双层通风玻璃幕墙的热过程及热工设计

双层通风玻璃幕墙的热过程及热工设计

杭飞

浙江大学建筑设计研究院有限公司310012

摘要：随着科学发展和人们生活水平的不断提高，当前建筑对玻璃幕墙的要求越来越高，玻璃幕墙的通风性和传热性也更受重视。但是，由于我国对双层通风玻璃幕墙的设计和使用时间都比较短，因此对其热工计算还存在一定的不足和缺陷，本文就主要针对这一问题，分析了双层通风玻璃幕墙的传热过程和节能原理，同时根据CFD流体模型，模拟分析了双层通风玻璃幕墙的传热过程，在得出玻璃幕墙整体传热系数的同时，进一步印证节能原理，进而服务于双层通风玻璃幕墙的热工设计，提出相关建议。

关键词：双层通风；玻璃幕墙；热工设计

随着高层建筑时代的到来，玻璃幕墙的应用越来越普遍，由于其具有良好的通透性、质感强越来越受到建筑业的欢迎。玻璃幕墙结合了科学技术的应用及建筑美学设计的优势，是现代建筑业的结晶，与传统的单层玻璃幕墙相比，其设计理念先进、结构科学合理、功能相对完善，受到人们的喜爱。

一、双层通风玻璃幕墙概述

双层通风玻璃幕墙结构不断优化，内外两层玻璃幕墙发挥了不同的作用。外层幕墙通常选择有框玻璃幕墙或者点支式玻璃幕墙，对于防止风雨等恶劣气候的到来具有巨大作用；而内层幕墙往往选用明框玻璃幕墙，通常要进行维修或清洁，为了使其更加方便，在设计时一般会开设活动窗。内外层科学合理的设计结构，形成了相对封闭的热通道，加强了空气的相对流动、交换过程。（空气循环示意图见图1）

根据空气流动方式的划分，双层通风玻璃幕墙又分为封闭式内通风幕墙、开敞式外通风幕墙，由于前者的空气循环主要通过机械系统实现，对设备的要求较高，对于采暖地区应用更为有利。开敞式外通风幕墙则主要依靠自然通风，不需要借助专业机械设备，相对来说，成本较低，当室外的风在进风口进入后，外层幕墙与内层幕墙形成的热通道将热量带走，然后从外层的幕墙排风口排出，对封闭的内层幕墙完全不影响。本文将对开敞式外通风幕墙的热工性能进行探讨。

二、幕墙的节能原理和热过程

（一）节能原理

开敞式外通风幕墙的先进设计理念使得在冬夏两季形成了不同的循环路径，达到了节能的效果。冬季时，通过把外层幕墙的通风口关闭，使热通道变为全封闭状态，在利用温室效应原理，大大提高了内层幕墙的外表面温度，在保温效果实现的同时也减少了整个建筑物的采暖负荷；而在夏季，通常将外层幕墙的上下两个通风口全部打开，白天日照温度高，使得热通道的空气在密度的影响下，形成了自下而上的气流，通道内的热量在烟囱效应的作用下不断被带走，内层幕墙的外表面温度随之而降低，起到了室内冷负荷被减少的作用。正是双层玻璃幕墙的节能设计，使得采暖与制冷时的节能效率大大提高，分别实现了42%—52%、38%—60%的节能比例。

（二）热过程

通过节能原理的分析，可以明显知道热过程的产生主要在冬季保温和夏季隔热最为显著，而夏季隔热相对于冬季保温过程更为复杂，幕墙主要通过导热、对流、辐射三种形式实现热量的传递，通常被定义为非稳态的周期性传热过程。导热一般是幕墙内外层玻璃的自身相互导热，对流一般是热通道内的空气对流传热及室内、室外的对流过程，辐射主要是太阳辐射带来的室内热量提升及幕墙间的辐射。（见图2）

三、CFD流体模型的计算机模拟

（一）CFD计算机模拟的基本流程

CFD，是ComputationalFluidDynamics的缩写，也就是计算流体动力学，它是有限元软件ANSYS中的一部分，因为目前我国还没有确定的关于双层通风玻璃幕墙的热工计算方法，所以只能暂时用CFD进行模拟。其中，场模拟是指运用能量守恒方程、动量方程以及质量守恒方程等理论，对热通道里面的空气流动情况进行模拟。一般而言，就是通过求解这些理论形成的基本方程组，来获取空气流动情况。

