1 前言

　　雙層幕墻的概念最早于20世紀80年代在歐美國家出現，在中國的使用還是近幾年的事情[1]。現在，隨著人們對建筑節能問題的關注，雙層幕墻這種具有環保節能的新型建筑圍護結構逐漸受到建筑師的青睞。

　　雙層幕墻由外側單層玻璃和內側中空玻璃兩道幕墻組成，內部形成一個相對封閉的熱通道。在夏天，通過氣流的外循環，利用煙囪效應可以帶走熱通道內的熱量，從而降低內側幕墻的表面溫度，減少空調制冷的負荷。在冬天，由于室外陽光的照射，熱通道內空氣溫度升高，所產生的溫室效應可以提高內側幕墻的表面溫度，也可以通過內循環的方式把熱氣流帶到室內，從而減少建筑物采暖運行的費用[2]。過去，人們對雙層幕墻在夏季運行的工況關注較多，研究的熱點主要集中在通風除熱功能等方面。對于雙層幕墻的冬季運行工況的關注相對而言偏少，尤其是對于夏熱冬暖的地區。但事實上，雙層幕墻在冬季內循環的保溫增熱效果，是影響雙層幕墻運行效率的重要指標。因此，本文針對夏熱冬暖地區的具體雙層幕墻案例，探討雙層幕墻在冬季運行時的節能效果。

　　在對雙層幕墻的熱性能進行評估時用到的模型中，主要有CFD模型、集總參數模型、熱與氣流網絡模型、控制體積模型和區域模型等5種模型[3]。其中，CFD模型可提供雙層幕墻中任一點的溫度分布、流動分布及熱流分布等細節，在雙層幕墻的性能模擬上的應用也最為廣泛。本文應用CFD 通用軟件Fluent 對位于廣州地區的廣東省中醫院雙層幕墻冬季的運行工況進行模擬， 并計算出幕墻系統的綜合傳熱系數K 及單位面積的增熱量。為簡化起見，本文僅考慮單榀的雙層幕墻，冬季內循環的室內排風口設在雙層幕墻的底部，出風口則設在頂端，如圖1所示。

　　圖1雙層幕墻(單榀)冬季運行示意圖

　　2 數學物理模型

　　2.1 基本假設

　　參照國內外在使用CFD技術模擬雙層幕墻熱性能方面的經驗[3]，以及本幕墻系統的構造特點，我們在模擬時使用了以下的基本假設：(1)穩定的室內環境條件；(2)熱通道內的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿足Boussinesq假設；(3)不考慮玻璃壁面蓄熱；(4)假定幕墻密封性能好，不考慮空氣滲透；(5)常溫下幕墻材料特性與溫度無關；(6)忽略室外風速的影響。

　　2.2 數學模型

　　熱通道內空氣的自然對流是由密度差引起的浮升力產生的，因此必須考慮在動量方程中添加體力項的影響[4]。

　　連續性方程：　　

　　動量方程和能量方程可以寫成通用形式：

　　式中為空氣密度，u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量，為通用變量(速度或溫度)，為與相對應的廣義擴散系數，為與相對應的廣義源項。

　　2.3 氣象條件與物性參數

　　根據廣州地區冬季的氣象資料，模擬時選取正午時刻的太陽輻射照度(350 )，室外計算溫度為10.3℃，室內計算溫度為20℃。空氣的比熱為1006.43，空氣的密度為1.2544，空氣的熱膨脹系數為3.528×10-3(1/K)。外層玻璃的傳熱系數5.7 ，內層中空玻璃的傳熱系數1.8 。

　　2.4 模型選擇與邊界條件

　　雙層幕墻內的空氣在吸收太陽輻射后，空氣密度變小，從而產生熱氣流的流動，在不同的室外氣溫條件和太陽輻射照度下，流態可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據是雷諾數(Re)。當Re < 2320時，屬于層流流動；當Re > 4000時，屬于紊流流動；當 2320 < Re < 4000時，熱氣流的流動處于臨界狀態，既可能是層流也可能是紊流流動，要結合實際情況判別。根據本案例中雙層幕墻的尺寸和氣象條件參數，在計算出相應的Re后認為熱通道內的氣流流態為湍流，因此在本次模擬中采用是RNG 紊流模型來計算空氣的流動。

　　在邊界條件設置方面，自然送風情況下的室內進風口、室內出風口分別設置為壓力進口(Pressure-Inlet)與壓力出口(Pressure-Outlet)，并給定相應的壓力、溫度及紊流參數。而強迫送風時，需要根據風扇的“流量—壓力”曲線在進風口處給定相應的壓升參數。內外層玻璃則根據熱平衡方程，給定固壁溫度邊界條件，作為浮力產生的驅動因素。熱通道頂部和底部等區域則為絕熱邊界條件。

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