双层皮幕墙传热计算理论及应用

第1章绪论 1.1双层皮幕墙的诞生 能源是人类生产和发展的物质基础，是社会发展的动力。当前，全球能源消耗持续增加，能源利用率处于较低的水平，高能耗带来的能源危机和环境恶化问题日益突出，已严重威胁人类生活质量。我国目前正处于建筑业飞速发展的时期。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2019》［1］统计，2017年建筑能源消费总量高达9.6亿吨标准煤，占据了我国全社会总能耗的20%左右。随着人们对健康、舒适、高效的室内环境需求的增加，这一比例将持续攀升［2，3］。建筑节能问题日益受到政府和全社会的高度关注，如何在不牺牲室内舒适性的前提下尽可能地实现建筑节能已成为我国建筑业进一步发展所面临的挑战。建筑能耗由采暖空调能耗与照明能耗等重要部分组成。其中，采暖空调能耗主要来自建筑围护结构与室外空气的传热和透过围护结构进入到室内的辐射，照明能耗也与建筑围护结构息息相关。因此，建筑围护结构使用不合理将会显著增加建筑能耗，造成巨大的能源浪费［4］。 建筑围护结构可分为不透明围护结构和半透明围护结构。由对太阳辐射透过率为零的材料所构造的围护结构属于不透明围护结构，主要包括普通多层墙体及屋面、门等；由玻璃和其他透光材料所构造的围护结构属于半透明围护结构，如普通窗户、双层皮幕墙、普通玻璃幕墙等。传统的建筑通常采取不透明多层墙体加半透明窗户的围护结构形式。随着技术的发展、经济的改善及文化的交融，人们渐渐趋向于追求建筑物与环境之间无阻挡的通透效果，墙体上的窗户越开越大，越开越多［5］。玻璃幕墙作为典型的透明或半透明围护结构形式，具有简洁、通透而富有现代感的优势，受到越来越多的建筑设计师和用户的青睐。 早在20世纪初，在欧洲的火车站、温室房间、过道等场所可见较少玻璃幕墙的应用。随着经济和玻璃技术的快速发展，玻璃幕墙才被大量应用于建筑中，比较典型的有建筑师Skidmore、Owings和Merrill设计并于1951～1952年建造的纽约利华大厦（Lever House），Mies van der Rohe设计并于1954～1958年建造的纽约西格拉姆大厦（Seagram Building），以及由贝聿铭设计并于1968～1976年建造的波士顿汉考克大厦（Hancock Tower）。我国采用玻璃幕墙这种外立面形式起步虽晚但发展迅猛，其在我国的发展大致可分为三个阶段：1983～1994年为模仿阶段，该阶段国内玻璃幕墙的平均年产量约200万m2，主要是框架式幕墙，其中又以构件式明框玻璃幕墙居多，主要是引进国外技术，该阶段国内没有行业标准和规范，技术质量水平较低；1995～2002年为自我成长阶段，该阶段玻璃幕墙平均年产量约800万m2，除明框玻璃幕墙，又发展了隐框玻璃幕墙、单元吊挂式玻璃幕墙，这个阶段借鉴国外技术标准和规范，编制并实施了国内行业技术标准和规范，幕墙技术水平和质量水平有了一定提高，其中单元吊挂式玻璃幕墙逐渐被社会接受，而在1998年又出现了点式玻璃幕墙；从2003年到现在是第三阶段，即自我发展阶段，该阶段我国玻璃幕墙企业的创新能力大为增强，其产品不仅在我国建筑幕墙中得到广泛应用，而且开始用于国外建筑工程［6］。 如今，我国已成为世界上*大的玻璃幕墙生产和使用国。统计资料显示，2007年我国生产玻璃幕墙2200万m2，占当年我国建筑幕墙总产量的31.4%，占当年世界玻璃幕墙生产量的86.27%；累计使用玻璃幕墙11000万m2，占我国建筑幕墙累计使用量的34.9%，占世界玻璃幕墙累计使用量的61.11%［7］。