夏热冬冷地区外循环式DSF建筑能耗研究

刘 猛， 韩书生， 杨 伟， 王庭阳， 刘世昌

夏热冬冷地区外循环式DSF建筑能耗研究

刘 猛1， 韩书生2， 杨 伟1， 王庭阳1， 刘世昌1

（1.中国建筑上海设计研究院有限公司，上海 200063；2.悉地国际，上海 200433）

针对夏热冬冷地区常用的外循环式双层皮玻璃幕墙（DSF），采用EnergyPlus软件建立了DSF的模型，介绍了建模方法以及在EnergyPlus软件中参数的设置，并介绍了通风腔内的气流特性，确定了通风腔中形成自然对流的流速，对模型进行校核，然后对比DSF与单层玻璃幕墙全年的空调能耗和采暖能耗，分析了南向和西向内玻发射率对全年的空调能耗和采暖能耗的影响，最后对于不同遮阳策略，分析了基于室外温度指标和太阳辐射指标两种遮阳控制策略对能耗的影响。

双层皮玻璃幕墙； 通风腔； 夏季工况； 建筑能耗

0 引言

对于适合夏热冬冷地区使用的外循环箱体式双层皮玻璃幕墙（Double-Skin Fa ade，DSF）[1]，夏季使用时为避免太阳辐射进入室内造成空调负荷过大，必须使用遮阳装置将太阳辐射“阻挡”在通风腔内，并以对流换热的形式将这部分热量传递给通风腔内的空气，被加热的空气在热浮升力的驱动下形成自下而上的有序流动，将这部分热量带出至外界环境[2]。

由于DSF的透光面积大，室内可以充分利用自然光以降低照明能耗以及照明引起的空调能耗。但遮阳装置的透射率对辐射得热非常敏感，因此也不能为了利用自然光照明而过分增加遮阳装置的透射率。以下将运用EnergyPlus软件模拟分析不同朝向的DSF能耗，并结合自然采光的使用，提出相应的遮阳控制策略以降低DSF建筑的总能耗。

1 物理模型

为进行DSF的能耗模拟，建立如图1所示的建筑模型。图1中所采用的建筑模型为长20m、宽20m、高12m的三层简单建筑，为了使与DSF相连的建筑区域只受DSF的影响而不受其它区域的干扰，应使安装DSF的房间的其它5个面都与空调房间相邻，减少房间之间通过内墙的热量传递。具体做法是将该建筑分成上、中、下三层，中间层分隔出一个长×宽×高=10m×10m×4m的区域作为研究对象，这个房间被中间层其余区域完全包围，仅有这个正方形房间的外立面使用了双层皮玻璃幕墙。除此正方形房间外，其它每个区都设空调，空调季和采暖季都设定相同的温度。

图1 箱体式DSF结构

表1 建筑围护结构相关参数

表2 上海地区气象参数

气象参数 数值采暖度日数 1691制冷度日数 2847纬度 31.17°经度 -121.3°ASHRAE冬季设计干球温度（1%） -4℃夏季设计干、湿球温度（1%） 34℃/28.2℃

2 EnergyPlus模型

2.1 DSF的构造

EnergyPlus软件中没有现成的DSF模块可以使用，因此采用窗结构代替。窗外层玻璃与DSF外侧玻璃相对应，使用普通白玻璃；窗内层玻璃与DSF内侧玻璃相对应，使用Double Low-E玻璃；内、外层玻璃之间放置

该建筑各面外墙都采用保温良好的2英寸保温层+12英寸加气混凝土；地板采用8英寸加气混凝土；屋面采用2英寸保温材料+6英寸加气混凝土；为减少建筑内部房间之间的热量传递，内墙采用10英寸加气混凝土的重质材料。各种围护结构的U值按照ASHRAE Standard 90.1-2004 Appendix G对Baseline Building的规定进行设置，见表1。

能耗模型中采用上海地区标准气象年数据（TMY2），上海地区主要气象参数见表2。遮阳百叶，与实际DSF遮阳百叶相对应[3]，结构如图2所示。

图2 EnergyPlus软件中建立的DSF模型

遮阳百叶与内、外层玻璃之间有空气间层，与实际DSF通风腔空气间层相对应。空气流动可根据实际DSF通风腔中空气流动方式进行控制。一般而言，DSF通风腔气流的循环方式主要有图3所示五种：1）室内到室外；2）室内到室内；3）室外到室内；4）室外到室外；5）室内到回风。如果DSF采用了外循环式，则通风腔气流应选择室外到室外模式；如果DSF采用了内循环式，则通风腔气流应选择2）或5）模式。

图3 DSF通风腔的气流循环形式

DSF实际应用中，遮阳百叶一般不会处于通风腔的正中间，即内外侧空气间层的厚度是不同的，但在EnergyPlus中，内、外空气间层的厚度必须相同，即遮阳百叶必须处于通风腔的正中间。本文的研究是基于遮阳百叶处于通风腔的正中间进行的。

2.2 通风腔内的气流

EnergyPlus软件不能根据通风腔的尺寸以及外界环境和通风腔内的温差计算出通风腔的热浮升力，从而计算出通风腔内气流的流速或流量。因此，进行DSF的能耗模拟时，必须指定通风腔内的气流流量。

