隐藏式幕墙开启方式的风速与开启扇数量定性分析研究

隐藏式幕墙开启方式的风速与开启扇数量定性分析研究

吴杰

上海羿中幕墙工程有限公司，上海

摘要：介绍了隐藏式开启扇多种开启方式及外部遮挡对气流的影响；结合厦门不同月份及室内新风的补风布置分析，优化的补风点位以提高室内舒适度，改善局部冷热不均。由于隐藏式开启有外部遮挡，内部的开启形式及开启大小对实际风速影响较大，采用CFD分析来选取最优开启方式和开启扇数量，达到暖通专业对室内风速的要求，尽可能不开启空调情况达到舒适。

关键词：隐藏开启扇；开启方式；CFD；新风

Qualitative Analysis of Wind Speed and Opening Panel Quantity for Hidden Curtain Wall Opening Mode

Abstract: This article introduces the hidden opening method of curtain wall windows and the influence of external cover on airflow. Analysis of supplementary air layout based on different months and indoor fresh air in Xiamen,and optimized air supply points to improve indoor comfort and improve local uneven heating and cooling. Due to the external cover of hidden opening windows, the internal opening form and opening size have a greater impact on the actual wind speed. CFD analysis is used to select the optimal opening mode and quantity to meet the requirements of HVAC professionals for indoor wind speed and achieve comfort without air conditioning as much as possible.

Key words: Hidden Opening Windows; Opening Method ; CFD; Fresh Air

幕墙开启扇是建筑通风常用设计手法，但国内经历了20年左右的建设，设计师发现在通风需要开启扇打开时，整个建筑立面会由于随机地开启导致立面效果不美观；在格栅和穿孔板大量使用后，设计师结合了开启扇来做到既能通风又可以不改变立面效果的设计。但随之而来通风量到底满不满足需求，新风口补风到底要怎么布置，就成了一个需要解决的问题。

1. 开启方式选择对比

玻璃幕墙开启常用的方式有，上悬外开窗和外平推开启窗为主，这些方式都有不同的通风率，但也会造成开启后立面杂乱不美观的问题。

上悬外开窗

外平推开启窗

为了解决美观上的问题，采用外部有格栅或者穿孔板，内部采用铝板加保温棉组合的非透明开启扇，来解决通风、保温和美观三种功能。

隐藏开启外部效果

这种方式最早用于双层玻璃幕墙通风的概念，不同部位采用进风和出风方式，外部采用铝合金百叶遮挡，避免立面不整洁。

如果将这种方式进行旋转90°，然后把两层幕墙合为一层，将通风部分做成外挑装饰，进行开孔或作为格栅处理，利用幕墙龙骨厚度在内侧开安装开启扇来实现通风。

但是考虑到室内使用情况，可以开启的方式有内平推或者内平开放式，在不影响室内使用的情况下，两种方式都可以选择，

接下来就要从室内使用和通风效果两方面来考虑设置哪种开启方式更合适，在考虑室内隔墙布置的情况下，平推窗会有更多的通风量，使用上也更科学。

2. 开启方式的定量分析

本项目暖通工程师根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2016规范6.2.7应对建筑进行自然通风潜力分析，并依据气候条件设计自然通风策略。按照采取气温 20~28C°，风速 0.1-3.0m/s,湿度 40%~90% 的范围。由于12C°以下室外风气流难以直接利用，“热压通风”的通风条件宜设定为气温12-20C°，风速0~3.0 m/s，湿度不设限。

在福建气象局网站查询得到厦门全年平均风速、温度和湿度的信息，室外风速全年均满足3m/s左右的要求，湿度也满足40%~90% 的范围，温度4-11月都在20~28C°的范围，12-3月满足12-20C°的范围，总体来讲十分有利自然通风条件。

根据以上资料，与暖通工程师达成一致，分析室外3.1m/s风速和1m/s风速两个条件下哪种开启方式风速损失最小。软件采用Autodesk公司的inventor进行模型建立模型然后导入到Autodesk CFD软件进行边界条件设定进行模拟分析，得到定性选择开启方式，平推窗开启方式的风速损失远小于内平开窗开启方式，并且平推窗开启方式通风范围也比内平开窗开启方式大了很多。

2.1几何模型

模型建模采用1：1比例建模，简化了内部构件的影响，内平开窗开启方式考虑按照45°开启尺寸，平推窗开启方式开启尺寸跟内平开窗开启方式一样200mm。室外装饰穿孔铝板采用同种形式，两侧板进行穿孔处理，穿孔率约40%，考虑室外风速连续输入，室内保持开启最大状态。

2.2物理模型

模型简化后设置好边界条件，建筑室内气流流动一般属于不可压缩、低速湍流,本文中采用 Autodesk CFD中不可压缩气体的标准 k-E湍流模型,在不考虑用户自定义源项的情况下其精度和速度完全能满足此次模拟所需标准,k 方程、方程可分别简化为

    （1）

    （2）

湍流黏性系数为

    (3)

