夏熱冬冷地區(qū)VDSF自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化＊

陳友明，高麗慧，王衍金，何文皓，郭曉琴

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

通風(fēng)式雙層皮幕墻（VDSF）的通風(fēng)空腔在室外和室內(nèi)之間形成一個(gè)熱緩沖區(qū)，起到保溫隔熱和隔絕室外噪音的作用．其空腔內(nèi)的通風(fēng)形式可以是自然通風(fēng)，也可以是機(jī)械通風(fēng)或者混合通風(fēng)．VDSF技術(shù)復(fù)雜，如何根據(jù)建筑物的使用要求，結(jié)合幕墻所在地的氣候和室外條件，確定熱通道的寬度以及遮陽(yáng)百葉的位置等設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)降低建筑能耗具有重要意義．

關(guān)于通風(fēng)式雙層皮幕墻，國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行過(guò)一些重要的研究．但是，當(dāng)前的VDSF 的研究工作絕大多數(shù)都是針對(duì)寒冷和溫和氣候地區(qū)開(kāi)展的［1－2］，針對(duì)諸如中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)這類相對(duì)惡劣氣候條件地區(qū)應(yīng)用VDSF的研究仍然非常少［3－5］．雙層皮幕墻自然通風(fēng)研究主要有兩種方法，一種是實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法；另一種是通過(guò)建立理想模型進(jìn)行仿真模擬的方法．對(duì)于前者，清華大學(xué)和重慶大學(xué)進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)［6－9］，對(duì)于后者，Saelens等［10］通過(guò)建立二維數(shù)學(xué)模型研究了單元式多層幕墻機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)情況下的節(jié)能性能；李容敏等［11］用ANSYS對(duì)上海某醫(yī)院玻璃幕墻熱通道的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬．

實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法是理論研究和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)和測(cè)量精度的限制，有時(shí)僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法可能很難得到需要的結(jié)果．

本文在已搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)夏季，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下的VDSF 熱通道內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得出自然通風(fēng)效果較好的4種工況．再利用Fluent分別對(duì)這4種工況進(jìn)行模擬和分析，確定自然通風(fēng)下，最佳玻璃幕墻空腔間距及遮陽(yáng)百葉位置．

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于湖南長(zhǎng)沙地區(qū)，實(shí)驗(yàn)有兩組完全一致的通風(fēng)式雙層玻璃幕墻系統(tǒng)，供實(shí)驗(yàn)對(duì)比用．兩組幕墻系統(tǒng)分別安裝在兩間實(shí)驗(yàn)室的南向墻體中，兩間實(shí)驗(yàn)室尺寸均為2．000 m×2．000 m×2．500m．該實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示．實(shí)驗(yàn)室為普通磚混結(jié)構(gòu)，幕墻為實(shí)驗(yàn)室的南墻，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)開(kāi)啟空調(diào)器以維持室內(nèi)溫度恒為25 ℃．

玻璃幕墻系統(tǒng)中內(nèi)、外兩層玻璃上部和下部均留有80mm 寬度的通風(fēng)孔．機(jī)械通風(fēng)時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)對(duì)空腔進(jìn)行抽風(fēng)運(yùn)行．采用鉑電阻溫度傳感器對(duì)室內(nèi)外空氣、幕墻表面、中間空氣層、遮陽(yáng)裝置和進(jìn)、排風(fēng)等溫度進(jìn)行測(cè)量；幕墻前后太陽(yáng)輻射采用總太陽(yáng)輻射儀和散射太陽(yáng)輻射儀進(jìn)行測(cè)量；中間空氣腔流速采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)行測(cè)量．參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示．

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig．1 Experimental set－up diagram

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig．2 Arrangement of measuring points

2 自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2．1 夏季工況測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)長(zhǎng)沙地區(qū)7－10月份幕墻各層溫度分布、進(jìn)出風(fēng)口處溫度、速度分布以及幕墻前后太陽(yáng)輻射值，每10min記錄一次數(shù)據(jù)，每種工況測(cè)試歷時(shí)2d，試驗(yàn)中機(jī)械通風(fēng)所用風(fēng)機(jī)功率58 W，風(fēng)量450m3／h．夏季工況的進(jìn)、出風(fēng)口及氣流流動(dòng)情況如圖3所示．