然而，早期的玻璃幕墙采用的是单层玻璃。这种单层玻璃幕墙的大量使用，在提供良好的自然采光的同时，也带来了建筑能耗高的隐患。自20世纪70年代能源危机之后，传统的单层玻璃幕墙的能耗性能便不被人们看好。寻求一种保温和隔热性能更佳同时又能保留单层玻璃幕墙固有优点的玻璃幕墙迫在眉睫。由此双层中空玻璃幕墙系统应运而生。和单层玻璃幕墙系统相比，双层中空玻璃幕墙从构造上增加了一层玻璃和狭窄的中间空气层，具有更好的保温和隔热特性。但是，双层中空玻璃幕墙仍然属于单层玻璃幕墙的范畴，并不能很好地解决保温隔热性能较差和透过太阳辐射较多的问题。直到90年代，双层皮幕墙(double skin facade，DSF)系统的出现较好地改善了传统玻璃幕墙的热工和节能性能。双层皮幕墙是由内外玻璃层及中间相对较大的空腔构成的，同时增加了安装遮阳装置的空间。增加通风，加设遮阳装置，是改善双层皮幕墙系统热工和节能性能重要的技术措施。因此，双层皮幕墙成为当代建筑*受欢迎的墙体类型，在全国各地区的应用会越来越广泛。 1.2双层皮幕墙简介 1.2.1双层皮幕墙的构造与运行 双层皮幕墙又称为呼吸式玻璃幕墙。通常由一层双层中空玻璃、一层单层玻璃和通风空腔组成，也可根据需要在其通风空腔中增加遮阳设施［8-10］ ，常用的遮阳装置有遮阳百叶、遮阳卷帘、格栅以及植物等［11，12］，如图1.1所示。其中，为了增大中空玻璃的热阻，提高其热工性能，通常在中空区域充满空气、氮气或惰性气体（如氩气、氪气等）［13-15］ 。此外，为了追求更加卓越的热工和节能性能，在中空玻璃空腔中充注氯氟烃（CFC）和氢氟烃（HFC）等吸收性气体，填充相变材料和气凝胶等介质，这是双层中空玻璃采用的新技术措施［16，17］。 图1.1双层皮幕墙结构示意图 双层皮幕墙不同于其他围护结构类型的根本原因是它对于太阳辐射和自身热工性能具有一定的可调性。它既能遮风挡雨，也可以改善室内热环境、加强室内通风。因此，双层皮幕墙的工作原理也是因时、因地、因人而异。双层皮幕墙可以根据地区气候的不同，选择性地将双层中空玻璃放在室内侧或者室外侧。当室外太阳辐射照度较大时，通过改变遮阳百叶的角度来调节幕墙的透光性。太阳光线照射在双层皮幕墙外表面时，部分太阳辐射被幕墙反射回去，其余部分则被玻璃和遮阳百叶吸收，温度升高。此时，空腔空气与百叶及玻璃换热，温度上升，与室外空气形成密度差，产生热浮升力，这种现象也称为自然通风的烟囱效应［18-20］ 。双层皮幕墙的内外玻璃层上下均设有通风口，夏天辐射较强时一般打开外层玻璃上的两个通风口，通过烟囱效应带走通风空腔内的热量［18-20］，这种通风方式通常被称为外通风。冬天为了更好地保温和隔热，一般将通风口关闭降低房间的散热量，中午时可以打开内侧玻璃上的两个通风口，通过烟囱效应将空腔内的热量带到室内，这种通风方式通常被称为内通风。双层皮幕墙一般有双层中空玻璃在室外侧和双层中空玻璃在室内侧两种结构，如图1.1所示。根据其通风空腔内的气流组织形式可分为外双层有百叶外通风、内双层有百叶外通风等12种运行方式，如图1.2和图1.3所示（左边为室外侧，右边为室内侧）。过渡季节则分别开启外侧玻璃上风口和内侧玻璃下风口，或者开启外侧玻璃下风口和内侧玻璃的上风口，形成斜对角气流。图1.2双层中空玻璃在室外侧的双层皮幕墙运行方式 图1.3双层中空玻璃在室内侧的双层皮幕墙运行方式 1.2.2双层皮幕墙的传热过程 图1.4是外双层有百叶外通风双层皮幕墙的传热过程示意图。