式(2)和式(3)中:ρ为流体密度;为流体沿t方向分量;示由于平均速度梯度引起的湍流动能;默认值常数,=1.44,: =1.92,=0.09,动能与耗散率 的流普朗特数分别为=1.0,=1.3。这些常数值可以通过调节Autodesk CFD求解器的高级设定来调节，对应的参数如图。

从上面对比图可以看出，红色部分为室外最大风速，到室内后内平开窗开启方式变为蓝色损失差不多一半，平推窗开启方式风吹到室内的损失只有小部分变为蓝色，损失在30%~40%，所以从定性上来看平推窗开启方式是最优选择。

3. 选定开启方式后分析标准层的风环境

厦门属季风海洋性气候，季风环流季节更替明显，日变换的海陆风也明显。东北季风大致从9月持续到翌年2月，最典型的是11月；东南季风从4月持续至8月，以8月为典型。所以分析就以东南季风和东北季风两种情况分析标准层开启数量及布置对室内风环境的影响，是否满足暖通工程师设定的标准，尽量减少开启扇数量来控制造价，也要考虑要有足够数量开启，减少开启空调的时间。

本项目标准层为两个核心筒中间有一个通道，业主考虑大部分楼层为自用办公室不设置隔间设置，所以风环境不用考虑隔墙影响，虽然根据《办公建筑设计标准》为行业标准,编号为JGJ/T67-2019中对室内风速的要求：室内风速：夏季应小于或等于0.25m/s，冬季应小于或等于0.20m/s。但是暖通工程师根据经验要求按照3m/s风速输入分析结果控制在1~1.5m/s占到60%左右，由于没有考虑办公家具及设备的布置，人员的热量，设备的热量对风环境的影响，在需要确定开启扇的数量情况下放大了余量，方便室内设计师的发挥。

模型采用Autodesk Inventor建立模型，设定了东面和南面两个面为进风口分别进行了模拟，东南季风情况下打开所有的窗户，整个风环境分布如下图，所示大部分风速占比超过了65%在1.5m/s以下，局部15%超过2~3m/s，柱子后面局部四角，暖通设计也会考虑新风补风口设置，整个东南季风时候比较接近目标，见下图1。

随后进行了东面和北面两个面为进风口分别进行了模拟，东北季风情况下打开所有的窗户，整个风环境分布如下图，所示风速在1.5m/s以下占比40%较低，50%超过1.5m/s在2~3m/s的风速过于高，整个东北季风时候风速超过目标太多，见下图2。

暖通工程师提出了关闭一半开启扇的方式进行再次分析，关闭了南面和西面两个面，其他条件不变的情况下进行计算模拟，整个风环境分布如下图，所示风速在1.5m/s以下占比有所提高到60%，超过1.5m/s在2~3m/s的风速占比下降到20%，此时暖通工程师认为接近目标，见下图3。

根据此开启扇比例重新分析东南季风情况下南面和西面两个面打开一半的窗户，整个风环境分布如下图，所示大部分风速占比超过了50%在1.5m/s以下，局部5%超过2~3m/s，柱子后面局部四角，暖通设计也会考虑新风补风口设置，整个东南季风时候稍微低于目标,所以不同季节对开启扇开关数量有不同要求，见下图4。

考虑到平推窗五金的成本高于传统内平开窗，如果将一半的平推窗开启扇改为内平开窗开启扇可以节约300万左右的造价，这样计算下来在既能满足通风需求又能节约造价，业主也觉得不可能时刻都按照模拟计算来开启，每天的风也不可能按照理想的设定方向和风速去吹，所以定下来间隔设置一个平推窗开启扇间隔一个内平开窗开启扇。另外此部分的设计也采用了灵活拆卸方式，窗框设计采用同种型材只是五金件安装配置不同，如果后期需要变开启方式只要更换五金件就可以达到二次调整的效果，毕竟模拟分析与实际使用还是有差距，后面不同的办公家具布置、不同的能耗设备、不同的应用场景和室内人员数量都会对实际结果产生影响。

此次开窗形式和数量的定性分析结果就定了下来，后续暖通工程师会根据后续室内深化后的场景在空调、新风等其他设备进行舒适度分析。

4. 总结

在计算机软件和硬件突飞猛进发展的当下，一些流体分析软件的简单化操作，给了非暖通专业的设计人员非常大的帮助，以前设计项目对于通风率、通风速度、开启数量、开启尺寸很难定性，现在有了AutodeskCFD这些软件在不必要操作非常专业的Fluent、STAR-CCM等软件，也不用具备专业的技术知识，对于差别比较大简单数量级的对比情况下，可以和业主、建筑师对于外立面设计开窗有了明确的定性判断，既满足了业主对造价的敏感和功能的追求，又满足了建筑师满足在满足规范的要求下对立面设计美观的追求。

参考文献:

[1]福建省气象局网站>厦门市气象局>气象服务>气候服务>气候要素;

[2]Autodesk CFD帮助文件；

[3]Autodesk Inventor帮助文件;

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[5]国凤英,王新华,吴有聪.基于 CFD 的室内自然通风及热舒适性的模拟 .天津大学学报,2009,42(5);407-412.

[6]吴桢.基于CFD 数值模拟的室内风环境研究.安徽工程大学学报,2019,34(6);85-90.