雙層玻璃幕墻自然對流換熱的數值模擬江蘇經貿職業技術學院馬騫徐建峰宋保銀摘要簡要介紹了雙層玻璃幕墻的節能原理，建立了雙層幕墻空氣腔內的流體力學和傳熱學二維穩態數學模型，用數值計算的方法得出空氣腔內的溫度分布和速度分布。結果可以看出，幕墻的散熱效果與遮陽板的位置有一定關系，遮陽板越靠近外層幕墻，其散熱效果越明顯。關鍵詞雙層玻璃幕墻自然對流數值模擬1概述建筑幕墻作為建筑的外圍護結構，其熱工性能直接影響建筑能耗。現在廣泛使用的單層玻璃幕墻，雖然逐漸采用熱反射鍍膜玻璃、中空玻璃、斷熱型材等其它節能材料，在熱工性能方面比過去的門窗有所改善，但仍然存在能耗較大的問題。最近幾年發展的雙層玻璃幕墻以其科學的結構、完善的功能、先進的設計理念，充分利用太陽能、自然通風換氣，降低空調能耗，減少風及惡劣氣候的影響，營造舒適溫馨的生活和工作環境等優點，越來越受到建筑師和投資者的青睞。1.1雙層玻璃幕墻的組成雙層玻璃幕墻是由內、外兩層玻璃幕墻組成，兩層幕墻中間要形成一個通道，同時外層幕墻設置進風口和出風口。外層幕墻一般是厚度為12mm或15mm左右的固定玻璃，不能自由打開。內層幕墻是由兩個玻璃薄層夾著一層空氣薄層，所以可以說雙層玻璃幕墻結構其實包含著三層玻璃［1，2］。內層幕墻可以是窗戶，也可以是玻璃門，因此是可以打開的。兩層幕墻間的中層空間寬度沒有嚴格限制，可以在0.2m?1.4m范圍內變化。里面的空氣以自然對流為主。同時由于中層空間的存在，因而雙層玻璃幕墻能提供一個保護空間以安置遮陽設施（如活動式百葉、固定式百葉或價格昂貴的陽光控制構件）。已有的實驗數據資料證明，在雙層墓墻間設置的遮陽百葉比普通建筑使用的內置百葉具有更佳的遮陽效果。1.2雙層幕墻的節能原理雙層幕墻的節能是指幕墻在夏季利用遮陽板吸熱產生空氣自然對流，通過通風換氣將太陽輻射能帶到室外，從而降低室內溫度；在冬季（尤其是夜晚）形成多重隔熱，提高保溫效果，降低取暖能耗。雙層幕墻在夏季的陽光照射下，遮陽板因吸熱溫度升高，幕墻通道中的空氣被加熱，使空氣自下而上地流動，從而帶走通道中的熱空氣，達到降低房間溫度的作用。在冬季，則可關閉外層幕墻的通風口，這樣幕墻內部的空氣在陽光照射下溫度升高，減少室內和室外的溫度差，同時起到房間保溫功效，降低房間取暖費用。2雙層玻璃幕墻空氣腔內自然對流數學模型的建立2.1控制方程的建立由于雙重玻璃空氣腔的寬度和高度都只有幾米，而在長度方向則達幾十米甚至上百米，故考慮為二維模型，如圖1所示。圖中x一沿雙層幕墻寬度方向坐標；j——沿雙層幕墻高度方向坐標。空氣腔內空氣的自然對流是在重力場的作用下由于密度差引起的浮升力產生的，在此引入Boussinesq假設，根據文獻［3］可做3方面簡化：（1）由于自然對流的速度比較低，因此能量方程式中的粘性耗