图4 Fluent模拟气流与EnergyPlus模拟能耗的联合框架

文献[4]采用CFD方法分析通风腔的传热过程，通风腔内的气流特性已经模拟出来。在收敛的流场中沿高度方向，在通风腔的中部（H=2m）处水平地取11个点，取平均值得到通风腔的平均气流速度uf=0.246m/s,将此气流特性作为边界条件输入EnergyPlus中的建筑模型，由此来计算DSF的得热情况。

2.3 模型的校核

为提高能耗模拟的准确性，在进行能耗模拟之前首先建立及其校核模型。也就是说，首先在EnergyPlus中建立一个通用的建筑模型，其中只有一面围护结构是DSF。选取典型工况，计算出空调负荷。如果模拟的结果和理论计算的结果足够接近，就认为这个Energy-Plus的模型是正确的；如果偏差比较大，则对Energy-Plus模型进行修正，直到它达到理论分析的准确度为止[5]。

图5 DSF形成的冷负荷模拟值和理论值

从图5中看出，模拟结果和理论计算值很接近，冷负荷的峰值大小分别为1031.2W和1054.1W，偏差为2.22%，逐时冷负荷的标准差为4.79W，这个结果也在工程可接受的范围之内。至此认为EnergyPlus模型已经调整得和理论计算值相吻合，可以用来进行其它工况下得热、负荷以及能耗的模拟计算。

3 DSF的能耗特性

假定模拟的整栋建筑为办公建筑，工作日每天空调的运行时间为8:00-18:00，周末和节假日空调不运行。采暖季室内设定温度为18℃，制冷季室内设定温度为24℃。本文主要研究DSF形成的空调能耗，因此模型中没有考虑内部负荷，即设定人员密度为0，室内照明负荷为0。

3.1 DSF与单层玻璃幕墙的能耗对比

图6 DSF和单层玻璃幕墙的能耗对比

如图6所示，南向DSF的年采暖能耗为1.58GJ，南向单层玻璃幕墙的年采暖能耗为1.93GJ，二者相差22.15%；北向DSF的年采暖能耗为2.09GJ，南向单层玻璃幕墙的年采暖能耗为2.83GJ，二者相差35.4%。与年空调能耗相比，DSF的采暖能耗与单层玻璃幕墙的采暖能耗相差小得多。这是因为冬季南北向均不使用遮阳装置，南向DSF的太阳辐射透射率稍小于单层玻璃幕墙，但通风腔形成了“温室”加大了热阻，减少了室内热量向外界的散失，因而采暖能耗稍小于单层玻璃幕墙。建筑北向无论DSF还是单层玻璃幕墙，其能耗均大于南向，这是因为北向太阳辐射得热远小于南向所致。

3.2 内侧中空玻璃发射率对能耗的影响

夏季通风腔内气流温度较高而冬季时温度较低，为了减小通风腔向室内的长波辐射换热，DSF内侧一般使用中空Low-E玻璃。这样保证可见光谱大部分透过而通风腔内的长波辐射尽可能被阻挡，下面模拟内侧玻璃不同发射率对全年能耗的影响。

图7 南向DSF内玻发射率与能耗的关系

从图7可以看出，南向DSF的空调能耗和采暖能耗与内玻发射率成正相关关系，二者都随发射率的增加而增大。图中拟合了空调能耗和采暖能耗与内玻发射率的一次函数关系，发射率每增加0.1，空调能耗增加约77.5MJ，采暖能耗约增加54.5MJ，年总能耗约增加132MJ。这是因为夏季工况时，通风腔内温度很高，较低的发射率降低了内玻与通风腔内高温气体之间的辐射换热，也降低了内玻与温度较高的DSF外侧玻璃之间辐射换热，即长波辐射被有效得“阻挡”于DSF内玻的外部，减小了室内的得热；冬季工况为了获得较多的直射太阳辐射，南向DSF一般不使用遮阳百叶，DSF外侧玻璃邻接外界环境温度非常低，因此随着发射率的增加，DSF内外侧玻璃间的辐射换热加大，室内热量向外散失加剧，导致采暖能耗随之增加。因此，从降低南向DSF总能耗考虑，应尽量减小内玻发射率。

图8 西向DSF内玻发射率与能耗的关系

西向DSF的空调能耗和采暖能耗与内玻发射率成正相关关系，二者都随发射率的增加而增大。图8中拟合了空调能耗和采暖能耗与内玻发射率的一次函数关系，发射率每增加0.1，空调能耗增加约92.5MJ，采暖能耗约增加69.5MJ，年总能耗约增加162MJ。DSF内侧使用发射率较小的玻璃，有利于降低空调能耗、采暖能耗以及全年的总能耗。

3.3 遮阳策略对能耗的影响

DSF遮阳策略要兼顾采光、视野以及能耗等各个方面，所以非常复杂，EnergyPlus软件默认的遮阳控制策略就有20多种[6]。本文研究以上海地区为例，分别以空调和采暖为出发点，考察不同遮阳策略对能耗的定量影响。以采暖为出发点时，选择室外温度为设定指标，当室外气温低于室内气温设定值18℃时，就取消遮阳；以供冷为出发点时，选择外立面的太阳辐射强度为设定指标，当辐射强度超过50W/m2时，遮阳百叶开始工作。

