1 前言
雙層幕墻的概念最早于20世紀(jì)80年代在歐美國家出現(xiàn)，在中國的使用還是近幾年的事情[1]。現(xiàn)在，隨著人們對建筑節(jié)能問題的關(guān)注，雙層幕墻這種具有環(huán)保節(jié)能的新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸受到建筑師的青睞。
雙層幕墻由外側(cè)單層玻璃和內(nèi)側(cè)中空玻璃兩道幕墻組成，內(nèi)部形成一個相對封閉的熱通道。在夏天，通過氣流的外循環(huán)，利用煙囪效應(yīng)可以帶走熱通道內(nèi)的熱量，從而降低內(nèi)側(cè)幕墻的表面溫度，減少空調(diào)制冷的負(fù)荷。在冬天，由于室外陽光的照射，熱通道內(nèi)空氣溫度升高，所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)可以提高內(nèi)側(cè)幕墻的表面溫度，也可以通過內(nèi)循環(huán)的方式把熱氣流帶到室內(nèi)，從而減少建筑物采暖運(yùn)行的費(fèi)用[2]。過去，人們對雙層幕墻在夏季運(yùn)行的工況關(guān)注較多，研究的熱點(diǎn)主要集中在通風(fēng)除熱功能等方面。對于雙層幕墻的冬季運(yùn)行工況的關(guān)注相對而言偏少，尤其是對于夏熱冬暖的地區(qū)。但事實上，雙層幕墻在冬季內(nèi)循環(huán)的保溫增熱效果，是影響雙層幕墻運(yùn)行效率的重要指標(biāo)。因此，本文針對夏熱冬暖地區(qū)的具體雙層幕墻案例，探討雙層幕墻在冬季運(yùn)行時的節(jié)能效果。
在對雙層幕墻的熱性能進(jìn)行評估時用到的模型中，主要有CFD模型、集總參數(shù)模型、熱與氣流網(wǎng)絡(luò)模型、控制體積模型和區(qū)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(diǎn)的溫度分布、流動分布及熱流分布等細(xì)節(jié)，在雙層幕墻的性能模擬上的應(yīng)用也最為廣泛。本文應(yīng)用CFD 通用軟件Fluent 對位于廣州地區(qū)的廣東省中醫(yī)院雙層幕墻冬季的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬， 并計算出幕墻系統(tǒng)的綜合傳熱系數(shù)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(nèi)循環(huán)的室內(nèi)排風(fēng)口設(shè)在雙層幕墻的底部，出風(fēng)口則設(shè)在頂端，如圖1所示。
圖1雙層幕墻(單榀)冬季運(yùn)行示意圖
2 數(shù)學(xué)物理模型
2.1 基本假設(shè)
參照國內(nèi)外在使用CFD技術(shù)模擬雙層幕墻熱性能方面的經(jīng)驗[3]，以及本幕墻系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)，我們在模擬時使用了以下的基本假設(shè)：(1)穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境條件；(2)熱通道內(nèi)的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿足Boussinesq假設(shè)；(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(guān)；(6)忽略室外風(fēng)速的影響。
2.2 數(shù)學(xué)模型
熱通道內(nèi)空氣的自然對流是由密度差引起的浮升力產(chǎn)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(xù)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(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)，
為與相對應(yīng)的廣義源項。
2.3 氣象條件與物性參數(shù)
根據(jù)廣州地區(qū)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(nèi)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(shù)為3.528×10-3(1/K)。外層玻璃的傳熱系數(shù)5.7 
，內(nèi)層中空玻璃的傳熱系數(shù)1.8 。
2.4 模型選擇與邊界條件
雙層幕墻內(nèi)的空氣在吸收太陽輻射后，空氣密度變小，從而產(chǎn)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(tài)可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據(jù)是雷諾數(shù)(Re)。當(dāng)Re < 2320時，屬于層流流動；當(dāng)Re > 4000時，屬于紊流流動；當(dāng) 2320 < Re < 4000時，熱氣流的流動處于臨界狀態(tài)，既可能是層流也可能是紊流流動，要結(jié)合實際情況判別。根據(jù)本案例中雙層幕墻的尺寸和氣象條件參數(shù)，在計算出相應(yīng)的Re后認(rèn)為熱通道內(nèi)的氣流流態(tài)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(shè)置方面，自然送風(fēng)情況下的室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口、室內(nèi)出風(fēng)口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口(Pressure-Inlet)與壓力出口(Pressure-Outlet)，并給定相應(yīng)的壓力、溫度及紊流參數(shù)。而強(qiáng)迫送風(fēng)時，需要根據(jù)風(fēng)扇的“流量—壓力”曲線在進(jìn)風(fēng)口處給定相應(yīng)的壓升參數(shù)。內(nèi)外層玻璃則根據(jù)熱平衡方程，給定固壁溫度邊界條件，作為浮力產(chǎn)生的驅(qū)動因素。熱通道頂部和底部等區(qū)域則為絕熱邊界條件。
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