双层皮玻璃幕墙热特性的简化计算方法

宁勇飞 张杰 陈刚

南华大学城市建设学院

双层皮玻璃幕墙热特性的简化计算方法

宁勇飞 张杰 陈刚

南华大学城市建设学院

双层皮玻璃幕墙的复杂热工特性使得它在建筑设计过程中热工参数和计算方法存在诸多的不确定性。为了避免采用复杂耗时的数值计算方法，本文采用集总方法，结合实测数据，对双层皮玻璃幕墙系统的热工性能进行了模拟计算。结果显示，模拟结果与实测结果吻合度较好，该法在幕墙设计计算中可行。

双层皮玻璃幕墙 热工性能 集总方法

双层皮玻璃幕墙已经成为现代建筑广泛采用的墙体形式，作为一种特殊围护结构，具有传统墙体不具备的优点，绚丽的玻璃使建筑呈现出美丽的外观，良好的透光性使人与自然环境具有更好的亲近感[1]。此外，双层皮玻璃幕墙系统具有良好的隔声性能和节能特性[2，3]。

双层皮玻璃幕墙通常由内、外两层玻璃层及中间空气腔构成。为了防止眩光和达到一定的节能效果，通常在双层皮玻璃幕墙中设置百叶遮阳装置或者遮阳卷帘。然而，双层皮玻璃幕墙复杂的热工特性和不同气候条件下的适用性方面的研究尚不够完善[4～6]。

国内的李荣敏[7]等人用有限元分析软件ANSYS对玻璃幕墙热通道的气流组织进行了模拟分析，认为并非所有双层皮玻璃幕墙都能实现烟囱效应。刘斌[8]采用CFD软件对双层皮玻璃幕墙的热工参数进行了计算。在欧洲玻璃幕墙的应用与研究较为广泛，Elisabeth Gratia[9～11]等人通过大量的现场实验与软件模拟分析对比，对双层皮玻璃幕墙的节能性能进行了较为全面的研究。Heinrich Manz[12]分析了双层玻璃幕墙的光学、动态传热和流体动力学特性，并通过实验进行验证，具有较好的一致性。

本文采用简化的集总方法，结合冬季实测数据，模拟分析双层皮玻璃幕墙系统的逐时温度变化规律，为建筑设计过程中双层皮通风玻璃幕墙参数设计提供参考。

1 多层透过体系光学性能

太阳光入射到幕墙玻璃表面后，光线在玻璃表面经过反复的反射，透射，以及吸收作用，最终一部分能量返回室外，另一部分被玻璃吸收，其余部分则进入室内。双层皮玻璃幕墙系统由三层玻璃组成，根据射线追踪原理（如图1所示），从太阳入射方向各层玻璃的总吸收率为：

图1 玻璃间光线的反射与透射

式中：αi，ρi，τi分别为第i层玻璃的吸收率，反射率，透射率。

玻璃的光学性质如表1所示[13]：

表1 玻璃光学性质

2 双层玻璃幕墙热过程

2.1 热过程

室外太阳光线入射到双层玻璃系统上，经过玻璃的反射，透射以及吸收之后，进入室内成为室内得热。玻璃吸收辐射能后温度升高，同时与空腔空气进行换热。由于空气密度差产生热浮升力，驱动空气流动，将玻璃热量带走。采用集总方法，室内外空气温度，各表面对流换热系数及空腔气流温度与速度如图2所示。

图2 双层玻璃幕墙传热过程

如图2所示传热过程，根据各部分能量关系，可得如下能量平衡式：

玻璃层1：

式中：Qsi为各玻璃层太阳辐射吸热量，W/m2；Ti为各玻璃层温度，K；Ta为空腔空气温度，K；Tsky为天空温度，Tsky=0.0552To1.5，K；εi为个表面发射率；σ为斯忒藩-波耳兹曼常数，5.67×10-8W/(m·2K4)；λ1，λ2分别为中空玻璃空气夹层和空腔空气导热系数，W/(m·K)；d1为中空玻璃空气夹层宽度，m；ρ为空气密度，kg/m3；cp为空气定压比热，J/(kg·K)；v为空腔气流速度，m/s。

2.2 参数确定

根据文献[12]与[14]，空腔空气及室内与玻璃间对流换热系数h=8W/(m2·K)，室外空气与玻璃间对流换热系数h=12W/(m·2K)。

根据伯努利方程，从空腔入口至出口处建立能量方程：

式中：△p为压力损失，Pa；H为气流进出口高差，m；ξ，f分别为局部和沿程阻力系数。

空腔内空气受到的热浮升力为：

式中：Ho为室外空气密度，kg/m3。

3 结果分析

结合实测数据，根据式（8）、（9）并通过计算机编程解式（4）～（7），分别模拟计算各玻璃层及空腔空气温度，并与实测值进行对比分析。被测幕墙高度2.4m，幕墙中空间距0.3m。测试的室内外温度及幕墙的太阳辐照度如图3所示，图4则为中空气流速度。

