别对间距为0．10，0．20，0．30和0．40m 的热通道进行实验测试，结果如图4所示．试验中，遮阳百叶均位于热通道正中间处．图中温度均为内空腔的温度．

图4 4种玻璃间距下各自然通风和机械通风对比Fig．4 Natural and mechanical ventilation under the four glass spacing

从图4可以看出，当玻璃幕墙热通道间距分别为0．30和0．40m，遮阳百叶均位于正中间位置时，自然通风和机械通风效果基本一致；而当热通道间距分别为0．10，0．20m 时，机械通风效果强于自然通风．

2．2．2 热通道内有无遮阳百叶的影响对比

实验分别对自然通风和机械通风两种工况下，热通道内有无遮阳百叶的情形进行了对比，此时，玻璃间距为0．40m．结果如图5和图6所示．

图5 自然通风下有无百叶内外空腔温度场Fig．5 The internal and external cavity temperature field in natural ventilation

图6 机械通风下有无百叶内外空腔温度场Fig．6 The internal and external cavity temperature field in mechanical ventilation

由图5和图6可以看出，在夏季，无论是自然通风还是机械通风，在一天的1／3时间里（太阳辐射最强的时间段）无百叶情形下热通道内温度均低于有百叶的情形，丹麦技术大学Poirazis在对DSF进行研究后也得出了相似的结论［12］：玻璃幕墙内的遮阳装置往往会影响热通道内的通风效果，特别是在夏季室内外温差较大的情况下，会降低由于通风作用所带走的热量．而其余时间结果正好相反，这是由于百叶层吸收的太阳辐射要高于玻璃幕墙其他各层［6］．

2．2．3 百叶位置的影响

测试室1为自然通风，测试室2为机械通风，两个测试室的热通道间距均调至0．40m，两个测试室遮阳百叶距外玻璃距离均分别调至0．10，0．20，0．30m，百叶叶片角度为45°，实验结果如图7 所示．由于实验条件的限制，无法对热通道间距为0．30m，百叶位于不同位置的情形进行对比实验．

图7 不同百叶位置下自然通风和机械通风对比Fig．7 Natural and mechanical ventilation under different blind location

从图7可以看出，玻璃间距为0．40 m，当百叶位于正中间或距外玻璃0．10 m 时，其自然通风和机械通风效果十分接近．

接下来借助Fluent软件对玻璃间距分别为0．30，0．40 m 及百叶位于正中间和距外玻璃0．10 m 的4种工况进行模拟．

3 软件模拟分析

3．1 模型的建立

VDSF的简化模型见图8，其中，VDSF 的热通道间距分别为0．30，0．40m，高度为2．45 m，遮阳百叶分别位于正中间及距外玻璃0．10m 处．这里，将百叶叶片简化成多孔介质模型［13］（图8），其内部阻力因子C2为19．184，粘性阻力1／a为9 424 761．外层玻璃采用6mm＋9mm＋6mm 双层中空钢化玻璃，铝合金边框固定；内层玻璃则采用8mm 钢化玻璃，不锈钢边框固定；内、外两层玻璃上部和下部均留有80mm 宽度的通风孔，且内层玻璃上部和下部通风孔被堵住．使用Boussinesq假设［14］；热通道内流体视为不可压缩流体，经计算得其雷诺数Re＝4．72×104＞2 000，流体处于湍流状态，因此采用kε湍流模型．辐射换热选用DO 辐射模型；取正午时分的太阳辐射值，其照度［5］为178．14 W／m2；自然通风；进风口处温度取实验所测温度的日平均温度，其值为300K．

图8 带百叶、多孔介质的VDSF Fig．8 VDSF with blind－porous media

3．2 模拟结果及分析

4种工况说明如表1所示．

表1 4种工况Tab．1 The four conditions

3．2．1 模拟结果和实验结果的对比分析

为了确定模拟结果的可靠性，对工况1的模拟结果进行验证．实验时，由于在内层玻璃竖直方向上只布置了3个测点，因此，模拟结果也对应取这3个测点位置的温度．对比结果如图9所示，图中实验时的测点温度取正午时分对应的温度．

由图9可见，模拟结果比实验结果要高0．5 ℃左右，这是因为模拟时取的太阳辐射要高于实验时的太阳辐射值，但是两者的整体趋势是保持一致的，所以，模拟结果可靠．

图9 模拟结果和实验结果的对比Fig．9 Simulation and experimental results

3．2．2 各工况内层玻璃表面温度分布

各工况内层玻璃表面温度分布如图10所示．

腔内空气吸收热量后，温度不断升高，形成上升的气流浮升力（烟囱效应），因此，出风口温度应高于玻璃幕墙内壁温度，这样才能实现自然通风［12］．由图10可见，这4种工况均能实现自然通风．与工况1和工况2相比，工况3和工况4在工作区域内温度分布较均匀且低，即玻璃间距为0．30m的温度分布较好．

3．2．3 各工况速度场模拟结果

4种工况热通道内速度分布如图11所示．

图10 4种工况下内层玻璃表面温度分布Fig．10 The inside glass surface temperature distribution under the four conditions

由图11可见，这4种工况热通道内均不存在死区（即气流速度为零的区域）．当百叶位于相同位置，玻璃间距0．30m 的热通道内气流速度比玻璃间距0．40m 的工况要高．其中图11（d）即工况4，气流速度最大；当百叶离外玻璃0．10m 时，玻璃间距无论是0．40m还是0．30m，内空腔的气流速度分布较百叶位于正中间的情形要均匀．由此可见，这几种工况中，玻璃间距为0．30m，百叶位于离外层玻璃0．10 m 的工况，其通风效果最佳．

图11 4种工况下y＝1．00m 处速度分布Fig．11 y＝1．00m，the velocity distribution under the four conditions

4 结 论

夏热冬冷地区，在夏季，无论自然通风还是机械通风，热通道内的百叶均会影响其通风效果，这与Poirazis的结论吻合．

为了优化玻璃幕墙设计，在长沙地区，对与实验平台热通道玻璃幕墙高度（2．5m）相同的玻璃幕墙模型进行了模拟，得出以下结论：

1）当玻璃间距分别为0．30和0．40m 时，自然通风和机械通风效果十分接近，因此，可以利用自然通风，以节约能源．

2）自然通风下，当玻璃间距分别为0．30 和0．40m时，它们热通道内的温度场和速度场分别相似．

3）当自然通风时，最佳玻璃间距为0．30 m，百叶离外层玻璃0．10m．

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