玻璃幕墙建筑管理论文

摘要：根据双层玻璃幕墙建筑的特殊热环境，提出过渡季节采用自然通风的方式，确定了建筑围护结构的开口方式和开口大小，使各楼层的空气温度都在热舒适范围内；应用CFD数值模拟方法对各楼层房间的三维温度场，速度场进行了模拟，研究结果表明，利用自然通风能够有效地改善室内热环境，较好地满足人体热舒适的要求。

关键词：自然通风数值模拟中庭

1.引言

空调的应用为人们创造了舒适的室内环境，但也带来了一些问题；首先，空调建筑的密闭性较好，当新风量不足时，室内空气品质（IAQ）恶化会导致病态建筑综合症（SBA）；其次，大量的空调器加剧了城市热岛效应，造成室外空气热环境恶化；再次，空调器的普及使建筑能耗有较大的增长趋势。

因此随着可持续发展战略的提出，同时发展生态建筑也是大势所趋，自然通风这项古老的技术重新得到了重视。合理利用自然通风能取代或部分取代传统制冷空调系统，不仅能不消耗不可再生能源实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气，改善室内空气品质，有利于人的身体健康，满足人们心理上亲近自然，回归自然的需求。采用双层玻璃幕墙可以进行有效的自然通风。

双层玻璃幕墙又称动态幕墙，两层玻璃之间的距离为20mm～500mm，利用“烟囱、热流道”效应，气流在两层玻璃幕墙中间由下向上循环，带走外面一层玻璃幕墙太阳辐射的能量，达到隔热、保温、节能、环保的功效。按照不同的通风原理双层玻璃幕墙可分为：整体式、廊道式、通道式和箱体式。双层玻璃幕墙具有多项功能：减少风及恶劣气候的影响、提高隔音能力、充分利用太阳能、使用自然通风使空调使用率降至最低。本文主要研究其自然通风的功能及效果。

2.研究对象及技术路线

2.1研究对象

本文中研究对象为采用双层玻璃幕墙带中庭的办公建筑，共6层，外形结构见图1，幕墙结构见图2：

图1建筑外形图图2廊道式双层幕墙局部放大图

该幕墙为廊道式双层幕墙，每层设置通风道，层间水平有分隔，无垂直换气通道，自然通风的路径为：

这类建筑室内环境易受太阳辐射影响，同时其空间高度高，上下温差大，这对预测带来很大困难，随着计算机及流体力学的发展，三维CFD模拟技术得到广泛应用，它即可以满足大型建筑多空间多开口的自然通风设计要求，又能精确预测各设计室内的空气速度场和温度分布，因此本文在满足顶层室内热环境的基础上设计了屋顶排风天窗面积，并在此基础上利用CFD对该建筑的局部房间室内热环境进行了数值模拟。

2.2技术路线

自然通风一般采用风压或者热压，中庭建筑的“烟囱效应”就是利用建筑内部的热压作用，由于室外风速和风向是经常变化的，因而风压作用不是一个可靠的稳定因素，所以本文进行模拟计算时进行了简化，仅考虑热压下的自然通风。

热压通风，是利用建筑内部由于空气密度不同，热空气趋于上升，而冷空气趋向下降的特点。热压作用与进风口和出风口的高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。因而大楼各楼层（共6层）的进风量随楼层高度的增加而减小，基于这种情况考虑，在满足6楼室内热环境的要求下，设计屋顶侧窗面积。基本技术路线见图3：

图3基本技术路线

3.房间的计算数学模型

3.1物理模型

（a）(b)(c)

图4计算物理模型

a:一个通风口b:两个通风口c:整条通风口

如图房间长11.1m，宽8.4m，高2.9m；房间内发热量包括人员、灯光及设备，图中3个长方体代表房间的人员及设备，顶部设9盏灯；图形左下角为三个双层玻璃幕墙进风口，均为1400mm×300mm,房间右上侧为通风口，通风口面积见表1。

3.2基本参数计算

3.2.1计算室外气温为20℃时，6楼达到热舒适性要求的最低进口风速

（1）

式中：—6楼的室内发热量，W;

—空气比热，=1010J/kg.℃;

—室外空气的密度，温度为20℃，kg/m3;

—通风气流的温度差,℃;

—6楼的进风口面积,m2.

计算得到m/s

3.2.2计算中和面的高度

根据（2）

式中：－进风窗口的流量系数（取0.35）;

－室内外空气的密度差,kg/m3;

－顶层进风口的中心高度,m;

—中和面的高度,m.

计算得到m

根据中和面高度计算各楼层进风速度，并根据回风口风速范围[3]计算房间通风口面积,计算结果如表1所示：

表1各楼层进风速度及房间通风口面积楼层

2楼

3楼

4楼

5楼

6楼

进风速度(m/s)

0.772

0.683

0.581

0.457

0.299

房间通风口面积

(mm×mm)

1000×400

800×400

800×400

800×400

800×250

注：1楼为开放式大堂

3.3控制方程

模拟房间内的气流属于非稳态的三维不可压缩紊流流动，因此在计算中采用当前在计算房间气流时最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：

