雙層玻璃幕墻自然對(duì)流換熱的數(shù)值模擬

雙層玻璃幕墻自然對(duì)流換熱的數(shù)值模擬江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院馬騫徐建峰宋保銀摘要簡(jiǎn)要介紹了雙層玻璃幕墻的節(jié)能原理，建立了雙層幕墻空氣腔內(nèi)的流體力學(xué)和傳熱學(xué)二維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用數(shù)值計(jì)算的方法得出空氣腔內(nèi)的溫度分布和速度分布。結(jié)果可以看出，幕墻的散熱效果與遮陽(yáng)板的位置有一定關(guān)系，遮陽(yáng)板越靠近外層幕墻，其散熱效果越明顯。關(guān)鍵詞雙層玻璃幕墻自然對(duì)流數(shù)值模擬1概述建筑幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其熱工性能直接影響建筑能耗?，F(xiàn)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(jié)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(fā)展的雙層玻璃幕墻以其科學(xué)的結(jié)構(gòu)、完善的功能、先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，充分利用太陽(yáng)能、自然通風(fēng)換氣，降低空調(diào)能耗，減少風(fēng)及惡劣氣候的影響，營(yíng)造舒適溫馨的生活和工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，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(nèi)、外兩層玻璃幕墻組成，兩層幕墻中間要形成一個(gè)通道，同時(shí)外層幕墻設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)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(nèi)層幕墻是由兩個(gè)玻璃薄層夾著一層空氣薄層，所以可以說雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)其實(shí)包含著三層玻璃［1，2］。內(nèi)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(yán)格限制，可以在0.2m?1.4m范圍內(nèi)變化。里面的空氣以自然對(duì)流為主。同時(shí)由于中層空間的存在，因而雙層玻璃幕墻能提供一個(gè)保護(hù)空間以安置遮陽(yáng)設(shè)施（如活動(dòng)式百葉、固定式百葉或價(jià)格昂貴的陽(yáng)光控制構(gòu)件）。已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料證明，在雙層墓墻間設(shè)置的遮陽(yáng)百葉比普通建筑使用的內(nèi)置百葉具有更佳的遮陽(yáng)效果。1.2雙層幕墻的節(jié)能原理雙層幕墻的節(jié)能是指幕墻在夏季利用遮陽(yáng)板吸熱產(chǎn)生空氣自然對(duì)流，通過通風(fēng)換氣將太陽(yáng)輻射能帶到室外，從而降低室內(nèi)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(yáng)光照射下，遮陽(yáng)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(dòng)，從而帶走通道中的熱空氣，達(dá)到降低房間溫度的作用。在冬季，則可關(guān)閉外層幕墻的通風(fēng)口，這樣幕墻內(nèi)部的空氣在陽(yáng)光照射下溫度升高，減少室內(nèi)和室外的溫度差，同時(shí)起到房間保溫功效，降低房間取暖費(fèi)用。2雙層玻璃幕墻空氣腔內(nèi)自然對(duì)流數(shù)學(xué)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(zhǎng)度方向則達(dá)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(biāo)；j——沿雙層幕墻高度方向坐標(biāo)。空氣腔內(nèi)空氣的自然對(duì)流是在重力場(chǎng)的作用下由于密度差引起的浮升力產(chǎn)生的，在此引入Boussinesq假設(shè)，根據(jù)文獻(xiàn)［3］可做3方面簡(jiǎn)化：（1）由于自然對(duì)流的速度比較低，因此能量方程式中的粘性耗

散項(xiàng)和壓縮功可忽略不計(jì)；（2）空氣的物性參數(shù)除密度外，其余都作為常數(shù)考慮；（3）對(duì)密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密度亦作為常數(shù)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(zhǎng)波輻射；雙重玻璃幕墻內(nèi)層玻璃空氣夾層比較薄，故可作為導(dǎo)熱考慮。其二維穩(wěn)態(tài)方程為TOC\o"1-5"\h\z,,, 8, 、 8,、八（1）質(zhì)量連續(xù)性方程：寸（P"）+丁（PW=。