散項和壓縮功可忽略不計；（2）空氣的物性參數除密度外，其余都作為常數考慮；（3）對密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度亦作為常數處理。此外，略去雙層幕墻與外界及壁面間由于溫度差而引起的長波輻射；雙重玻璃幕墻內層玻璃空氣夾層比較薄，故可作為導熱考慮。其二維穩態方程為TOC\o"1-5"\h\z,,, 8, 、 8,、八（1）質量連續性方程：寸（P"）+丁（PW=。8x 8y（2）動量方程:x方向：g(P"")+E(PM)=1(目%+?(目%-堡ex 8y ex exay ayex8 8 8 8v 8 8v 8py方向：-(P"v)+-(pvv)=—(日^)+-(日〒)-普-Pg8x 8y 8x 8x 8y 8y 8y8 8 8 人8T 8 人8T（3）能量方程:\o"CurrentDocument"—(PuT)+—(PvT)=—( )+—( )+S（3）能量方程:8x 8y 8x Cp8x 8y Cp8y（4）理想氣體狀態方程：p=PRT以上方程中：u，v為x，y方向空氣速度（m/s）；p為空氣壓力（Pa）；T為空氣溫度（K）；p為空氣密度（kg/m）；?為空氣動力粘度（Kg/m-s）；g為重力加速度（9.8m/s2）；X為導熱系數（W/mK）；R為空氣的氣體常數，287J/（kg?K）；Sh為源項，對空氣為零，對玻璃和遮陽板區域分別與它們各自吸收的太陽輻射能有關。OuLuuiOuLuui圖1雙層玻璃幕墻二維模型示意圖具體分析如下：①外層玻璃吸收的太陽輻射能的計算：當太陽光直射于雙層幕墻建筑物時，首先穿過外層玻璃，同時在外層玻璃發生反射和衰減（吸收）透過外層玻璃的太陽光隨后作用于中層空間的鋁制遮陽板上，一部分被遮陽板吸收，一部分又被反射回去，另一部分會透過遮陽板，被雙層壁的內層玻璃所吸收，這與遮陽板開口角度有關，當遮陽板完全垂下時，太陽光的滲過量為零（本文就采用這樣的情況），即在遮陽板上只有反射與吸收。被遮陽板反射的太陽光又重新作用于外層玻璃，部分太陽輻射能又被外層玻璃吸收。因此被外層玻璃所吸收的太陽輻射量由這兩部分疊加而成。空氣對太陽光的反射和吸收很小，可以忽略，而認為空氣是透明體，如圖2所示。采用內節點法，

）。②遮陽板吸收的太陽輻射能可由節點i所吸收的太陽輻射能為：§=（F+._1-F.+）+（F.——F-._）。②遮陽板吸收的太陽輻射能可由下式得到：Qb=%nd-T"F。.Ablmd。以上各式中：F+為外層玻璃內某一位置的太陽輻射強度（W/m2）；F-為外層玻璃內某一位置被遮陽板反射回的太陽輻射強度（W/m2）；a初湖為遮陽板的吸收率；Toutgi為雙層幕墻外壁的透射率；Fo為太陽輻射強度（W/m2）；Abl.nd——遮陽板面積（m2）。（F+和F-的計算參見文獻［6］）室外, y=5bF-,i-1 i,i外層玻璃,國 ,F十 y=0中層空間圖2太陽輻射在外層玻璃的衰減2.2邊界條件的處理方法（1） 入口邊界（雙層幕墻空腔底部）上的速度、壓力和溫度通過集總參數法來計算，即考慮能量平衡（遮陽板吸收的太陽輻射量等于空腔內對流換熱量）和壓力平衡（空氣流過雙層幕墻空腔的壓力損失等于熱壓差與風壓差之和）。（2） 固體壁面上的速度u=v=0,內、外層幕墻（玻璃）的傳熱考慮第三類邊界條件，即已知室外和室內的溫度以及外層玻璃和內層玻璃表面的對流換熱系數。圖3出口邊界（3）出口邊界［4］,［5］是最難處理的邊界條件。由于計算正是想知道出口截面的信息（而在計算之前是未知的），可假定出口截面上的節點對第一個內節點已無影響，即令邊界節點對內節點的影響系數為零，如圖3所示，與出口邊界上N點相鄰接的第一個內節點P與N之間的關系是通過P點的系數aN來規定的。因為N在P的下游，N對P的影響可以忽略。這種處理的物理實質相當于假定出口截面上流動方向的坐標是局部單向的，這個局部單向化的假定導致aN=0.這樣出口截面上的信息對內部節點的計算就不起作用，也就無須知道出口截面上的值了。2.3數值求解方法考慮編程上的方便，動量方程和能量方程寫成通用形式：[3]8 8 8 8了（P"們+—（P討）=—（「°〒）+云（「°云）+Se

