双层玻璃幕墙自然对流换热的数值模拟

双层玻璃幕墙自然对流换热的数值模拟江苏经贸职业技术学院马骞徐建峰宋保银摘要简要介绍了双层玻璃幕墙的节能原理，建立了双层幕墙空气腔内的流体力学和传热学二维稳态数学模型，用数值计算的方法得出空气腔内的温度分布和速度分布。结果可以看出，幕墙的散热效果与遮阳板的位置有一定关系，遮阳板越靠近外层幕墙，其散热效果越明显。关键词双层玻璃幕墙自然对流数值模拟1概述建筑幕墙作为建筑的外围护结构，其热工性能直接影响建筑能耗。现在广泛使用的单层玻璃幕墙，虽然逐渐采用热反射镀膜玻璃、中空玻璃、断热型材等其它节能材料，在热工性能方面比过去的门窗有所改善，但仍然存在能耗较大的问题。最近几年发展的双层玻璃幕墙以其科学的结构、完善的功能、先进的设计理念，充分利用太阳能、自然通风换气，降低空调能耗，减少风及恶劣气候的影响，营造舒适温馨的生活和工作环境等优点，越来越受到建筑师和投资者的青睐。1.1双层玻璃幕墙的组成双层玻璃幕墙是由内、外两层玻璃幕墙组成，两层幕墙中间要形成一个通道，同时外层幕墙设置进风口和出风口。外层幕墙一般是厚度为12mm或15mm左右的固定玻璃，不能自由打开。内层幕墙是由两个玻璃薄层夹着一层空气薄层，所以可以说双层玻璃幕墙结构其实包含着三层玻璃［1，2］。内层幕墙可以是窗户，也可以是玻璃门，因此是可以打开的。两层幕墙间的中层空间宽度没有严格限制，可以在0.2m〜1.4m范围内变化。里面的空气以自然对流为主。同时由于中层空间的存在，因而双层玻璃幕墙能提供一个保护空间以安置遮阳设施（如活动式百叶、固定式百叶或价格昂贵的阳光控制构件）。已有的实验数据资料证明，在双层墓墙间设置的遮阳百叶比普通建筑使用的内置百叶具有更佳的遮阳效果。1.2双层幕墙的节能原理双层幕墙的节能是指幕墙在夏季利用遮阳板吸热产生空气自然对流，通过通风换气将太阳辐射能带到室外，从而降低室内温度；在冬季（尤其是夜晚）形成多重隔热，提高保温效果，降低取暖能耗。双层幕墙在夏季的阳光照射下，遮阳板因吸热温度升高，幕墙通道中的空气被加热，使空气自下而上地流动，从而带走通道中的热空气，达到降低房间温度的作用。在冬季，则可关闭外层幕墙的通风口，这样幕墙内部的空气在阳光照射下温度升高，减少室内和室外的温度差，同时起到房间保温功效，降低房间取暖费用。2双层玻璃幕墙空气腔内自然对流数学模型的建立2.1控制方程的建立由于双重玻璃空气腔的宽度和高度都只有几米，而在长度方向则达几十米甚至上百米，故考虑为二维模型，如图1所示。图中x一沿双层幕墙宽度方向坐标；j——沿双层幕墙高度方向坐标。空气腔内空气的自然对流是在重力场的作用下由于密度差引起的浮升力产生的，在此引入Boussinesq假设，根据文献［3］可做3方面简化：（1）由于自然对流的速度比较低，因此能量方程式中的粘性耗