8x 8y（2）動(dòng)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(tài)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(dòng)力粘度（Kg/m-s）；g為重力加速度（9.8m/s2）；X為導(dǎo)熱系數(shù)（W/mK）；R為空氣的氣體常數(shù)，287J/（kg?K）；Sh為源項(xiàng)，對(duì)空氣為零，對(duì)玻璃和遮陽(yáng)板區(qū)域分別與它們各自吸收的太陽(yáng)輻射能有關(guān)。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(yáng)輻射能的計(jì)算：當(dāng)太陽(yáng)光直射于雙層幕墻建筑物時(shí)，首先穿過外層玻璃，同時(shí)在外層玻璃發(fā)生反射和衰減（吸收）透過外層玻璃的太陽(yáng)光隨后作用于中層空間的鋁制遮陽(yáng)板上，一部分被遮陽(yáng)板吸收，一部分又被反射回去，另一部分會(huì)透過遮陽(yáng)板，被雙層壁的內(nèi)層玻璃所吸收，這與遮陽(yáng)板開口角度有關(guān)，當(dāng)遮陽(yáng)板完全垂下時(shí)，太陽(yáng)光的滲過量為零（本文就采用這樣的情況），即在遮陽(yáng)板上只有反射與吸收。被遮陽(yáng)板反射的太陽(yáng)光又重新作用于外層玻璃，部分太陽(yáng)輻射能又被外層玻璃吸收。因此被外層玻璃所吸收的太陽(yáng)輻射量由這兩部分疊加而成?？諝鈱?duì)太陽(yáng)光的反射和吸收很小，可以忽略，而認(rèn)為空氣是透明體，如圖2所示。采用內(nèi)節(jié)點(diǎn)法，

）。②遮陽(yáng)板吸收的太陽(yáng)輻射能可由節(jié)點(diǎn)i所吸收的太陽(yáng)輻射能為：§=（F+._1-F.+）+（F.——F-._）。②遮陽(yáng)板吸收的太陽(yáng)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(nèi)某一位置的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（W/m2）；F-為外層玻璃內(nèi)某一位置被遮陽(yáng)板反射回的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（W/m2）；a初湖為遮陽(yáng)板的吸收率；Toutgi為雙層幕墻外壁的透射率；Fo為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度（W/m2）；Abl.nd——遮陽(yáng)板面積（m2）。（F+和F-的計(jì)算參見文獻(xiàn)［6］）室外, y=5bF-,i-1 i,i外層玻璃,國(guó) ,F十 y=0中層空間圖2太陽(yáng)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(shù)法來計(jì)算，即考慮能量平衡（遮陽(yáng)板吸收的太陽(yáng)輻射量等于空腔內(nèi)對(duì)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(fēng)壓差之和）。（2） 固體壁面上的速度u=v=0,內(nèi)、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(nèi)的溫度以及外層玻璃和內(nèi)層玻璃表面的對(duì)流換熱系數(shù)。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(jì)算正是想知道出口截面的信息（而在計(jì)算之前是未知的），可假定出口截面上的節(jié)點(diǎn)對(duì)第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)已無影響，即令邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的影響系數(shù)為零，如圖3所示，與出口邊界上N點(diǎn)相鄰接的第一個(gè)內(nèi)節(jié)點(diǎn)P與N之間的關(guān)系是通過P點(diǎn)的系數(shù)aN來規(guī)定的。因?yàn)镹在P的下游，N對(duì)P的影響可以忽略。這種處理的物理實(shí)質(zhì)相當(dāng)于假定出口截面上流動(dòng)方向的坐標(biāo)是局部單向的，這個(gè)局部單向化的假定導(dǎo)致aN=0.這樣出口截面上的信息對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的計(jì)算就不起作用，也就無須知道出口截面上的值了。2.3數(shù)值求解方法考慮編程上的方便，動(dòng)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(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)及廣義源項(xiàng)。對(duì)動(dòng)量方程，把浮升力項(xiàng)（包括壓力梯度項(xiàng)）暫且放到源項(xiàng)S⑦中去。計(jì)算區(qū)域的離散采用內(nèi)節(jié)點(diǎn)法，網(wǎng)格劃分采用均分網(wǎng)格，且為交錯(cuò)網(wǎng)格，即速度u、v及壓力p（還包括T和其它標(biāo)量場(chǎng)及物性參數(shù)）分別存儲(chǔ)于三套不同的網(wǎng)格系統(tǒng)中。采用控制容積積分方法對(duì)方程進(jìn)行離散，對(duì)控制方程組中的非常數(shù)源項(xiàng)采用局部線性化的處理方法，對(duì)離散后的代數(shù)方程采用SIMPLER算法進(jìn)行迭代求解。