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

1、夏熱冬冷地區(qū)VDSF自然通風(fēng)實(shí)驗(yàn)研究與優(yōu)化摘要：以長(zhǎng)沙作為夏熱冬冷地區(qū)的典型城市，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)位于長(zhǎng)沙地區(qū)的一已搭建好的通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)時(shí)熱通道內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)展比照分析.研究說(shuō)明，當(dāng)玻璃間距分別為0.10，0.20，0.30和0.40m時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng);當(dāng)玻璃間距為0.30和0.40m時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果非常接近.對(duì)熱通道內(nèi)百葉的位置進(jìn)展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)玻璃間距為0.40m，百葉位于離外玻璃0.10m或位于熱通道正中間時(shí)，自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果根本一致.結(jié)合Fluent軟件分別對(duì)自然通風(fēng)狀態(tài)下通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻玻璃間距為0.30和0.40m，百葉位置位于離外

2、玻璃0.10m及位于熱通道正中間的情形分別進(jìn)展流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬比照分析.結(jié)果說(shuō)明，夏季，通風(fēng)式雙層皮玻璃幕墻自然通風(fēng)下的最正確玻璃間距是0.30m，百葉離外層玻璃0.10m.關(guān)鍵詞：通風(fēng)式雙層皮幕墻;自然通風(fēng);流場(chǎng);溫度場(chǎng);玻璃間距;百葉位置中圖分類號(hào)：TU111.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AExperimentalResearchandOptimizationofNaturalVentilationforVDSFinZonesHotinSummerandColdinWinterCHENYouming，GAOLihui，WANGYanjin，HEWenhao，GUOXiaoqinCollegeofCi

3、vilEngineering，HunanUniv，Changsha，Hunan410082，ChinaAbstract：Changshaisatypicalzonehotinsummerandcoldinwinter.Byusingthemethodofexperiment，naturalandmechanicalventilation'sflowfieldsandtemperaturefieldsofaVDSF，whichhasbeenbuiltinChangsha，itsfeatureswereanalyzedandcompared.Whentheglazingspacingofg

4、lasscurtainwas0.10m，0.20m，0.30mand0.40m，naturalventilationcouldallberealized，andtheeffectofthelattertwo'snaturalandmechanicalventilationwasveryclose.Also，thepositionsoftheblindintheheatpassagewerestudied，andtheresultsshowedthat，whentheglazingspacingwas0.40mandtheblindwaslocatedinthemiddlepositio

5、noratadistanceof0.10mfromtheexternalwall，theeffectofnaturalventilationandmechanicalventilationwasbasicallyidentical.Inordertofindoutthenaturalventilation'soptimumglazingspacingandthebestpositionoftheblindinsummer，thispaperhassimulatedfourconditionswithFluentrespectively，theglazingspacingwas0.30m

6、and0.40m，andtheblindwaslocatedinthemiddlepositionatadistanceof0.10mfromtheexternalwall.Theresultsshowedthat，insummer，thenaturalventilation'soptimumglazingspacingis0.30m，andtheblindfromtheouterglassis0.10m.Keywords：VDSFventilateddoubleskinfacades;naturalventilation;flowfields;temperaturefields;gl

7、assspacing;blindlocation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)展過(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

8、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)展仿真模擬的方法.對(duì)于前者，清華大學(xué)和重慶大學(xué)進(jìn)展了一些實(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)展了模擬.實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法是理論研究和數(shù)值方法的根底，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)展比照分析，得出自然通風(fēng)效果較好的4種工況.再利用Fluen

9、t分別對(duì)這4種工況進(jìn)展模擬和分析，確定自然通風(fēng)下，最正確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)比照用.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2.000m×2.000m×2.500m.該實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造簡(jiǎn)圖如圖1所示.實(shí)驗(yàn)室為普通磚混構(gòu)造，幕墻為實(shí)驗(yàn)室的南墻，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)開啟空調(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)開啟風(fēng)機(jī)對(duì)空腔進(jìn)展抽風(fēng)運(yùn)行.采用鉑電阻溫度傳感器對(duì)室內(nèi)外空氣、幕墻外表、中間空氣層、遮陽(yáng)裝置和

10、進(jìn)、排風(fēng)等溫度進(jìn)展測(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)展測(cè)量;中間空氣腔流速采用熱線風(fēng)速儀進(jìn)展測(cè)量.參數(shù)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示.2自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)實(shí)驗(yàn)比照分析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58W，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，以確定最正確設(shè)計(jì)參數(shù).考慮到城市建筑用地面積，玻璃幕墻熱

