闭式内循环幕墙热工性能研究

王庭阳(中国建筑上海设计研究院有限公司，北京 100054)

闭式内循环幕墙热工性能研究

Study on Thermal Performance of Closed Inner Circle Curtain Wall

王庭阳(中国建筑上海设计研究院有限公司，北京 100054)

采用数值模拟的方法，研究了夏季和冬季时不同朝向遮阳系统对闭式内循环幕墙热工性能的影响。结果表明：夏季时，采用遮阳基本满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于4K（即28℃）的定量要求；冬季时，不采用遮阳系统均满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于4K（即16℃）的要求。

数值模拟；遮阳系统；闭式内循环幕墙

玻璃幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式，具有采光面积大、美观、装饰性能好，且防腐性能优异等优点。现在，玻璃幕墙以其样式丰富多变，极具表现力的特点，越来越多地被用作建筑的外围护结构。由于玻璃幕墙围护结构传热系数很大，加上夏季的温室效应，和几十年前的隔热性能良好的普通建筑物内冬暖夏凉的特性完全相反，其耗能将高于普通建筑物。为了减少冬季供暖负荷和夏季制冷能耗，双层玻璃幕墙应运而生。

封闭式内循环体系双层玻璃幕墙，其外层外层一般由中空玻璃组成，内层一般为单层玻璃幕墙或可开启的单层玻璃窗，下部设有通风口，室内空气由此通风口进入热通道，使进入热通道的室内空气形成自下而上的强制性空气循环。在室外太阳辐射强度高的地区，内循环体系双层玻璃幕墙对取暖地区更为有利。

Rayment 分别应用单层、双层玻璃及热反射玻璃的幕墙节能性进行了比较研究，发现与单层幕墙相比，应用了双层玻璃和热反射玻璃的幕墙分别要节能 9% 和 10%。K.A.R.Ismail 和 J.R.Henriquez 通过建立基于质量、动量和能量守恒原理的二维数学模型，对热通道中浮力驱动下的空气流动进行了研究，并分析讨论了太阳得热系数和遮阳系数对气体流动的影响。朱清宇以某内循环式 DSF 工程实例为对象建立物理模型，模拟计算不同工况下 DSF 的综合传热系数，分析了 DSF 热通道的风速、宽度以及遮阳百叶位置对围护结构热损失的影响。现有的研究多以单层与双层幕墙的对比或双层玻璃幕墙与这样结构之间的关系，而有关于闭式内循环幕墙热工方面的研究并不深入，本文利用 CFD模拟了夏季和冬季时，在太阳辐射作用下不同朝向遮阳系统对式内循环幕墙内通道热环境的影响。

1 数值模型

本文以地处北京的中国石油大厦的玻璃幕墙为研究对象，建筑高 22 层，厦外围护结构采用了双层内循环玻璃幕墙。内循环结构外层玻璃为：8TP+12A+8TP 双银Low-E 膜(透明)双银 Low-E 中空玻璃，外框为断热型材，内层为 8TP 钢化玻璃(透明)。内外层玻璃之间的间距为 200 mm，内外层之间采用电动调节遮阳百叶装置，如图1 所示，热工参数如表1 和表2 所示：

表1 玻璃的热工参数

图1 中国石油大厦双层内循环玻璃幕墙结构示意图

表2 双层内循环玻璃幕墙遮阳百叶性能参数

根据双层玻璃幕墙传热过程的分析，应用计算流体力学软件 FLUENT 对闭式内循环玻璃幕墙进行模拟，模拟采用精度较高的低 Re 数 k-ε湍流模型。考虑温度差所产生的浮力作用，采用 Boussinesq 假设。闭式内循环幕墙内传热现象的模拟分析耦合了 CFD 的流体计算和传导、对流及辐射传热计算，同时考虑了通过外层玻璃透射的太阳辐射(短波)对遮阳百叶和内层玻璃的得热影响。

在传热的耦合计算时，各个壁面始终保持热量平衡。玻璃的导热计算为一维导热计算。在计算室外、室内侧的对流及辐射传热时，采用了表面综合传热系数来评价在外壁面和内壁面的辐射及对流换热现象。在辐射计算时，固体表面假设为漫－灰表面，进风口和排风口为黑体。

在满足建筑室内环境设计要求的夏季空调工况和冬季采暖工况的条件下，进行闭式内循环玻璃幕墙的稳态热工计算，其中双层闭式内循环玻璃幕通风量：3～5 L/m/s；冬季太阳辐射照度：南向太阳总辐射照度为 102 W/m2， 北向计算太阳总辐射照度为 0；夏季太阳辐射照度：南向计算太阳总辐射照度为 447 W/m2； 西向计算太阳总辐射照度为697 W/m2，其他参数如表3 所示。

