雙層幕墻是一種新型的節(jié)能玻璃幕墻，它通常由外層單層玻璃和內(nèi)層中空玻璃組成，兩層幕墻中間形成了空氣流動(dòng)的熱通道。為增強(qiáng)雙層幕墻的遮陽(yáng)效果和通風(fēng)散熱能力，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在熱通道內(nèi)安裝遮陽(yáng)百葉，并在進(jìn)出風(fēng)口處設(shè)置排氣裝置。
雙層幕墻的外層玻璃受太陽(yáng)輻射熱作用，熱通道的空氣被加熱，產(chǎn)生熱浮力而形成自然熱氣流，又稱(chēng)為“煙囪效應(yīng)”。為增強(qiáng)雙層幕墻的“煙囪效應(yīng)”，必須對(duì)熱通道內(nèi)的熱氣流流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)此，前文[1]已用有限元分析法作過(guò)計(jì)算。本文利用太陽(yáng)能發(fā)電驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)雙層幕墻進(jìn)行強(qiáng)迫送風(fēng)，并研究強(qiáng)化熱氣流的成因，首先建立熱氣流流動(dòng)的三維流體動(dòng)力學(xué)模型，借助FLUENT軟件對(duì)雙層幕墻進(jìn)行熱工模擬，計(jì)算在無(wú)遮陽(yáng)、遮陽(yáng)百葉全開(kāi)、遮陽(yáng)百葉封閉等三種工況下強(qiáng)化熱氣流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，并與自然熱氣流(即無(wú)強(qiáng)迫送風(fēng))的情況進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)強(qiáng)化熱氣流流量及熱功率顯著增加的原因進(jìn)行探討，對(duì)雙層幕墻節(jié)能技術(shù)的改進(jìn)有重大的實(shí)用意義。
1.物理模型及邊界條件
1.1 基本假設(shè)
參照國(guó)內(nèi)外在使用CFD技術(shù)模擬雙層玻璃幕墻通風(fēng)傳熱方面的經(jīng)驗(yàn)[2]~ [10]，以及本幕墻系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)，我們作以下的基本假設(shè)：(1)穩(wěn)定的外界環(huán)境條件；(2)熱通道內(nèi)的空氣為不可壓縮牛頓流體，并且滿(mǎn)足Boussinesq假設(shè)；(3)不考慮玻璃壁面蓄熱；(4)假定幕墻密封性能好，不考慮空氣滲透；(5)常溫下幕墻材料特性與溫度無(wú)關(guān)；(6)忽略室外風(fēng)速的影響。
1.2 數(shù)學(xué)模型
空腔內(nèi)空氣的自然對(duì)流是在重力場(chǎng)或其他力場(chǎng)的作用下由密度差引起的浮升力產(chǎn)生的，因此必須考慮動(dòng)量方程中的體積力項(xiàng)
的影響，引入Boussinesq假設(shè)建立三維穩(wěn)態(tài)方程組[11]。
連續(xù)性方程：
(1)
式中
——空氣密度，是溫度的函數(shù)，
；
u、v、w ——x、y和z方向的速度分量，m/s。
狀態(tài)方程：
(2)
式中Ｐ——壓力，Pa；
Ｒ——?dú)怏w常數(shù)，R=287J/(kg·K)；
Ｔ——空氣溫度，K。
動(dòng)量方程和能量方程可以寫(xiě)成通用形式：
(3)
式中
——通用變量；
——與相對(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)；
——與相對(duì)應(yīng)的廣義源項(xiàng)。
1.3 氣象條件與物性參數(shù)
依據(jù)氣象條件參考文獻(xiàn)[12]，選擇夏季(最熱時(shí))，平均太陽(yáng)輻射照度為591.00 W/m2；參考?xì)鈮喝闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓，101325 Pa；空氣密度，1.1133 kg/m3；空氣熱膨脹系數(shù)，0.003225(1/K)；空氣比熱，1006.43J/(kg*K)；室外計(jì)算溫度，38.1℃；重力加速度g = 9.81 m/s2。
根據(jù)工程實(shí)際外層玻璃的物性參數(shù)[13]選取：傳熱系數(shù)5.7 W/(m2*K)，吸收率0.59、反射率0.10、透射率0.31；內(nèi)層中空玻璃：傳熱系數(shù)1.8 W(/m2*K)，吸收率0.49、反射率0.25、透射率0.26。
1.4 模型選擇與邊界條件