散项和压缩功可忽略不计；（2）空气的物性参数除密度外，其余都作为常数考虑；（3）对密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度亦作为常数处理。此外，略去双层幕墙与外界及壁面间由于温度差而引起的长波辐射；双重玻璃幕墙内层玻璃空气夹层比较薄，故可作为导热考虑。其二维稳态方程为TOC\o"1-5"\h\z,,, 8, 、 8,、八（1）质量连续性方程：寸（P"）+丁（PW=。8x 8y（2）动量方程: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）理想气体状态方程：p=PRT以上方程中：u，v为x，y方向空气速度（m/s）；p为空气压力（Pa）；T为空气温度（K）；p为空气密度（kg/m）；«为空气动力粘度（Kg/m-s）；g为重力加速度（9.8m/s2）；X为导热系数（W/mK）；R为空气的气体常数，287J/（kg・K）；Sh为源项，对空气为零，对玻璃和遮阳板区域分别与它们各自吸收的太阳辐射能有关。OuLuuiOuLuui图1双层玻璃幕墙二维模型示意图具体分析如下：①外层玻璃吸收的太阳辐射能的计算：当太阳光直射于双层幕墙建筑物时，首先穿过外层玻璃，同时在外层玻璃发生反射和衰减（吸收）透过外层玻璃的太阳光随后作用于中层空间的铝制遮阳板上，一部分被遮阳板吸收，一部分又被反射回去，另一部分会透过遮阳板，被双层壁的内层玻璃所吸收，这与遮阳板开口角度有关，当遮阳板完全垂下时，太阳光的渗过量为零（本文就采用这样的情况），即在遮阳板上只有反射与吸收。被遮阳板反射的太阳光又重新作用于外层玻璃，部分太阳辐射能又被外层玻璃吸收。因此被外层玻璃所吸收的太阳辐射量由这两部分叠加而成。空气对太阳光的反射和吸收很小，可以忽略，而认为空气是透明体，如图2所示。采用内节点法，

）。②遮阳板吸收的太阳辐射能可由节点i所吸收的太阳辐射能为：§=（F+._1-F.+）+（F.——F-._）。②遮阳板吸收的太阳辐射能可由下式得到：Qb=%nd-T"F。.Ablmd。以上各式中：F+为外层玻璃内某一位置的太阳辐射强度（W/m2）；F-为外层玻璃内某一位置被遮阳板反射回的太阳辐射强度（W/m2）；a初湖为遮阳板的吸收率；Toutgi为双层幕墙外壁的透射率；Fo为太阳辐射强度（W/m2）；Abl.nd——遮阳板面积（m2）。（F+和F-的计算参见文献［6］）室外, y=5bF-,i-1 i,i外层玻璃,国 ,F十 y=0中层空间图2太阳辐射在外层玻璃的衰减2.2边界条件的处理方法（1） 入口边界（双层幕墙空腔底部）上的速度、压力和温度通过集总参数法来计算，即考虑能量平衡（遮阳板吸收的太阳辐射量等于空腔内对流换热量）和压力平衡（空气流过双层幕墙空腔的压力损失等于热压差与风压差之和）。（2） 固体壁面上的速度u=v=0,内、外层幕墙（玻璃）的传热考虑第三类边界条件，即已知室外和室内的温度以及外层玻璃和内层玻璃表面的对流换热系数。图3出口边界（3）出口边界［4］,［5］是最难处理的边界条件。由于计算正是想知道出口截面的信息（而在计算之前是未知的），可假定出口截面上的节点对第一个内节点已无影响，即令边界节点对内节点的影响系数为零，如图3所示，与出口边界上N点相邻接的第一个内节点P与N之间的关系是通过P点的系数aN来规定的。因为N在P的下游，N对P的影响可以忽略。这种处理的物理实质相当于假定出口截面上流动方向的坐标是局部单向的，这个局部单向化的假定导致aN=0.这样出口截面上的信息对内部节点的计算就不起作用，也就无须知道出口截面上的值了。2.3数值求解方法考虑编程上的方便，动量方程和能量方程写成通用形式：[3]8 8 8 8了（P"们+—（P讨）=—（「°〒）+云（「°云）+Se