表3 室内外计算参数

2 研究内容

双层内循环玻璃幕墙传热情况可以分为内遮阳百叶收起和内遮阳垂下两种情况，从季节上可以分为冬季和夏季来分析。

2.1 夏季双层玻璃幕墙热工分析

在夏季，当双层内循环玻璃幕墙内遮阳百叶收起时，其传热过程见图2。由图可见，在室外空气温度和太阳辐射热作用下，热量由室外向室内传递，利用内循环气流可以带走部分热量，从而减少了向室内的热量传递。但是，由于没有遮挡，太阳辐射会透过外层玻璃，直接照射到内层玻璃，内层玻璃吸热，虽然部分热量会向室内外散热，但在空气传热和太阳辐射得热的共同作用下，内层玻璃内表面温度明显升高，极不利于室内热舒适。

图2 夏季内遮阳百叶收起时双层幕墙传热过程示意图

图3 给出夏季南向和西向幕墙间层遮阳百叶收起时，玻璃面温度的云图和内层玻璃表面温度随高度变化趋势。

在炎热的夏季，当朝向为南向和西向的内循环式双层玻璃幕墙通风腔间层的遮阳装置收起时，由图3 可以看出，朝向不同时，西向比南向外层玻璃内表面温度高约 12K，而内层玻璃内表面温度表面西向时温度变化相对南向较大，但整体沿高度方向变化较小。随着玻璃高度的升高，内层玻璃内表面温度也快速升高。 值得注意的是西向双层内循环玻璃幕墙间层的遮阳百叶收起时，玻璃底端温度是 25.3℃；在高度为 3 m 时，玻璃温度为 35.2℃，内层玻璃表面温度面积加权平均值为 30.87℃，超过内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向时，玻璃底端温度在 24℃，在高度为 3 m 时，玻璃温度为 30.8℃，内层玻璃表面温度面积加权平均值为28.20℃，略微超过内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

图3 遮阳百叶收起时玻璃表面温度场模拟结果

在夏季，当双层内循环玻璃幕墙内遮阳百叶垂下时，其传热过程示意图见图4。由图可见，在室外空气温度和太阳辐射热作用下，热量由室外向室内传递，利用内循环气流可以带走部分热量，从而减少了向室内的热量传递。但是，由于有遮阳百叶的遮挡，太阳辐射会透过外层玻璃，直接照射到遮阳百叶上。虽然，在百叶内表面辐射和空气对流作用下向内层玻璃传热，由于内层玻璃没有直接接受到辐射热，玻璃内表面温度不会有很大升高，有利于改善室内热舒适。

图4 夏季内遮阳百叶垂下时双层幕墙传热过程示意图

给出夏季南向和西向幕墙间层遮阳百叶垂下时，玻璃面温度的云图和内层玻璃表面温度随高度变化趋势。(见图5)。

图5 遮阳百叶垂下时玻璃表面温度场模拟结果

由图5 可以看出，朝向不同时，西向比南向外层玻璃内表面温度高约 20℃，而内层玻璃内表面温度西向时温度变化相对南向较大，单表面温度沿高度方向变化较小。与遮阳系统收起时相比，外层玻璃内表面温度升高约 10 K。实验结果显示，与遮阳系统收起时相同，随着玻璃高度的升高，内层玻璃内表面温度也快速升高。 不同的是西向双层内循环玻璃幕墙间层的遮阳百叶收起时，玻璃底端温度在24.6℃，在高度为 3 m 时，玻璃温度为 32℃，内层玻璃表面温度面积加权平均值为 28.24℃，略微超过内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。而南向时，玻璃底端温度在 24.4℃，在高度为 3 m 时，玻璃温度为 29.8℃，内层玻璃表面温度面积加权平均值为27.07，满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的要求。

夏季遮阳装置垂下时，在求解收敛的情况下，由“Report”功能得到内层玻璃内表面面积加权平均的热流流量 Q。

于是，该外循环式双层皮玻璃幕墙的综合传热系数 K值为：

综上所述，在夏季，如果南向和西向不使用遮阳百叶时，无法满足内层玻璃内表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。当利用遮阳百叶时，通过适当增大内循环通风量和降低铝质百叶内侧吸收率基本满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

