内呼吸玻璃幕墙综合传热系数CFD模拟计算

技术交流内呼吸玻璃幕墙综合
传热系数C FD模拟计算
中国建筑科学研究院空气调节研究所　朱清宇☆　杜国付　邹　瑜摘要　采用CFD模拟分析了内呼吸玻璃幕墙的传热现象,比较了不同通风量以及不同幕墙宽度条件下内呼吸幕墙的综合传热系数以及百叶不同位置的遮阳效果,指出与增大通风量及幕墙宽度的方案相比,采取有效遮阳措施的内呼吸幕墙,减少围护结构热损失的效果更显著。

关键词　双层幕墙　CFD　综合传热系数　辐射
CFD si m ul a ti o n o n c o m p l e x h e a t tr a nsf e r c o effi c i e nt
of a m e c h a ni c a ll y v e ntil a t e d a irfl o w wi n d o w
By Z hu Qingyu★,Du G uofu and Zou Y u
Abst r a ct　Simulates and analyses t he heat t ra nsf er of a mechanical ve ntilated airflow window(A FW) using C FD met p ares t he complex heat t ransf er coefficie nt at diff erent ve ntilation rate and diff erent geomet ric p ara meters of an A FW and t he shading eff ect of blind wit h diff ere nt a ngles of t he louvre.Points out t hat adop ting eff ective shading f acility is more obvious in raising e nergy saving efficie ncy t ha n increasing t he ve ntilation rate or changing t he geomet ric p ara meters of an A FW.
Keywor ds　double2skin f acade,C FD,complex heat t ransf er coefficient,radiation ★China Aca demy of Building Res earch,Institute of Air Conditioning,Beijing,China
0　引言
内呼吸玻璃幕墙是双层通风幕墙[1～2]的一种,其基本特征是在幕墙上部设置排风机,从底部的进风口引入室内回风,在幕墙内产生由下向上的空气流动,通过热交换,从上部排风口排出热量,同时在幕墙内设置百叶,减少太阳辐射热的影响,降低围护结构的热损失,提高节能效果。

采用双层通风幕墙的最直接效果是节能,同时也可以提高室内的热舒适度和空气品质,其隔声效果十分显著。

国内外研究人员针对双层幕墙技术较复杂的特点,通过风洞试验和数值模拟计算方法进行了大量的研究。

李鹏等人利用风洞试验分析研究了双层幕墙的通风效果,提出了双层通风幕墙建筑通风换气时间的计算方法[3]。

Wojtek等人通过建立平衡方程,研究分析了幕墙内由于温差产生的浮力效果和压差产生的风压效果,提出了包括双层幕墙及其建筑物和空调系统在内的一维数学模型[4]。

S1A1Howell等人利用CFD和实验手段验证了幕墙内的置换通风效果,通过耦合辐射和对流的CFD模拟计算,详细研究了辐射效果[5]。

其辐射模型是DO辐射模型(discrete2ordinates radiation model)[6]。

Dirk Saelens等人研究分析了不同类型双层通风幕墙围护结构的冷热负荷,比较了外遮阳的节能效果[7]。

评价双层通风幕墙节能效果的最直接参数指标是其综合传热系数,但以上研究成果没有提供该参数,而在实际设计双层通风幕墙
☆朱清宇,男,1967年9月生,工学博士,工程师
100013北京市北三环东路30号
(010)842722332332
E2mail:ssendai@hot
收稿日期:20050321
修回日期:20050408
时,恰恰需要掌握综合传热系数才能进行建筑负荷评估和工程设计。

采用双层通风幕墙时,如果增加
幕墙宽度会使建筑面积减少。

由外墙皮开始计算建筑面积,建筑面积要损失215%～315%。

本文以某内呼吸玻璃幕墙工程实例为研究对象,建立了物理模型,通过CFD 数值模拟,计算了不同工况下的综合传热系数,详细分析了幕墙内的风速、幕墙宽度以及遮阳百叶位置对减少围护结构热损失的影响。