CFD模拟过程主要包括两个方面：一是建立数学物理模型的过程，这个过程主要用数学物理模型来描述开敞式的外通风玻璃幕墙热通道里面的表现为粘性流体的空气流动，可以用N-S方程加以描述；二是数值算法求解过程，也就是采用有限容积法对开敞式通风玻璃幕墙热通道里面的空气流动和传热进行离散。

我们根据CFD的模拟结果，进而推断出热通道内温度的分布情况和温度梯度，并最终得出其整体传热系数。

（二）CFD模拟的基本假定

在模拟夏日热通道中空气流动状况时，需要事先做出基本假定，也就是假设在比较短的时间内，或者一瞬间的状态中，开敞式外通风玻璃幕墙的模型处于传热状态，且为连续性介质的稳态传热。这样就可以保证研究对象每个点的速度、密度和温度都是连续函数，并且当时间方式变化时，温度不随之而改变。

（三）CFD实例的模拟和分析

CFD实例的模拟和分析阶段，是CFD计算机模拟过程中最重要的一部分，我们假设研究对象依然是开敞式外通风玻璃幕墙，首先要对结构单元进行选取，一般选择七米五左右的开间，四米左右高度，半米左右热通道宽的结构单元，而且单元类型最好选择ANSYS单元库里面的三维FLUID142流体单元，可以应用于对粘性流体的三维压力、流动、温度分布等问题的计算。运用的守恒理论依然包括能量、动量和质量三个方面。

在对模拟的环境温度条件、速度边界条件以及研究流体等其他条件做出约束后，正式建立CFD模型，并对网格进行划分，同时对流体性质进行定义，设置执行控制然后求解计算，进而通过进入后处理器，获得空气速度、温度梯度、综合温度分布以及热通道气压云图等相关参数。

模拟发现，当室内外温度发生变化时，或者太阳辐射量出现变化时，玻璃幕墙热通道内部的温度分布会出现分层，而同等条件下，双层通风玻璃幕墙比其他形式耗能更少，这样印证了双层通风玻璃幕墙具备更好的节能性。采用中空玻璃的形式，不仅可以防止温差传热，还能够阻挡太阳辐射。

通过研究还发现，热通道内部的空气流动可以有效降低内层玻璃幕墙的温度，进而发挥隔热作用，并且可以通过开启内层幕墙的玻璃窗来满足通风换气的需要。同时，通风装置的开口方向可以作用于特通道内部的空气流动速度。

除了上述发现之外，通过CFD计算机模拟可以获得热通道对流换热的系数，以及整个玻璃幕墙的传热系数，将这两个系数与国家颁布的《民用建筑节能设计标准》和《民用建筑热工设计规范》中的设计值相对比，就可以提前预测双层通风玻璃幕墙的节能程度，进而将计算依据提供给热工设计中。

结论：

通过对双层通风玻璃幕墙设计原理、结构特点的分析，对于寒冷地区及炎热地区都具有较好的节能利用效果，通过CFD模拟设计的分析，使得双层通风玻璃的节能原理更加清晰，而且相对于传统单层幕墙节能效果更加显著，与普通的单层玻璃幕墙相比大约可以节能50%左右。而在对不同种类玻璃幕墙热工研究发现，采用CFD数值模拟方法以及其他现代化技术，要比采取试验和测试的方法更可靠。总而言之，利用CFD计算机软件对双层通风玻璃幕墙进行模拟，既可以提供科学有效的计算依据，也有利于做出正确的定量分析。

参考文献：

[1]彭晓彤,林晨,沈捷攀等.双层通风玻璃幕墙的热过程及热工设计[J].工业建筑,2006,36(7):41-44.DOI:10.3321/j.issn:1000-8993.2006.07.010.

[2]齐亚丽,高兴宇.外呼吸双层通风玻璃幕墙热工性能模拟分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2013,(24).

[3]茅雪平.关于建筑幕墙工程中双层通风玻璃幕墙的节能设计分析[J].城市建设理论研究（电子版）,2011,(16).