关于混合式通风幕墙设计的关键性技术研究

赵宝玉（上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司 ，上海 200040）

1 双层幕墙分类

双层幕墙又叫动态幕墙，可以分为 3 种，即外循环通风幕墙、内循环通风幕墙及混合式通风幕墙。

1.1 外循环通风幕墙

采用自然通风，结构上一般外层幕墙在层间设置通风口（开启窗或者通风百叶等），内层幕墙设置开启门或窗等。为了降低双层幕墙的传热系数 K，内层幕墙采用断热式结构。利用热压原理（烟囱效应）和温室效应，实现节能和自然通风的效果。按通风方式，主要分为整面式通风幕墙、通道式通风幕墙、箱式通风幕墙。

1.2 内循环通风幕墙

采用机械通风的建筑，为了实现其幕墙的节能要求，外层幕墙采用断热式结构。室内空气通过内层幕墙下方预留的通风口进入热通道，回流至吊顶位置的机械通风系统。在热通道中间设置有遮阳帘或者遮阳百叶，可以遮阳以及吸收一部分热量。

1.3 混合式通风幕墙

混合式通风幕墙为双层幕墙的一种，结合了外循环和内循环幕墙的优点，通常外层幕墙采用单片或者夹胶玻璃，内层幕墙采用中空玻璃。外层幕墙设置进风口以及出风口，同时在吊顶位置设置机械通风装置。热通道中的通风可以来自室内的空气，也可以来自室外新鲜空气。它是主要以外循环方式为主、内循环方式为辅的通风方式。

2 混合式通风幕墙设计

本文以混合式通风幕墙为研究对象。该建筑所处的地区为上海市市区，按混合式通风幕墙设计了幕墙大样图和节点图具体见图 1、图 2，同时进行了计算流体学（Computional Fluid Dynamics， CFD）模拟分析。

图1 混合式通风幕墙大样图（mm）

图2 混合式通风幕墙典型节点

2.1 混合式通风幕墙图纸设计

外层采用单元式玻璃幕墙，玻璃配置为 8 mm＋1.52 PVB＋8 mm 钢化夹胶玻璃；内层采用框架式玻璃幕墙，玻璃配置为 10 Low－E＋12 A＋10 mm 钢化中空玻璃。

外层玻璃幕墙层间设置通风防雨百叶，百叶后侧设计两层穿孔铝单板，由电机驱动，两层板交错时，即为关闭状态；两层板合并的时，即为通风状态。内层幕墙吊顶上方设计机械通风装置，当室内外温差或者压力差较小时，可以采用机械通风。另在双层幕墙中间设置遮阳帘，夏季时，遮阳帘可以吸收太阳能，降低空调能耗；冬季时，遮阳帘可以存储热量。

2.2 工况分析

工况分析详见表 1 。

表1 不同季节工况分析表

3 混合式通风幕墙的 CFD 模拟

为了验证不同季节工况模拟的正确性，采用 CFD 进行模拟分析。依据大样图进行建模，通过建立与实际尺寸一样大小的物理模型，建立了 230 万网格，采用 Realizable k-（可实现的湍流） 模型，并结合 DO radiation model（辐射传热模型）和 solar ray tracing（太阳辐射强度）模型，采用压力速度求解方法进行求解。

Realizable k- 模型的控制方程如式（1）所示。

式中： ρ — 流体密度，kg/m³；

t — 时间，s；

U — 速度矢量，m/s；

∅ — 变量，当 ∅ 取不同值时，可分别表示质量守恒、动量守恒和能量守恒方程；

τ∅— 变量 ∅ 的扩散系数；

S∅— 变量 ∅ 的源项。

从而获得了夏季和冬季工况下的模拟结果。通过对模拟结果的分析可以获得结论如下所示。

3.1 夏季模拟结果

(1) 在夏季工况和本文的模拟条件下，当遮阳帘吸收系数为 0.9 时，空气层平均温度为 309.61 K，遮阳帘平均温度为 316.21 K，遮阳帘的温度大于各玻璃表面温度，即遮阳帘吸收太阳辐射后温度升高。

(2) 在夏季工况和本文的模拟条件下，当遮阳帘吸收系数为 0.9 时，进（出）口风速约为 0.157 m/s，玻璃幕墙内外空气在自然对流条件下进行了热质传递，通过改变进出口的尺寸，可以调节玻璃幕墙内部的热量传递总量。其他遮阳帘吸收系数条件下同样适用。不同部件模拟值见表 2。

表2 不同部件模拟值

由表 2 可知，夏季室外平均温度 307.59 K，即 34 ℃；室内为 300.98 K，即 26.5℃。由此可见加设遮阳帘可以大大降低室内温度。

(3) 在夏季工况和本文的模拟条件下，随着遮阳帘吸收系数的增加，空气层平均温度相应增加，且基本呈线性关系，详见图 3。由此可见，为了节约能源，遮阳帘应采用吸收系数较低的材料制作。

图3 空气层温度随遮阳帘吸收率变化图

3.2 冬季模拟结果

计算条件如下。

(1) 上海冬季室外计算温度为 -2.2 ℃，室内设计温度为 20 ℃。

(2) 直接正常太阳辐射（在地球表面）：1 311.36 W/m2。

(3) 漫射太阳辐射（垂直表面）：70.16 W/m2。

(4) 漫射太阳辐射（水平表面）：77.20W /m2。

(5) 地面反射太阳辐射（垂直表面）：83.80 W /m2。其他设计参数与夏季保持一样。

在冬季工况和本文的模拟条件下，遮阳帘可以吸收太阳辐射，提高玻璃幕墙内部的温度，减少室内外的传热。

计算结果如下所示。假设遮阳帘的吸收系数为 0 时，可以获得通过内侧玻璃内表面的热流密度为 30.84W/m2，而当遮阳帘的吸收系数为 0.9 时，通过内侧玻璃内表面的热流密度为 29.98 W/m2。遮阳帘的节能率为（30.84－29.98）÷29.84×100%=2.87%。由此可见，加设遮阳帘后，在冬季可以节约能耗 2.87%。

4 结 语

在夏季，由于阳光的照射，热通道的空气层温度很高。打开通道上下端进、出风口，在热压作用（烟囱效应）下通道内形成热气流将热量带到室外（机械通风则通过室内吊顶里面的热排风管道进入楼宇通风系统），从而降低了内层幕墙的外表面温度，减少空调负荷，节约能源。

在冬季，两层幕墙中间的空气在阳光的照射下，温室效应使其温度升高，相应地提高了内侧幕墙的外表面温度，从而减少建筑物采暖运行的费用。

综上所述，采用混合式通风幕墙，无论冬季还是夏季，均能通过幕墙上设置的开启窗、遮阳帘以及机械通风装置提高室内的舒适度，从而减少能源消耗。