连续性方程：（3）

动量方程：（4）

紊流能量传递方程：（5）

紊流能量耗散方程：（6）

能量方程：（7）

上式列表中，；i=1,2,3；j=1,2,3；为速度，为密度，为分子粘性系数，为紊动能，为紊动能耗散率。模型中的经验常数可按表2取。

表2模型中的经验常数取值

0.09

1.44

1.92

1.3

1.3

0.9

4.模拟计算及结果

室外气象参数及室内负荷大小直接影响房间的室内热环境，由于大楼顶层的自然通风量最小，室内热环境最恶劣，因此以顶层房间为研究对象，研究内容如下：

（1）不同大小的室内通风口，房间的温度场和速度场分布

（2）不同室外温度，不同室内发热量，6楼的温度场分布

4.1不同大小的室内通风口，房间的温度场及速度场分布

计算工况：室外温度为20℃，室内发热量为50W/m2；比较房间设置一个800mm×250mm通风口，两个800mm×250mm通风口，及一个8400mm×250mm通风口的室内温度场和速度场

(1)一个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

图5az=1.5m剖面温度场示意图单位：K图5bz=1.5m剖面速度场示意图单位：m/s

(2)两个通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

图6az=1.5m剖面温度场示意图单位：K图6bz=1.5m剖面速度场示意图单位：m/s

(3)整条通风口：z=1.5m处的温度场和速度场

图7az=1.5m剖面温度场示意图单位：K图7bz=1.5m剖面速度场示意图单位：m/s

温度场分析：由于进风口偏左，房间左端温度较右端低;房间沿气流流动方向温度逐渐增高；

比较图5a,6a,7a可以看出房间设置两个通风口室内热环境明显优于设置一个通风口，而设长条风口的优势并不明显。

速度场分析：比较图5b,6b,7b,可以看出设置一个通风口，工作区流场比较平缓，在近热源及出风口局部有漩涡；而设置两个通风口及整条通风口的房间，在近内部热源处气流扰动比较大，房间气流形成了两个大涡流区，涡流流线呈闭合状。气流速度除了热源和风口处较高以外，在人员工作区的大部分地区，风速基本保持在0.1m/s以内满足房间舒适区要求。

模拟计算得到不同出风口的室内温度分布范围见表3

表3不同出风口形式下的室内温度分布室外温度（℃）

出风口形式

温度范围（℃）

平均温度（℃）

20

单个

20.7～22.8

22.3

两个

20.6～22.4

21.7

整条

20.5～22.3

21.6

4.2室外温度变化时,不同负荷下6楼的温度场分布

表4计算工况计算工况

室外温度(℃)

室内发热量（W/m2）

目的

备注

Case1

20

50

计算不同室温变化时，不同室内发热量下房间的温度场，得到不同室内发热量下可采用自然通风的室外温度范围

取定房间舒适性温度范围为：16～26℃

Case2

22

40，50

Case3

23

40，50

Case4

24

30，20

Case5

25

20，10

Case1:室外温度t=20℃,室内发热量为50W/m2时，房间的温度分布

图8z=1.5m处的温度分布(t=20℃q=50W/m2)单位：K

case2:室外温度t=22℃，室内发热量为40,50W/m2时的温度分布

图9z=1.5m处的温度分布(t=22℃q=50W/m2)单位:K图10z=1.5m处的温度分布(t=20℃q=40W/m2)单位:K

Case3:室外温度t=23℃,室内发热量为40,50W/m2时，房间的温度分布

图11z=1.5m处的温度分布(t=23℃q=50W/m2)单位:K图12z=1.5m处的温度分布(t=23℃q=40W/m2)单位:K

Case4:室外温度t=24℃,室内发热量为20,30W/m2时，房间的温度分布

图13z=1.5m处的温度分布(t=24℃q=30W/m2)单位:K图14z=1.5m处的温度分布(t=24℃q=20W/m2)单位:K

Case5:室外温度t=25℃,室内发热量为20,10W/m2时，房间的温度分布

图15z=1.5m处的温度分布(t=25℃q=20W/m2)单位:K图16z=1.5m处的温度分布(t=25℃q=10W/m2)单位:K

根据模拟结果可以看到，当室内平均发热量在10W/m2—50W/m2之间变化时，大楼适用自然通风的室外温度也会随着变化，其适用情况如下表所示：

表5不同室内发热量条件下大楼适用自然通风的室外温度范围室内发热量(W/m2)

10

20

30

40

50

适用室外温度范围(℃)

16～25

16～24

16～24

16～23

16～22

5.结论

通过以上的模拟工作，我们可以得出以下结论：

5.1在相同的室内发热量及室外温度下，房间的通风口面积越大，自然通风效果越好，但是增加到一定值，改善效果便不明显，因此设计时要确定合理的通风口面积。

5.2完全依靠自然通风的效果取决于室内发热量及室外温度，当室外温度超过一定值时要考虑机械制冷与自然通风相结合。

5.3冬冷夏热地区，早晚温差较大，可考虑利用晚间自然通风排除围护结构的蓄热量。

5.4本文中仅考虑空气的热压作用，未考虑风压作用，两者结合分析还有待进一步研究。

参考文献：

(1)孙一坚.工业通风.中国建筑工业出版社，1994

(2)范存养.大空间建筑空调设计及工程实录.中国建筑工业出版社

(3)陆耀庆.实用供热空调设计手册.中国建筑工业出版社

(4)彭小勇.暖通空调，2002，30(6)：27～29

(5)宋晔皓.建筑学报，2000，30：12～14

(6)卫丹，龙惟定，范存养.建筑热能通风空调，2002，3：35～39