1　内呼吸玻璃幕墙的CFD 解析1.1　内呼吸玻璃幕墙
图1为内呼吸玻璃幕墙的结构示意图。

外幕
图1　内呼吸玻璃幕墙
墙密闭,采用Low 2E 中空玻璃(厚28mm ),明框幕墙的铝型材采用断热铝型材;内幕墙则采用8mm 厚的单层玻璃幕墙,可以开闭。

为减少太阳得热的影响,在幕墙内设铝合金电动百叶。

1.2　CFD 模型
采用精度高的Abe 2Nagano 低Re 数K 2ε湍流模型[8]和Boussinesq 假设。

如图2所示,幕墙内传热现象的模拟分析包括CFD
的流体计算和传
图2　内呼吸玻璃幕墙的传热现象
导、对流及辐射传热计算,同时考虑了玻璃的太阳得热的影响[9]。

在进行这些传热计算时,保持各个壁面的热平衡,壁面处的热量流入为正,流出为负。

Q cv +Q r +Q cd +Q g =0
(1)
式中　Q cv 为对流热量;Q r 为辐射热量;Q cd 为导热
量;Q g 为源项(太阳得热等)。

玻璃的导热按一维导热计算。

在计算室内侧和室外侧的对流及辐射传热时,采用了综合传热系数α来评价在外壁面和内壁面的辐射及对流换热现象,即Q cd ,i =αi (t w ,i -t i )或Q cd ,o =αo (t o -t w ,o ),其中t w 为壁面温度,下标i 表示室内侧,o 表示室外侧。

在计算辐射热时,假设固体表面为漫灰表面,进风口和排风口为黑体。

考虑水蒸气的影响[10]和百叶的遮挡以及百叶之间的辐射,采用D TM 方法(discrete t ransfer met hod )进行辐射计算[11]。

1.3　内呼吸玻璃幕墙的综合传热系数U
由于幕墙内存在空气流动,当空气流速加快时,幕墙内壁面的表面传热系数加大,排风带走的热量也加大,夏季传入室内热量将减小,冬季流出室外热量也将变小,从而达到降低围护结构热损失的目的。

内呼吸玻璃幕墙的综合传热系数U 按下式计算
U =
Q
t o -t i
(2)Q =αi (t w ,i -t i )
(3)
式中　Q 为传入或流出室内的热流量。

1.4　计算条件
幕墙的宽度分别为130和200mm ,当宽度为130mm 时,改变幕墙内的通风量,研究分析通风
量对降低围护结构热损失的效果;改变遮阳百叶的
角度及在幕墙内的位置(见图3),分析在幕墙内设置遮阳百叶的效果。

计算工况见表1。

表1　计算工况
工况幕墙宽度/mm
进风口风速/(m/s )
遮阳百叶
位置角度/(°
)11300.28A 21300.28B 9031300.28C 9041300.28D 4551300.28E 45
61300.56A 7
130 1.12A 8
200
0.56
A
图3　玻璃幕墙内的遮阳百叶位置
计算网格数为165000,对流项差分为上风二次
精度。

室内侧玻璃表面综合传热系数αi 冬夏季取同样值810W/(m 2・℃);室外表面综合传热系数αo 冬季为2310W/(m 2・℃
),夏季为1910W/(m 2・℃
)[12]。

计算温度分为夏季和冬季工况,夏季室内温度为25℃,室外温度为3312℃;冬季室内温度为22℃,室外温度为-12℃。

相对湿度50%,水蒸气
的发射率ε为0117[10]。

太阳直射辐射照度为789W/m 2,太阳高度角为60°。

铝合金百叶的发射率ε为0105。

幕墙玻璃的性能参数见表2。

表2　幕墙玻璃的性能参数
玻璃类型
玻璃传热系数/
(W/(m 2・℃))太阳辐射
夏季冬季
透射率/%反射率/%吸收率/%
Low 2E 中空
1.87 1.6748
2230单层
5.37
5.14
79
8
13
2　CFD 计算结果2.1　速度分布
玻璃壁面温度高于幕墙内空气温度时,在幕墙内的玻璃表面形成向上气流。

