双层玻璃幕墙运行模式的模拟与实验研究

双层玻璃幕墙运行模式的模拟与实验研究
王志勇; 王俊; 卜晖
【期刊名称】《《建筑热能通风空调》》
【年(卷),期】2019(038)010
【总页数】5页(P19-22,52)
【关键词】双层玻璃幕墙; EnergyPlus; 自然通风; 数值模拟; 实验验证
【作者】王志勇; 王俊; 卜晖
【作者单位】湖南工业大学土木工程学院
【正文语种】中文
0 引言
双层玻璃幕墙DSF（Double Skin Façade），又称为双层通风幕墙、热通道幕墙等。

该幕墙由内外两层玻璃组成，中间留有一定宽度的热通道，可借助风压，热压或风机实现建筑的自然通风或机械通风[1]。

DSF的类型具体有外进外出，内进内入，外进内入，内进外出和封闭式5种形式。

Deuk-Woo Kim[2]等对DSF实验房进行实测和模拟研究，发现采用Energy Plus校准后的模型能够准确地预测幕墙空腔温度和DSF壁面温度。

王衍金[3]等对长沙某DSF实验房夏季外循环模式和冬季封闭模式下的模拟结果进行了验证，但并未对过渡季节的模拟结果进行验证。

本文以株洲某DSF实验房作为物理模型，采用能耗模拟软件Energy Plus 8.4对其在未遮阳情况下自然通风不同运行模式的温度和气流速度进行模拟，同时对
DSF热通道中的温度和气流速度进行实验测试和对比分析。

1 数值模拟
1.1 几何模型
Energy Plus是一个免费、开源、跨平台的建筑全能耗分析软件，目前最新版本为Energy Plus8.7.0[4]。

为便于指导建筑方案前期设计和工程实践，合理地选择DSF在夏热冬冷地区自然通风的运行策略，现基于Energy Plus8.4建立DSF建筑模型。

根据DSF实验房的实际尺寸建立1:1三维几何模型，模型尺寸为3400 mm×2000 mm×2800 mm（长×宽×高），房间的南侧墙体为双层玻璃幕墙（如图1所示）。

DSF热通道间距为400 mm，内外通风口尺寸为1700 mm×200 mm（宽×高），玻璃尺寸为1700 mm×2000 mm（宽×高），外窗为clear 8 mm的单层浮法玻璃，内窗为clear 6 mm+Air12 mm+clear 6 mm的双层中空low-e玻璃。

由于热工分区的划分对模拟结果影响较大[5]，为提高计算结果的准确性且同时减少计算时间，将DSF热通道区域在竖直方向划分为3个热工分区，将整个房间内部划为一个热工分区。

各材料的物性参数见表1。

图1 几何模型图
表1 物性参数
1.2 数学物理模型
考虑到热通道内部存在复杂的传热问题以及网格划分和边界设置的复杂性，采用气流网络模型（Airflow network model）模拟DSF的热工分区在风压和热压驱动下的自然通风过程。

该模型将每个热工分区视为一个节点（模型节点示意图如图2所示），并将其与室外节点对应，节点之间基于门、窗或渗透缝隙进行连接，建立气流网络“压力-气流”方程[6]。

两节点之间考虑热压和风压作用下的压差存在如下关系[7]：
式中：ΔP为两节点之间的压差，Pa；p1，p2为节点1和2的静压，Pa；V1，
V2为节点1和2处的空气流速，m/s；ρ为空气密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；z1，z2为节点1和2的高度，m；Pw为考虑风压作用下的压力项，Pa。

图2 节点示意图
1.3 模型参数
通过控制DSF内外上下四个通风口的启闭状态，可以实现五种不同的通风运行模式，如图3所示。

模式A为内进外出型，模式B为外进内入型，模式C为内进内入型（即常用的内循环模式），D为全闭模型，E为外进外出型（即常用的外循环模式）[8]。

在EnergyPlus中通过设置内外通风口的启闭状态来切换运行模式，五种通风模式的开口启闭情况见表2。

图3 通风模式
表2 通风口控制表备注：1表示打开，0表示关闭。

DSF室内无空调运行，为自然室温状态。

室外气象参数从Energy Plus官网下载
并修正为实验期间的室外条件，如图4所示。

DSF热通道内部存在复杂的对流传
热过程，因此对流传热算法的选择对计算结果有较大影响。

Energy Plus提供的6种外部对流传热计算模型中，经Klems和Yazdanian实验测试发现MoWiTT算
法更适用于计算低层建筑垂直光滑外表面的对流传热过程[9]。