11、通道間距一般為0.100.40m.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0.100.30m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.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)展實(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.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

12、風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果根本一致;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)百葉的影響比照實(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)展了比照，此時(shí)，玻璃間距為0.40m.結(jié)果如圖5和圖6所示.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)展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

13、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)百葉距外玻璃間隔 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)展比照實(shí)驗(yàn).從圖7可以看出，玻璃間距為0.40m，當(dāng)百葉位于正中間或距外玻璃0.10m時(shí)，其自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)效果非常接近.接下來(lái)借助Fluent軟件對(duì)玻璃間距分別為0.30，0.40m及百葉位于正中間和距外玻璃0.10m

14、的4種工況進(jìn)展模擬.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2.45m，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9424761.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)層玻璃那么采用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)孔被堵住.使用Boussinesq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

15、×1042000，流體處于湍流狀態(tài)，因此采用k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178.14W/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.3.2.1模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比照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)展驗(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.比照結(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

16、擬結(jié)果可靠.3.2.2各工況內(nèi)層玻璃外表溫度分布各工況內(nèi)層玻璃外表溫度分布如圖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.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)百葉位于一樣位置，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

17、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0.10m的工況，其通風(fēng)效果最正確.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一樣的玻璃幕墻模型進(jìn)展了模擬，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)效果非常接近，因此，可以利用自然通風(fēng)，以節(jié)約能源.2自然通風(fēng)

18、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)，最正確玻璃間距為0.30m，百葉離外層玻璃0.10m.參考文獻(xiàn)1BALDINELLIG.Doubleskinfacadesforwarmclimateregions：analysisofasolutionwithanintegratedmovableshadingsystemJ.BuildingandEnvironment，2021，446：1107-1118.2HAASEM，DASILVAFM，AMATOA.Simulationofventilatedfacadesinhotandhumidcl

19、imatesJ.EnergyandBuildings，2021，414：361-373.3ZHOUJuan，CHENYouming.AreviewonapplyingventilateddoubleskinfacadetobuildingsinhotsummerandcoldwinterzoneinChinaJ.RenewableandSustainableEnergyReviews，2021，144：1321-1328.4ZHOUJuan，CHENYouming，F(xiàn)ANGShanshan.Ventilateddoubleskinfacadesinhotsummerandcoldwinterz

20、onesinChinaJ.JournalofHunanUniversity：NaturalSciences，2021，36S1：160-162.5周娟.建筑圍護(hù)構(gòu)造動(dòng)態(tài)傳熱模擬方法的研究D.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2021：34-36，97-101.ZHOUJuan.SimulationmethodsresearchontransientheattransferthroughbuildingenvelopeD.Changsha：SchoolofCivilEngineeringofHunanUniversity，2021：34-36，97-101.InChinese6謝士濤，曾曉武.超低能耗

21、示范樓建筑幕墻技術(shù)研究J.住宅產(chǎn)業(yè)，20219：75-77.XIEShitao，ZENGXiaowu.ResearchoncurtainwalloflowenergyconsumptionbuildingJ.HousingIndustry，20219：75-77.InChinese7劉晶晶.雙層玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)研究D.北京：清華大學(xué)建筑學(xué)院，2006：24-34.LIUJingjing.StudyonenergyefficientdesignofdoubleskinfacadesD.Beijing：SchoolofArchitectureofTsinghuaUniversity，2006：2

22、4-34.InChinese8丁勇，李百戰(zhàn)，劉紅.重慶某雙層皮外圍護(hù)構(gòu)造通風(fēng)效果實(shí)測(cè)及分析J.暖通空調(diào)，2007，378：42-45.DINGYong，LIBaihong，LIUHong.FieldmeasurementandanalysisofventilationeffectsofadoubleskinfacadeinChongqingJ.HeatingVentilatingAirConditioning，2007，378：42-45.InChinese9錢發(fā).雙層皮玻璃幕墻通風(fēng)性能研究D.重慶：重慶大學(xué)城市建立與環(huán)境工程學(xué)院，2021：29-51.QIANFa.NatureventilationfordoubleskinfacadeD.Chongqing：SchoolofUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringofChongqingUniversity，2021：29-51.InChinese10SAELENSD，ROELSS，HENSH.Theinlettemperatureasaboundaryconditionformultipleskinfacademode