雙層幕墻內(nèi)的空氣在吸收太陽(yáng)輻射后，空氣密度變小，從而產(chǎn)生熱氣流的流動(dòng)，在不同的室外氣溫條件和太陽(yáng)輻射照度下，流態(tài)可分成層流及紊流兩種形式，其判別的依據(jù)是雷諾數(shù)(Re)。當(dāng)Re < 2320時(shí)，屬于層流流動(dòng);當(dāng)Re > 4000時(shí)，屬于紊流流動(dòng);當(dāng) 2320 < Re < 4000時(shí)，熱氣流的流動(dòng)處于臨界狀態(tài)，既可能是層流也可能是紊流流動(dòng)，要結(jié)合實(shí)際情況判別[14]。根據(jù)幕墻系統(tǒng)的尺寸和氣象條件，在計(jì)算出相應(yīng)的Re后作流態(tài)判別，夏季和夏季(熱)兩個(gè)系列工況里采用的是RNG
紊流模型，冬季的系列工況則采用層流(laminar)模式。空氣的密度變化采用Boussinesq假設(shè)，以準(zhǔn)確模擬雙層幕墻內(nèi)因溫差而產(chǎn)生的自然對(duì)流現(xiàn)象。
在邊界條件設(shè)置方面，自然送風(fēng)情況下的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口(Pressure-Inlet)與壓力出口(Pressure-Outlet)，并給定相應(yīng)的壓力、溫度及紊流參數(shù)。而強(qiáng)迫送風(fēng)時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)扇的流量-壓力曲線(xiàn)在進(jìn)風(fēng)口處給定相應(yīng)的壓升參數(shù)。內(nèi)外層玻璃則根據(jù)熱平衡方程，給定固壁溫度邊界條件，作為浮力產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)因素。熱通道頂端和底部等其他區(qū)域設(shè)置為絕熱壁面[15]。
2.求解策略及計(jì)算結(jié)果
雙層幕墻進(jìn)風(fēng)口面積：142×1200 mm2，出風(fēng)口面積：276×1200 mm2，熱通道間距187mm，高度2500mm，建模時(shí)采用三維笛卡爾坐標(biāo)，網(wǎng)格劃分主要采用六面體結(jié)構(gòu)單元，模型的體單元數(shù)目為200萬(wàn)。每個(gè)case經(jīng)過(guò)約8000個(gè)迭代步的運(yùn)算后，流域里監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度、壓力和溫度基本上達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這時(shí)即認(rèn)為計(jì)算收斂，可進(jìn)入后處理階段，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析[16]。
自然熱氣流是指“煙囪效應(yīng)”產(chǎn)生自然流動(dòng)的氣流;強(qiáng)化熱氣流是指由太陽(yáng)能發(fā)電提供給蓄電池驅(qū)動(dòng)小風(fēng)扇送風(fēng)(或稱(chēng)強(qiáng)化“煙囪效應(yīng)”)。熱功率則指從出風(fēng)口每小時(shí)由熱通道氣流帶走的熱空氣能量。關(guān)閉是指遮陽(yáng)百葉開(kāi)度為0°即各層葉片處于垂直位置，不透光;全開(kāi)是指遮陽(yáng)百葉開(kāi)度為90°即各層葉片處于水平位置，部分透光;無(wú)遮陽(yáng)就是遮陽(yáng)百葉沒(méi)有放下，對(duì)陽(yáng)光完全沒(méi)有遮蔽。按上述多種組合后分六種工況數(shù)值計(jì)算，得到溫度、速度分布模擬效果見(jiàn)圖1到6，對(duì)比見(jiàn)表1。
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我國(guó)首次研發(fā)成功的新型真空玻璃雙層幕墻，具有性?xún)r(jià)比好、低碳節(jié)能優(yōu)勢(shì)，真空玻璃雙層幕墻性能為建筑節(jié)能提供了新的途徑。
(一)略談“內(nèi)置式智能自動(dòng)單梁雙層幕墻”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國(guó)共生產(chǎn)和使用的建筑幕墻總面積為7500萬(wàn)平方米，占全世界幕墻生產(chǎn)總量2/3，是幕墻生產(chǎn)大國(guó)。因?yàn)槟粔κ恰昂碾姶髴?hù)”，自然就成為能源浪費(fèi)的大國(guó)。據(jù)測(cè)算2萬(wàn)平方米建筑住房每年
雙層幕墻由于其玲瓏剔透的美感、節(jié)能環(huán)保的特性以及高檔的建筑品味，正被越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外建筑所采用。雙幕墻是一項(xiàng)新穎的技術(shù)，其內(nèi)幕墻為雙層中空玻璃，外幕墻為單層玻璃，內(nèi)外幕墻之間的夾層往往貫穿數(shù)個(gè)樓層，其上、下兩端和大氣相通形成自下而上的自然通