2.2 冬季双层玻璃幕墙热工分析

在冬季，为了充分利用太阳辐射得热，双层内循环玻璃幕墙内遮阳百叶一般都处于收起的状态。但不同的建筑朝向，其获得太阳辐射得热的情况不同，通常分为南向可获得太阳辐射得热的有利状态与北向无法获得太阳辐射得热的不利状态这两种情况。

冬季南向双层内循环玻璃幕墙传热过程如图6。在室内外空气温差的驱动下，热量由内向外传递。但是太阳辐射得热补充和内循环气流带入部分热量的综合作用下，可以减少向室外的传热量。此外，由于没有遮挡，太阳辐射会透过外层玻璃，直接照射到内层玻璃，内层玻璃吸热，虽然部分热量会向室内外散热，但是，内层玻璃内表面温度不会下降很大，有利于室内热舒适。

图6 冬季南向内遮阳百叶收起时双层幕墙传热过程示意图

图7 表示冬季南向幕墙间层遮阳百叶收起时，玻璃面温度的云图和内层玻璃表面温度随高度变化趋势。

图7 幕墙玻璃表面温度场模拟结果

由图9 可以看出，冬季时南向外层玻璃内表面温度相对较低，在 -5.8℃，而内层玻璃内表面温度最高，在20℃，与夏季相比温度降低较大。与夏季不同的是，随着玻璃高度的升高，内层玻璃内表面温度快速下降并在高为2.6 m 时，温度降到最低，随后温度有小幅上升。冬季南向双层内循环玻璃幕墙内层玻璃表面温度面积加权平均值为18.39℃，满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K (即 16℃)的要求。

冬季北向无太阳辐射得热的情况下，双层内循环玻璃幕墙传热过程见图8。由图可见，在室内外空气温差的驱动下，热量由内向外传递。尽管内循环气流补充部分热量，但由于无太阳辐射得热补充，内层玻璃内表面温度下降较大，不利于室内热舒适。

图8 冬季北向内遮阳百叶收起时双层幕墙传热过程示意图

图9 给出冬季北向幕墙间层遮阳百叶收起时，玻璃面温度的云图和内层玻璃表面温度随高度变化趋势。

图9 幕墙玻璃表面温度场模拟结果

由图9 可以看出，冬季时北向外层玻璃内表面温度相对较低在 -9℃，而内层玻璃内表面温度最高在 16℃ 左右，与南向相比，温度都有所下降。与南向不同的是，随着玻璃高度的升高，内层玻璃内表面温度先有一段上升而后快速下降并在高为 2.6 m 时，温度降到最低，随后温度有小幅上升。冬季北向双层内循环玻璃幕墙内层玻璃表面温度面积加权平均值为 16.04 ℃，满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 16℃)的要求。

冬季遮阳装置收起时，在求解收敛的情况下，朝南方向内层玻璃内表面面积加权平均的热流流量 Q 于是，该外循环式双层皮玻璃幕墙的综合传热系数 K 值为：

综上所述：在冬季，大厦南向和北向幕墙满足内层玻璃内表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K (即 16℃)的定量要求。

3 结 语

(1) 在夏季，如果项目大厦的南向和西向不使用遮阳百叶时，无法满足内层玻璃内表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。而该大厦的南向和西向利用遮阳百叶时，通过适当增大内循环通风量和降低铝质百叶内侧吸收率，基本满足内层玻璃表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 28℃)的定量要求。

(2) 在冬季，大厦南向和北向幕墙满足内层玻璃内表面温度与室内空气设计温度之差小于 4 K(即 16℃)的定量要求。

(3) 在双层内循环式玻璃幕通风量为 3～5 L/m/s，夏季取最大计算太阳总辐射照度447W/m2条件下，幕墙间层遮阳百叶垂下时，双层内循环玻璃幕墙综合传热系为 1.08 W/m2·K。冬季取计算太阳总辐射照度 0 W/m2·K 条件下，幕墙间层遮阳百叶合上时，双层内循环玻璃幕墙综合传热系为 0.94 W/m2·K。

TU50

A

1674-814X(2017)01-0058-05

2016-09-12

王庭阳，长期从事建筑环境物理性能分析、绿色建筑咨询、机电深化设计、BIM设计等工作内容。主要研究方向建筑环境物理性能、绿色建筑技术、被动式设计措施、门窗节能改造技术研究等。现任中国建筑上海设计研究院有限公司绿色建筑工程技术研究中心主任。作者通信地址：北京市宣武区广安门南街42号中建二局大厦，邮局：100054。