由于DSF内表面自然对流换热过程主要由温差引起，选择TARP算法为内表面对流传热算法[10]。

模型其它主要参数设置见表3[11]。

图4 室外干球温度和太阳总辐射
表3 模型主要参数
1.4 模拟结果
幕墙热通道内空腔气流速度，空腔温度和房间室温模拟结果如图5～7所示。

五种运行模式的空腔气流速度均在日间太阳辐射最大时达到峰值。

其中模式A和模式
B空腔气流速度的峰值均大于其他模式。

相比处于夏季运行的模式E，过渡季节运行的模式A和模式DSF热通道内的“烟囱效应”明显，气流速度较快，峰值可达0.21 m/s。

模式C和模式D均未与室外大气相连，在室内气流无较大波动的情况下，热通道内的气流在上午10时至下午3时一直维持在0.05 m/s左右。

夏季太
阳总辐射量大，在上午8时开始，幕墙空腔温度急剧升高，在较短时间内趋于一致，产生的浮升力较小，速度峰值仅为0.11 m/s，从而使幕墙内积蓄的热量无法
及时排除，通过导热和辐射的方式传入室内。

从房间自然室温和空腔温度的模拟结果中可以看出，DSF在冬季表现出较好的保温性能，但对于夏季而言，还需要采
取遮阳措施或机械通风的方式来提高室内热舒适性。

2 实验测试
为验证上述模拟结果的可靠性，于2016年10月份至2017年7月份在株洲市某
双层玻璃幕墙实验房中对5种DSF运行模式开展实验测试。

实验期间的室外干球
温度和太阳总辐射如图4所示。

实验房热通道间距为400 mm，中间无遮阳百叶，室内空调关闭，为自然室温状态。

温度数据采用线式热电阻Pt100进行测量，空
腔内部流速采用风速变送器JK-V210测量。

实验采用彩色无纸记录仪每隔10 min 采集一次数据。

3 结果验证
验证过程是检验模型准确性的重要步骤，它决定了所建立的模型是否具有实用价值以及能否用于指导工程实践。

如图5至图7为模拟值与实测值对比结果。

对于模
型数据的验证采用文献[12-14]推荐的验证方法，从平均偏差MBE（Mean bias error），均方根误差RMSE（Root mean squared error）以及决定系数R2（Coefficient of determination）三个指标来分析模型在预测空腔温度、房间自然室温和气流速度时的准确性。

平均偏差表示模拟值偏离实测值的平均误差，绝对值越小代表模型越准确。

均方根误差用于衡量模拟值与实测值间的离散程度，值越
小表明模拟值越接近实测值。

决定系数又称判定系数或拟合优度，是指模拟值对实测值的解释程度，值越大表示模拟结果可信度越高，如R2=0.8，则说明有80%的模拟结果与实测结果吻合[15]。

计算公式如下：
平均偏差：
均方根误差：
决定系数：
式中：Si为i时刻模拟值，Mi为i时刻实测值，n为总测量点。

结果见表3。

有研究表明决定系数在75%以上即可认为模型预测的准确率达到要求，可用于指
导工程实践[16]。

从计算结果可以看出五种通风运行模式的拟合优度在80%及以上，模拟结果的可信度高。

其中模式E在空腔温度和房间温度预测方面表现出高
度的吻合，准确率最高达93%。

模式A在房间温度以及模式B在空腔温度上的模拟结果拟合优度最低，均为80%。

从均方根误差的值可以看出模式D和E在空腔温度预测上离散程度大，存在部分数据严重偏离实测值，而模式C的空腔温度和
房间室温模拟结果与实测结果的离散程度均较小。

在平均偏差的计算结果中正值结果占70%，说明模型在温度模拟结果上整体高于实测值，最小平均偏差为模式C
房间自然室温的预测结果为0.11，模式D空腔温度模拟结果的平均偏差最大，为1.98。

模型在气流速度方面的预测结果较差，模式C和模式D的拟合优度均在75%以下，结果可靠性低，且两者平均偏差均为负值，这两种模式的模拟结果均低于实测值。

模式A和模式B决定系数在0.8以上，说明其速度预测结果中有80%以上的数据与实测值吻合。

综合五种通风模式在温度和速度方面的预测结果，过渡季节和夏季的自然通风模式均表现出高度的可靠性，可用于指导工程实践。

图5 空腔温度对比图
图6 自然室温对比图
图7 空腔气流速度对比图
表3 结果验证
4 结论
本文对DSF模型在五种自然通风运行模式下的模拟结果进行实验验证，从平均偏差、均方根误差和决定系数三个指标分析了空腔气流速度、空腔温度以及自然室温的模拟结果。

实验验证的结果表明使用EnergyPlus建立的DSF模型模拟的结果在热通道温度和房间自然室温预测方面具有较高的可靠性，拟合优度达到80%以上。

在热通道气流速度预测方面，模式A和模式B以及模式E拟合优度在75%以上，可认为模拟结果与实测结果吻合度高。

参考文献
【相关文献】
[1]Gratia E,Herde A D.Optimal operation of a south double-skin
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[2]Kim D W,Park CS.Difficulties and limitations in performance simulation of a double skin facade with Energy Plus[J].Energy&Buildings,2011,43(12):3635-3645.
[3]Wang Y,Chen Y,Zhou J.Dynamic modeling of the ventilated double skin facade in hot summer and cold winter zone in China[J].Building&Environment,2016,106:365-377. [4]Crawley D B,Lawrie L K,Winkelmann F C,et al.Energy Plus:creating a new-generation building energy simulation program[J].Energy&Buildings,2001,33(4):319-331.
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