8x 8y 8x e8x 8y e8y e這里①是通用變量，七與S。是與①相對應的廣義擴散系數及廣義源項。對動量方程，把浮升力項（包括壓力梯度項）暫且放到源項S⑦中去。計算區域的離散采用內節點法，網格劃分采用均分網格，且為交錯網格，即速度u、v及壓力p（還包括T和其它標量場及物性參數）分別存儲于三套不同的網格系統中。采用控制容積積分方法對方程進行離散，對控制方程組中的非常數源項采用局部線性化的處理方法，對離散后的代數方程采用SIMPLER算法進行迭代求解。3數值計算結果分析取雙層幕墻中層空間寬度50cm，高度3m，單位長度吸氣、排氣口面積A=0.15m2/m，單位長度鋁制遮陽板面積A切湖=3m2。幕墻外壁為厚度15mm強化玻璃，表面換熱系數a^=8.233W/m2?K；內壁為中空玻璃（兩層玻璃，每層厚度6mm，空氣夾層厚度10mm），表面換熱系數an=20W/m2?K。外界空氣溫度Tout=30°C，室內氣溫Tin=26°C，遮陽板吸收率a初湖=0.48，外層玻璃透過率t。憫=0.709,無風時風壓力差^pw湖=0Pa，太陽輻射強度取尸0=700W/m2。根據上述條件通過集總參數法算出空氣腔底部空氣速度為0.13m/s，壓力取0.1MPa，并以此作為入口邊界條件進行計算。W-CL。 02 g gX如｝圖4空氣腔出口的溫度分布（1）圖4給出了0.5m中層空間、遮陽板位于空腔中間的出口溫度分布。從圖中可以看出，沿水平方向，溫度上升兩次：第一次是因為外層玻璃吸收了部分太陽輻射能，以此作為內熱源不斷地給玻璃加熱，使外層玻璃的溫度沿水平方向逐漸上升；第二次因為遮陽板外表面吸收了約35%的太陽輻射能，所以在遮陽板外表面溫度迅速上升，它是整個中層空間溫度最高的部分，最高溫度為96.2C。而鋁制遮陽板導熱系數比較大，加上厚度較小，因此遮陽板中溫度變化很小，基本保持不變，如圖中最高的水平線所示。此外，在外層玻璃內表面和遮陽板兩側的空氣溫度梯度比較大，尤其在遮陽板表面，在一個很小薄層內，溫度由最大值迅速降至30C的來流溫度，這一薄層就是熱附面層。附面層外，空氣溫度接近來流溫度，基本保持不變，空氣腔內的對流換熱主要集中在外層玻璃和遮陽板處。

1.Q圖5空氣腔出口的速度分布（2）圖5給出了雙層幕墻內出口剖面速度分布。可以看出，空腔內速度的上升與這一區域的溫度有關，在外壁和遮陽板周圍，空氣溫度比較高，相應的密度就低，此時浮升力也越大，浮力是推動空氣向上流動的重要動力，因此空氣的流速就高。在玻璃和遮陽板周圍的很小薄層內，空氣的速度梯度比較大，這一薄層就使速度附面層。在速度附面層內，由于遮陽板外側空氣溫度高于內側空氣溫度，故外側速度高于內側速度。圖6遮陽板位于不同位置的y方向溫度分布（3） 圖6給出了0.5m中層空間，遮陽板在不同位置的j方向溫度的分布。7刀為某一高度空氣數值計算溫度的平均值。由圖可見，空腔內空氣溫度隨高度的上升，增加了它與室外溫度的差值，也就增加了它向室內和外界環境的散熱量，從而限制了空腔內溫度的上升速率。同時正是由于上下的溫差造成密度變化，使空氣產生自然流動的。同時還可以看出，遮陽板越靠近外層玻璃，空腔內的溫度越高，散熱效果也會越明顯。（4） 圖7和圖8給出了遮陽板位于空氣腔中間時，1m、2m、3m高度處剖面的溫度分布。可以看出，在熱附面層內，隨著高度的增加，空氣的溫度也增加了，這是由于遮陽板表面吸收的太陽輻射能而

圖8頂端局部放大不斷地給空氣加熱。圖圖8頂端局部放大不斷地給空氣加熱。圖7空氣腔中間不同高度剖面的溫度分布4結論（1） 從數值分析的結果可以看出，雙重玻璃幕墻的散熱效果與遮陽板的位置有一定關系，遮陽板越靠近外層玻璃，其散熱效果越明顯，其結構也越合理。（2） 雙層幕墻空氣腔內溫度分布均勻，在外側玻璃和遮陽板面處形成明顯的溫度梯度，說明通道的對流換熱主要集中在外側玻璃面和遮陽板面。（3） 正是由于空腔內空氣的溫度隨高度升高，造成空氣密度變小，空氣自然上升，形成自然對流換熱，并帶走通道中的熱量。參考文獻：[1]張桂先，陳立東，丁鷗.CFD流體模型在雙層換氣幕墻傳熱分析中的應用.工程建設與設計，2002.1⑵Oesterle，Lieb，Lutz.Double-SkinFacades.PrestelVerlag,MunichLondon,NewYouk.2001陶文銓.數值傳熱學.西安：西安交通