8x 8y 8x e8x 8y e8y e这里①是通用变量，七与S。是与①相对应的广义扩散系数及广义源项。对动量方程，把浮升力项（包括压力梯度项）暂且放到源项S⑦中去。计算区域的离散采用内节点法，网格划分采用均分网格，且为交错网格，即速度u、v及压力p（还包括T和其它标量场及物性参数）分别存储于三套不同的网格系统中。采用控制容积积分方法对方程进行离散，对控制方程组中的非常数源项采用局部线性化的处理方法，对离散后的代数方程采用SIMPLER算法进行迭代求解。3数值计算结果分析取双层幕墙中层空间宽度50cm，高度3m，单位长度吸气、排气口面积A=0.15m2/m，单位长度铝制遮阳板面积A切湖=3m2。幕墙外壁为厚度15mm强化玻璃，表面换热系数a^=8.233W/m2・K；内壁为中空玻璃（两层玻璃，每层厚度6mm，空气夹层厚度10mm），表面换热系数an=20W/m2・K。外界空气温度Tout=30°C，室内气温Tin=26°C，遮阳板吸收率a初湖=0.48，外层玻璃透过率t。悯=0.709,无风时风压力差^pw湖=0Pa，太阳辐射强度取尸0=700W/m2。根据上述条件通过集总参数法算出空气腔底部空气速度为0.13m/s，压力取0.1MPa，并以此作为入口边界条件进行计算。W-CL。 02 g gX如｝图4空气腔出口的温度分布（1）图4给出了0.5m中层空间、遮阳板位于空腔中间的出口温度分布。从图中可以看出，沿水平方向，温度上升两次：第一次是因为外层玻璃吸收了部分太阳辐射能，以此作为内热源不断地给玻璃加热，使外层玻璃的温度沿水平方向逐渐上升；第二次因为遮阳板外表面吸收了约35%的太阳辐射能，所以在遮阳板外表面温度迅速上升，它是整个中层空间温度最高的部分，最高温度为96.2C。而铝制遮阳板导热系数比较大，加上厚度较小，因此遮阳板中温度变化很小，基本保持不变，如图中最高的水平线所示。此外，在外层玻璃内表面和遮阳板两侧的空气温度梯度比较大，尤其在遮阳板表面，在一个很小薄层内，温度由最大值迅速降至30C的来流温度，这一薄层就是热附面层。附面层外，空气温度接近来流温度，基本保持不变，空气腔内的对流换热主要集中在外层玻璃和遮阳板处。

1.Q图5空气腔出口的速度分布（2）图5给出了双层幕墙内出口剖面速度分布。可以看出，空腔内速度的上升与这一区域的温度有关，在外壁和遮阳板周围，空气温度比较高，相应的密度就低，此时浮升力也越大，浮力是推动空气向上流动的重要动力，因此空气的流速就高。在玻璃和遮阳板周围的很小薄层内，空气的速度梯度比较大，这一薄层就使速度附面层。在速度附面层内，由于遮阳板外侧空气温度高于内侧空气温度，故外侧速度高于内侧速度。图6遮阳板位于不同位置的y方向温度分布（3） 图6给出了0.5m中层空间，遮阳板在不同位置的j方向温度的分布。7刀为某一高度空气数值计算温度的平均值。由图可见，空腔内空气温度随高度的上升，增加了它与室外温度的差值，也就增加了它向室内和外界环境的散热量，从而限制了空腔内温度的上升速率。同时正是由于上下的温差造成密度变化，使空气产生自然流动的。同时还可以看出，遮阳板越靠近外层玻璃，空腔内的温度越高，散热效果也会越明显。（4） 图7和图8给出了遮阳板位于空气腔中间时，1m、2m、3m高度处剖面的温度分布。可以看出，在热附面层内，随着高度的增加，空气的温度也增加了，这是由于遮阳板表面吸收的太阳辐射能而

图8顶端局部放大不断地给空气加热。图图8顶端局部放大不断地给空气加热。图7空气腔中间不同高度剖面的温度分布4结论（1） 从数值分析的结果可以看出，双重玻璃幕墙的散热效果与遮阳板的位置有一定关系，遮阳板越靠近外层玻璃，其散热效果越明显，其结构也越合理。（2） 双层幕墙空气腔内温度分布均匀，在外侧玻璃和遮阳板面处形成明显的温度梯度，说明通道的对流换热主要集中在外侧玻璃面和遮阳板面。（3） 正是由于空腔内空气的温度随高度升高，造成空气密度变小，空气自然上升，形成自然对流换热，并带走通道中的热量。参考文献：[1]张桂先，陈立东，丁鸥.CFD流体模型在双层换气幕墙传热分析中的应用.工程建设与设计，2002.1⑵Oesterle，Lieb，Lutz.Double-SkinFacades.PrestelVerlag,MunichLondon,NewYouk.2001陶文铨.数值传热学.西安：西安交通