VDSF分別在自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)條件下，通過(guò)改變內(nèi)、外層玻璃間距、遮陽(yáng)百葉位置等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行工況，以確定最佳設(shè)計(jì)參數(shù)．考慮到城市建筑用地面積，玻璃幕墻熱通道間距一般為0．10～0．40m．實(shí)驗(yàn)中，熱通道間距分別取0．10，0．20，0．30及0．40m．受實(shí)驗(yàn)條件的限制，當(dāng)間距為0．10～0．30m時(shí)，遮陽(yáng)百葉均位于熱通道正中間處；當(dāng)間距為0．40m時(shí)，遮陽(yáng)百葉有3種不同的位置，分別是百葉位于正中間處、離外玻璃0．10和0．30m處．

圖3 VDSF夏季通風(fēng)模式Fig．3 VDSF ventilation mode in summer

2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2．2．1 玻璃間距的影響

在自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)下，分別對(duì)間距為0．10，0．20，0．30和0．40m 的熱通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖4所示．試驗(yàn)中，遮陽(yáng)百葉均位于熱通道正中間處．圖中溫度均為內(nèi)空腔的溫度．

圖4 4種玻璃間距下各自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)對(duì)比Fig．4 Natural and mechanical ventilation under the four glass spacing

從圖4可以看出，當(dāng)玻璃幕墻熱通道間距分別為0．30和0．40m，遮陽(yáng)百葉均位于正中間位置時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果基本一致；而當(dāng)熱通道間距分別為0．10，0．20m 時(shí)，機(jī)械通風(fēng)效果強(qiáng)于自然通風(fēng)．

2．2．2 熱通道內(nèi)有無(wú)遮陽(yáng)百葉的影響對(duì)比

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種工況下，熱通道內(nèi)有無(wú)遮陽(yáng)百葉的情形進(jìn)行了對(duì)比，此時(shí)，玻璃間距為0．40m．結(jié)果如圖5和圖6所示．

圖5 自然通風(fēng)下有無(wú)百葉內(nèi)外空腔溫度場(chǎng)Fig．5 The internal and external cavity temperature field in natural ventilation

圖6 機(jī)械通風(fēng)下有無(wú)百葉內(nèi)外空腔溫度場(chǎng)Fig．6 The internal and external cavity temperature field in mechanical ventilation

由圖5和圖6可以看出，在夏季，無(wú)論是自然通風(fēng)還是機(jī)械通風(fēng)，在一天的1／3時(shí)間里（太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的時(shí)間段）無(wú)百葉情形下熱通道內(nèi)溫度均低于有百葉的情形，丹麥技術(shù)大學(xué)Poirazis在對(duì)DSF進(jìn)行研究后也得出了相似的結(jié)論［12］：玻璃幕墻內(nèi)的遮陽(yáng)裝置往往會(huì)影響熱通道內(nèi)的通風(fēng)效果，特別是在夏季室內(nèi)外溫差較大的情況下，會(huì)降低由于通風(fēng)作用所帶走的熱量．而其余時(shí)間結(jié)果正好相反，這是由于百葉層吸收的太陽(yáng)輻射要高于玻璃幕墻其他各層［6］．

2．2．3 百葉位置的影響

測(cè)試室1為自然通風(fēng)，測(cè)試室2為機(jī)械通風(fēng)，兩個(gè)測(cè)試室的熱通道間距均調(diào)至0．40m，兩個(gè)測(cè)試室遮陽(yáng)百葉距外玻璃距離均分別調(diào)至0．10，0．20，0．30m，百葉葉片角度為45°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示．由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法對(duì)熱通道間距為0．30m，百葉位于不同位置的情形進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．

圖7 不同百葉位置下自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)對(duì)比Fig．7 Natural and mechanical ventilation under different blind location

從圖7可以看出，玻璃間距為0．40 m，當(dāng)百葉位于正中間或距外玻璃0．10 m 時(shí)，其自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果十分接近．