本文只显示了夏季工况的内幕墙玻璃表面风速的垂直分布,如图4所示。

受进出口风速的影响,
内幕墙玻璃表面的底部
图4　内幕墙玻璃表面风速的垂直分布
(夏季工况,太阳辐射)
和顶部的风速变化较大,中部趋于平稳。

当无遮阳百叶时(图3a ),工况1(通风量2782m 3/h ,平均风速为011m/s )的内幕墙玻璃表面平均风速约为0101m/s ;工况6的内幕墙玻璃表面平均风速约为0104m/s ;工况7的内幕墙玻璃表面平均风速约为0110m/s 。

当幕墙内通风量不变,遮阳百叶全闭
时,内幕墙玻璃表面平均风速增大,分别为工况2
的0105m/s 和工况3的0102m/s ;遮阳百叶开启45°
(工况2)时,受遮阳百叶的影响,玻璃表面平均风速变动幅度大。

如图5所示,百叶靠近内幕墙侧(图3d ),受百叶的诱引,百叶间的风速变大,在内幕墙玻璃表面形成向下气流。

图5　幕墙内风速分布
(工况4,y =3m ,夏季工况,太阳辐射)
2.2　温度分布
如图6所示,夏季工况
,当无遮阳百叶并受到
图6　幕墙内温度分布
(夏季工况,太阳辐射,t i =25℃,t o =3312℃)
太阳辐射时,幕墙内的空气温度约为35℃,而当设置百叶时,幕墙内空气温度显著降低。

外幕墙玻璃温度可达46℃左右。

内幕墙玻璃的幕墙侧和室内侧表面温度的垂直分布如图7所示。

当无遮阳百叶(图3a )时,工况1(幕墙内平均风速为011m/s )的内幕墙侧玻璃表面平均温度(t w ,d )为32℃,室内侧玻璃表面平均温度(t w ,i )为28195℃。

通风量增大为工况1的2倍(工况6)和4倍(工况7)时,内
图7　内幕墙玻璃表面温度的垂直分布(条件同图6)
幕墙玻璃表面温度平均降低2～3℃。

当幕墙内通风量不变,幕墙宽度由130mm 增大为200mm (工况6和工况8)时,其内幕墙玻璃表面温度基本相同。

与工况1相比,幕墙内通风量不变(工况2,3,4,5),设置遮阳百叶时,内幕墙玻璃表面平均温度
(t w ,d )降低4～5℃,室内侧玻璃表面温度(t w ,i )降
低2℃。

当遮阳百叶位置变化时,内幕墙侧玻璃表
面温度(t w ,d )相差2～3℃(图7a ,表4);室内侧玻璃表面平均温度(t w ,i )基本相同(图7b ,表4)。

2.3　内呼吸玻璃幕墙综合传热系数
内呼吸玻璃幕墙综合传热系数计算结果见表4。

图8是不同工况下的综合传热系数计算结果。

2.3.1　幕墙内通风量的影响
夏季工况,幕墙宽度为130mm 、无遮阳百叶时,无论是否受到太阳辐射,内呼吸玻璃幕墙的综合传热系数都随幕墙内的通风量增大而减小。

工况1的通风量为2782m 3/h 。

这是因为随着通风量的增大,幕墙内玻璃表面的对流换热增强,通风所带走的热量也增加,所以传入室内的热量减少。

冬季工况,随着幕墙内的通风量增大,减少了传出室外的热损失,内呼吸玻璃幕墙的综合传热系数同样变小(工况1,6,7)。

当幕墙内通风量不变,幕墙宽度由130mm 增大为200mm (工况6和工况8)时,其综合传热系数基本相同(见表4)。

表4　内呼吸玻璃幕墙热工计算结果
工况幕墙内通风量
幕墙内平均风速/(m/s )
玻璃表面温度t w ,i /℃
温差/℃综合传热系数U /(W/(m 2・℃
))/(m 3
/h )
夏季冬季夏季冬季夏季冬季有无无
有无无
有无无127820.1028.9525.27
20.98
3.950.27
1.02
3.850.26
0.24
227820.1026.06 1.06 1.03327820.1026.05 1.05 1.03427820.1026.47 1.47 1.44527820.1026.11 1.11 1.08655640.2028.1925.1921.29 3.190.190.71 3.110.190.177111280.4027.7225.1221.57 2.720.120.43 2.650.120.10
8
5564
0.14
28.24
3.24
3.16
　注:有表示有太阳辐射,
无表示没有太阳辐射。