表3 不同朝向不同遮阳策略的能耗对比

从模拟计算结果中可以看出，基于室外温度的遮阳控制策略，对于年采暖能耗比较有利，南、北、东、西四个朝向分别比采用辐射指标的遮阳控制策略全年节能24.80%、17.54%、27.00%、17.99%，其中南向和东向的节能率较大，而西向和北向稍小，这是因为南向和东向全年的太阳辐射较大，基于室外温度的遮阳控制策略在采暖季遮阳百叶都处于收起状态，DSF室内可以获得较多的太阳辐射热量；基于太阳辐射强度的遮阳控制策略，对于年空调能耗比较有利，南、北、东、西四个朝向分别比采用温度指标的遮阳控制策略全年节能8.70%、3.08%、8.40%、4.37%，与前一种遮阳策略相同的是，南向和东向的节能率较大而西向和北向稍小，这是因为空调季南向和东向的太阳辐射较大，基于太阳辐射的遮阳控制策略在空调季遮阳百叶都处于工作状态，将太阳辐射阻挡住DSF通风腔内，然后被通风腔内的自然对流气流带出至外界环境，DSF室内获得的太阳辐射热量较少。这说明，遮阳策略对能耗的影响是非常显著的。

对比了典型设计日两种遮阳控制策略，室外温度指标的能耗相差较大，四个朝向都在25%左右；而太阳辐射指标的能耗相差较小，四个朝向都不超过5%，这说明典型设计日遮阳策略对热负荷的影响要大于对冷负荷的影响。这是因为空调季太阳辐射和气温都很高，因此两种遮阳策略很大程度上是相同的；而在采暖季，太阳辐射强的时候气温未必高，两种遮阳策略执行的结果就出现了差异。这说明单单使用某一种策略，往往此消彼长，很难兼顾到各种要求，所以在实际运行中，比较理想的办法是根据气候特点，制定有针对性的遮阳控制方案，使得采暖和空调的能耗都能控制在较低的水平，以降低年度总运行能耗。

4 结语

针对夏热冬冷地区常用的外循环式双层玻璃幕墙（DSF），采用EnergyPlus软件建立了DSF的模型，确定了通风腔中形成自然对流的流速，对模型进行校核，并对比了DSF与单层玻璃幕墙全年的空调能耗和采暖能耗，分析了南向和西向内玻发射率对全年的空调能耗和采暖能耗的影响，最后对于不同遮阳策略，分析了基于室外温度指标和太阳辐射指标两种遮阳控制策略对能耗的影响。希望本文的研究能为夏热冬冷地区的DSF设计和运行策略提供参考和依据。

[1]W.J.Stec，A.H.C.van Paassen，A.Maziarz.Modelling the double skin fac，ade with plants[J].Energy and Buildings,2005,37:419-427.

[2]Zhu Qingyu，Du Guofu，Zou Yu.CFD simulation on complex heat transfer coefficient of a mechanically ventilated airflow window[J].Heating Ventilating&Air Conditioning，2005，35（6）:102-106.

[3]G.Gan.Thermal transmittance of multiple glazing:computational fluid dynamics prediction[J].Applied Thermal Engineering，2001，21:1583-1592.

[4]刘猛，龙惟定.夏季工况双层皮玻璃幕墙综合传热系数计算模型[J].同济大学学报（自然科学版），2009，37（10）:1403-1408.

[5]蒋骞.Double-Skin Fa ade建筑的能耗分析及适用性研究[D].上海:同济大学，2005.

[6]http://www.energyplus.gov/[DB/OL].

Research on Energy Consumption of Double-skin Fa ade Building in Summer Hot and Winter Cold Areas

LIU Meng1， HAN Shu-sheng2， YANG Wei1， WANG Ting-yang1， LIU Shi-chang1

（1.China Shanghai Architecture Design&Research Institute Co.Ltd，Shanghai 200063，China；2.CCDI，Shanghai 200433，China）

Build a EnergyPlus model for double-skin fa ade building which is applicable to be used in summer hot and winter cold areas.Introduce the methodology of DSF model，parameters setting in the simulation，air flow velocity distribution in the ventilation cavity respectively.Model calibration is performed before the simulation in case of deviations.Afterwards whole year building energy consumption comparison between DSF and single-skin fa ade，interior emission coefficient of southern and western fa ade are done.Different shading control strategy based outdoor temperature and solar radiation are analyzed.

double-skin Fa ade； ventilation cavity；summer working condition；building energy consumption

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.014

TU111.4

B

2095-3429（2017）04-0062-05

中建股份科技研发课题支撑项目“夏热冬冷地区双层玻璃幕墙热工性能的应用研究”（CSCEC-2014-Z-45）

刘 猛（1979-），男，河南巩义人，博士，高级工程师，主要从事建筑节能和节能改造的研究。

2017-06-21

修回日期：2017-07-17