接下來(lái)借助Fluent軟件對(duì)玻璃間距分別為0．30，0．40 m 及百葉位于正中間和距外玻璃0．10 m 的4種工況進(jìn)行模擬．

3 軟件模擬分析

3．1 模型的建立

VDSF的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖8，其中，VDSF 的熱通道間距分別為0．30，0．40m，高度為2．45 m，遮陽(yáng)百葉分別位于正中間及距外玻璃0．10m 處．這里，將百葉葉片簡(jiǎn)化成多孔介質(zhì)模型［13］（圖8），其內(nèi)部阻力因子C2為19．184，粘性阻力1／a為9 424 761．外層玻璃采用6mm＋9mm＋6mm 雙層中空鋼化玻璃，鋁合金邊框固定；內(nèi)層玻璃則采用8mm 鋼化玻璃，不銹鋼邊框固定；內(nèi)、外兩層玻璃上部和下部均留有80mm 寬度的通風(fēng)孔，且內(nèi)層玻璃上部和下部通風(fēng)孔被堵?。褂肂oussinesq假設(shè)［14］；熱通道內(nèi)流體視為不可壓縮流體，經(jīng)計(jì)算得其雷諾數(shù)Re＝4．72×104＞2 000，流體處于湍流狀態(tài)，因此采用kε湍流模型．輻射換熱選用DO 輻射模型；取正午時(shí)分的太陽(yáng)輻射值，其照度［5］為178．14 W／m2；自然通風(fēng)；進(jìn)風(fēng)口處溫度取實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度的日平均溫度，其值為300K．

圖8 帶百葉、多孔介質(zhì)的VDSF Fig．8 VDSF with blind－porous media

3．2 模擬結(jié)果及分析

4種工況說(shuō)明如表1所示．

表1 4種工況Tab．1 The four conditions

3．2．1 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

為了確定模擬結(jié)果的可靠性，對(duì)工況1的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在內(nèi)層玻璃豎直方向上只布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此，模擬結(jié)果也對(duì)應(yīng)取這3個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的溫度．對(duì)比結(jié)果如圖9所示，圖中實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)點(diǎn)溫度取正午時(shí)分對(duì)應(yīng)的溫度．

由圖9可見(jiàn)，模擬結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果要高0．5 ℃左右，這是因?yàn)槟M時(shí)取的太陽(yáng)輻射要高于實(shí)驗(yàn)時(shí)的太陽(yáng)輻射值，但是兩者的整體趨勢(shì)是保持一致的，所以，模擬結(jié)果可靠．

圖9 模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig．9 Simulation and experimental results

3．2．2 各工況內(nèi)層玻璃表面溫度分布

各工況內(nèi)層玻璃表面溫度分布如圖10所示．

腔內(nèi)空氣吸收熱量后，溫度不斷升高，形成上升的氣流浮升力（煙囪效應(yīng)），因此，出風(fēng)口溫度應(yīng)高于玻璃幕墻內(nèi)壁溫度，這樣才能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)［12］．由圖10可見(jiàn)，這4種工況均能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)．與工況1和工況2相比，工況3和工況4在工作區(qū)域內(nèi)溫度分布較均勻且低，即玻璃間距為0．30m的溫度分布較好．

3．2．3 各工況速度場(chǎng)模擬結(jié)果

4種工況熱通道內(nèi)速度分布如圖11所示．

圖10 4種工況下內(nèi)層玻璃表面溫度分布Fig．10 The inside glass surface temperature distribution under the four conditions

由圖11可見(jiàn)，這4種工況熱通道內(nèi)均不存在死區(qū)（即氣流速度為零的區(qū)域）．當(dāng)百葉位于相同位置，玻璃間距0．30m 的熱通道內(nèi)氣流速度比玻璃間距0．40m 的工況要高．其中圖11（d）即工況4，氣流速度最大；當(dāng)百葉離外玻璃0．10m 時(shí)，玻璃間距無(wú)論是0．40m還是0．30m，內(nèi)空腔的氣流速度分布較百葉位于正中間的情形要均勻．由此可見(jiàn)，這幾種工況中，玻璃間距為0．30m，百葉位于離外層玻璃0．10 m 的工況，其通風(fēng)效果最佳．

圖11 4種工況下y＝1．00m 處速度分布Fig．11 y＝1．00m，the velocity distribution under the four conditions

4 結(jié) 論

夏熱冬冷地區(qū)，在夏季，無(wú)論自然通風(fēng)還是機(jī)械通風(fēng)，熱通道內(nèi)的百葉均會(huì)影響其通風(fēng)效果，這與Poirazis的結(jié)論吻合．

為了優(yōu)化玻璃幕墻設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)沙地區(qū)，對(duì)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熱通道玻璃幕墻高度（2．5m）相同的玻璃幕墻模型進(jìn)行了模擬，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)玻璃間距分別為0．30和0．40m 時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果十分接近，因此，可以利用自然通風(fēng)，以節(jié)約能源．

2）自然通風(fēng)下，當(dāng)玻璃間距分別為0．30 和0．40m時(shí)，它們熱通道內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分別相似．

3）當(dāng)自然通風(fēng)時(shí)，最佳玻璃間距為0．30 m，百葉離外層玻璃0．10m．

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