图8　不同工况下的综合传热系数
2.3.2　太阳辐射的影响
夏季工况,受太阳辐射的影响,工况1(幕墙内
平均风速为011m/s )的综合传热系数为3185W/(m 2・℃)。

在相同通风量的条件下,幕墙内设置
遮阳百叶,百叶全闭时,综合传热系数降低70%,
为1103W/(m 2・℃
)(工况2,3);百叶靠近外幕墙侧与靠近内幕墙侧相比,综合传热系数基本不变。

当百叶开启45°,靠近内幕墙侧时,由于受百叶间辐射的影响,内幕墙玻璃的辐射得热增加,内幕墙侧玻璃表面温度上升,传入室内热量增加,综合传
热系数增加到1144W/(m 2・℃
)(工况4);百叶靠近外幕墙侧时,综合传热系数为1108W/(m 2・
℃
)(工况5)。

无太阳辐射时,工况1的综合传热系数为0126W/(m 2・℃
)。

该值与采取外遮阳方式时的综合传热系数相同,与无遮阳措施相比综合传热系数可以降低约90%;与在幕墙内设置遮阳百叶相比,综合传热系数可以降低约70%。

2.4　内呼吸玻璃幕墙的节能效果和热舒适性
若外窗只采用Low2E中空玻璃,其综合传热系数夏季工况为1140W/(m2・℃),冬季工况为1130W/(m2・℃)。

而采用内呼吸玻璃幕墙,墙内平均风速为011m/s,在冬季工况时可以降低围护结构80%的热损失;在夏季工况,采用外遮阳时可以减少围护结构80%得热;在靠近外幕墙侧设置遮阳百叶,可以减少围护结构20%得热,而在内幕墙侧设置遮阳百叶,如果百叶开启,减少围护结构得热的效果不明显。

当内呼吸玻璃幕墙墙内平均风速为011m/s、无遮阳、夏季工况时,内幕墙玻璃吸收太阳辐射而温度升高,室内侧玻璃表面温度与室内温差约为4℃。

在幕墙内设置遮阳百叶,温差降为1℃;采用外遮阳时温差降为013℃。

冬季工况的温差约为1℃。

内呼吸玻璃幕墙可以降低玻璃的冷热辐射,提高室内热舒适度。

3　结论
3.1　内呼吸玻璃幕墙的传热系数随幕墙内通风量的增加而减小,并受太阳辐射的影响较大。

在靠近外幕墙侧设置遮阳百叶时,对减少围护结构热损失的效果较好;而采用外遮阳时,效果最佳。

3.2　与增加幕墙宽度方案相比,当幕墙宽度为130mm时,如果采用遮阳措施,同时适当提高幕墙内的通风量则既可满足减少围护结构热损失的要求,又可以增加建筑使用面积。

3.3　内呼吸玻璃幕墙系统可以降低或提高内幕墙室内侧玻璃表面温度,减少玻璃表面冷热辐射,达到提高室内热舒适度的目的。

3.4　内呼吸玻璃幕墙系统可以减少围护结构的热损失,但因为采取了机械通风方式,所以其节能效果应该综合考虑。

同时应计算室外和排风口的空气焓值,分析排风再利用的可能性,提高综合节能效果。

本文仅讨论了内呼吸玻璃幕墙的综合传热系数的CFD计算方法,而呼吸玻璃幕墙的结构形式复杂多样,需要通过实验和CFD模拟技术详细分析不同类型的呼吸幕墙的传热特点,建立呼吸幕墙的综合传热系数的数据库,以便于呼吸幕墙在实际工程中的推广和应用。

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(上接第129页)
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