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析取雙層幕墻中層空間寬度50cm，高度3m，單位長(zhǎng)度吸氣、排氣口面積A=0.15m2/m，單位長(zhǎng)度鋁制遮陽(yáng)板面積A切湖=3m2。幕墻外壁為厚度15mm強(qiáng)化玻璃，表面換熱系數(shù)a^=8.233W/m2?K；內(nèi)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(shù)an=20W/m2?K。外界空氣溫度Tout=30°C，室內(nèi)氣溫Tin=26°C，遮陽(yáng)板吸收率a初湖=0.48，外層玻璃透過率t。憫=0.709,無風(fēng)時(shí)風(fēng)壓力差^pw湖=0Pa，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取尸0=700W/m2。根據(jù)上述條件通過集總參數(shù)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(jìn)行計(jì)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(yáng)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?yàn)橥鈱硬Ａ樟瞬糠痔?yáng)輻射能，以此作為內(nèi)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?yàn)檎陉?yáng)板外表面吸收了約35%的太陽(yáng)輻射能，所以在遮陽(yáng)板外表面溫度迅速上升，它是整個(gè)中層空間溫度最高的部分，最高溫度為96.2C。而鋁制遮陽(yáng)板導(dǎo)熱系數(shù)比較大，加上厚度較小，因此遮陽(yáng)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(nèi)表面和遮陽(yáng)板兩側(cè)的空氣溫度梯度比較大，尤其在遮陽(yáng)板表面，在一個(gè)很小薄層內(nèi)，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(nèi)的對(duì)流換熱主要集中在外層玻璃和遮陽(yáng)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(nèi)出口剖面速度分布?？梢钥闯?，空腔內(nèi)速度的上升與這一區(qū)域的溫度有關(guān)，在外壁和遮陽(yáng)板周圍，空氣溫度比較高，相應(yīng)的密度就低，此時(shí)浮升力也越大，浮力是推動(dòng)空氣向上流動(dòng)的重要?jiǎng)恿Γ虼丝諝獾牧魉倬透?。在玻璃和遮?yáng)板周圍的很小薄層內(nèi)，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(nèi)，由于遮陽(yáng)板外側(cè)空氣溫度高于內(nèi)側(cè)空氣溫度，故外側(cè)速度高于內(nèi)側(cè)速度。圖6遮陽(yáng)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(yáng)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(shù)值計(jì)算溫度的平均值。由圖可見，空腔內(nèi)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(nèi)和外界環(huán)境的散熱量，從而限制了空腔內(nèi)溫度的上升速率。同時(shí)正是由于上下的溫差造成密度變化，使空氣產(chǎn)生自然流動(dòng)的。同時(shí)還可以看出，遮陽(yáng)板越靠近外層玻璃，空腔內(nèi)的溫度越高，散熱效果也會(huì)越明顯。（4） 圖7和圖8給出了遮陽(yáng)板位于空氣腔中間時(shí)，1m、2m、3m高度處剖面的溫度分布。可以看出，在熱附面層內(nèi)，隨著高度的增加，空氣的溫度也增加了，這是由于遮陽(yáng)板表面吸收的太陽(yáng)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(jié)論（1） 從數(shù)值分析的結(jié)果可以看出，雙重玻璃幕墻的散熱效果與遮陽(yáng)板的位置有一定關(guān)系，遮陽(yáng)板越靠近外層玻璃，其散熱效果越明顯，其結(jié)構(gòu)也越合理。（2） 雙層幕墻空氣腔內(nèi)溫度分布均勻，在外側(cè)玻璃和遮陽(yáng)板面處形成明顯的溫度梯度，說明通道的對(duì)流換熱主要集中在外側(cè)玻璃面和遮陽(yáng)板面。（3） 正是由于空腔內(nèi)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(duì)流換熱，并帶走通道中的熱量。參考文獻(xiàn)：[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(yīng)用.工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2002.1⑵Oesterle，Lieb，Lutz.Double-SkinFacades.PrestelVerlag,MunichLondon,NewYouk.2001陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué).西安：西安交通