图3 室外温度与太阳辐照度

图4 空腔气流速度

图5表明，从外至内各层玻璃太阳辐射能吸收率依次降低，在太阳辐射峰值时段，最外层与最内层玻璃对太阳辐射能的吸收率相差35%。最外层玻璃的辐射能吸收率超过10%，最内层辐射能吸收率约7%。因此，可根据地区气候特点和季节变化，采取相应的措施减少或者增加玻璃的太阳辐射吸收率，达到一定的节能效果。

图5 各玻璃层太阳辐射吸热量

为了验证本文采用的简化集总计算方法的可行性，采用实测数据进行对比验证。如图6所示，最外层玻璃受到室外侧对流换热系数以及和室外环境间的辐射换热，因而温度最低。

内侧玻璃受到室内温度与气流自然对流换热的影响，温度最高，对于节能与提高室内热舒适效果明显。在温度峰值时段，空腔气流模拟温度较实测温度低1～2℃，其原因为模拟过程未考虑气体的长波辐射作用，以及模拟时采用平均气流速度所致。玻璃层的模拟温度与实测温度差值均在0～1.5℃。总体而言，采用的集总计算方法与实测值吻合度较好，对于建筑设计过程中玻璃幕墙温度的确定及太阳辐射得热难以确定的问题有较好的参考价值。

图6 测试值与模拟计算值的比较

4 结论

双层皮玻璃幕墙的复杂热工特性使得它在建筑设计过程中，热工参数和计算方法存在诸多的不确定性。本文采用集总方法，结合实测数据，对双层皮玻璃幕墙系统的热工性能进行了模拟计算，结果表明模拟结果与实测结果吻合度较好，该法在幕墙设计中可行。

[1]沈艳,李百战,丁勇.“双层皮”外围护结构通风效果的模拟分析[J].建筑科学,2008,24(6):18-21

[2]M Bessoudo,A Tzempelikos,A K Athienitis,et al.Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devi -ces-partⅠ:experiments and building thermal model[J].Building and Environment,2010,45:2506-2516

[3]岑显荣,詹杰民,杨仕超,等.双层玻璃幕墙的CFD模拟与设计优化[J].中山大学学报(自然科学版),2008,47:18-21

[4]陈海,姜清海,郭金基,等.双层通风幕墙热气流有限分析计算方法的研究[J].中山大学学报(自然科学版),2005,44(1):34-37

[5]Jorge S Carlos,Helena Corvacho.Modelling and simulation of a ventilated double window[J].Applied Thermal Engineering, 2011,31:93-102

[6]J Darkwa,Y Li,D H C Chow.Heat transfer and air movement behaviour in a double-skin fa?ade[J].Sustainable Cities and Society,2014,10:130-139

[7]李荣敏,顾建明.玻璃幕墙热通道内气流组织的模拟与分析[J].暖通空调,2007,37(1):23-28

[8]刘斌,梁方岭,梁曙光,等.基于CFD的双层玻璃幕墙热工计算及应用[J].中山大学学报(自然科学版),2010,49:11-14

[9]Elisabeth Gratia,André De Herde.Natural ventilation in a double-skin facade[J].Energy and Buildings,2004,36:137-146

[10]Elisabeth Gratia,André De Herde.Guidelines for improving natural daytime ventilation in an office building with a double-skin facade[J].Solar Energy,2007,81:435-448

[11]Elisabeth Gratia,André De Herde.The most efficient position of shading devices in a double-skin facade[J].Energy and Buildins, 2007,39:364-373

[12]Heinrich Manz.Total solar energy transmittance of glass double facades with free convection[J].Energy and Buildings,2004,36: 127-136[13]Dirk Saelens,Jan Carmeliet,Hugo Hens.Energy performance assessment of multiple-skin facades[J].HVAC＆R Research, 2003,9(2):167-185

[14]H Manza,A Schaelinb,H Simmlera.Airflow patterns and therma -l behavior of mechanically ventilated glass double facades[J]. Building and Environment,2004,39:1023-1033

Sim plifie d Ca lc ula ting Me thod for the The rm a l Prope rty of Double Skin Fa c a de s

NING Yong-fei,ZHANG Jie,CHEN Gang
School of Urban Construction,University of South China

The uncertainty of the thermal parameters and calculating method in the architectural design process is an issue for the complex of the thermal property of double skin facades.To avoid the fairly complicated numerical methods, a lumped method combined with the measured data is used in this paper.The results showed that the simulated and measured data have a good agreement with the comparison.The simplified calculating method in the curtain wall designing is available.

double skin facades,thermal property,lumped method

1003-0344（2015）02-068-4

2014-3-18

宁勇飞（1973～），男，硕士，讲师；湖南省衡阳市常胜西路28号南华大学城市建设学院（421001）；E-mail:nyf305921@163.com

湖南省教育厅高校科研一般项目（11C1116）