在白天出现太阳辐射时，来自室外的太阳辐射照射到双层皮幕墙的表面上，其中一部分辐射会被双层皮幕墙反射到室外，另外一部分被系统的各层材料吸收成为热源，还有一部分透过双层皮幕墙进入室内，形成辐射得热量。通过改变通风空腔内百叶的角度，可以控制进入室内的太阳辐射。当百叶接收到大量的辐射，温度急速增加，空腔中的气流与百叶和内外层玻璃换热后，温度升高。空腔内的空气与室外空气形成温差后，便会产生空气流动，将空腔内的热量带到室外。同时室外侧玻璃与室外环境之间、各层玻璃之间、玻璃与百叶之间、内侧玻璃与室内环境之间还会有辐射换热。双层中空玻璃中的空气腔较小，空气腔的传热可以看作导热。百叶两侧空腔之间会存在温差，因此会产生气流的横向流动，气流的横向流动也会产生质量和热量的传递。在寒冷的冬季，当幕墙接收太阳辐射较少时，自然通风会大大增加房间的失热量，所以一般会关闭通风口，使其成为一个多层保温系统，降低房间的失热量。当幕墙接收太阳辐射较多时，可以打开内侧通风口，形成内通风模式，将空腔内的热量带入室内。 图1.4外双层有百叶外通风双层皮幕墙的传热过程示意图 1.3双层皮幕墙性能研究历史和现状 双层皮幕墙作为一种新型外围护结构，其热工和节能性能成为工程界和学术界关注的焦点。双层皮幕墙系统的热过程涉及太阳辐射传递过程、气流传输过程以及热传递过程，且三者互相耦合，这使得研究变得较为复杂。对此，本书将从双层皮幕墙光学性能研究、热工性能研究、能耗特性研究三个方面对双层皮幕墙性能研究进行归纳总结。 1.3.1光学性能研究 百叶是双层皮幕墙系统的重要组成部分，它对于改善室内热环境和幕墙的热工性能起着至关重要的作用。然而，百叶的光学性能受太阳高度、朝向、室外环境、自身几何形状以及表面光学特性、材料特性等诸多因素的影响。因此，当百叶置于幕墙系统中，将使整个幕墙体系的光学性能变得非常复杂。学者在玻璃幕墙的光学性能研究方面做了大量工作。 百叶光学性能涉及散射辐射和直射辐射两大部分。散射辐射包括天空散射和地面散射两部分，通常认为百叶接收的散射辐射是各向均匀的，在通过百叶向室内侧传递的过程中也是各向均匀的。对于直射辐射部分，则把百叶视为理想的散射体。当直射光线照射在百叶表面，经过百叶表面的反射作用，全部变为散射光线，光线的传递机理与散射辐射的传递机理一致。这种把散射辐射和直射辐射经过百叶的作用后，完全按照散射辐射的传递机理进行处理的方法称为辐射通量法［21-27］ 。采用辐射通量法计算百叶的光学性能，能简化对百叶的处理，同时使计算过程更加简化。实际上，除表面较为粗糙的竹木材质的叶片外，其他材料的叶片表面都具有一定的光滑度。将叶片视为理想散射体，与实际情况存在一定的出入。因此，Pfrommer等［28，29］考虑叶片表面的镜面反射特性，将入射到叶片表面的直射辐射分离为直射辐射和散射辐射两部分，并分别进行计算。但是，Pfrommer只考虑了被照亮部分的直射—散射辐射而忽视了其他部分的直射—散射辐射。Yahoda等［30］考虑了叶片的散射镜面反射特性，但是对散射—散射辐射的计算并未进行详细介绍，且缺乏实验验证。在他们的研究报道中，直射—直射辐射均采用射线追踪法［25，31］进行计算。 上述研究中，对百叶叶片均进行了简化处理，将叶片视为平面，忽略其厚度的影响。Chaiyapinunt等［32，33］提出了计算弧形百叶光学性能及其表面温度的数学模型。在该模型中，对弧形叶片进行几何描述之后，对直射辐射部分，采用辐射通量法进行计算；对于散射辐射则同时考虑天空散射和地面散射在地面和天空之间180°范围内对散射进行积分。基于这个方法，还提出了考虑叶片厚度的弧形百叶计算模型［34］。研究结果表明，当百叶角度对齐太阳入射角度时，增加叶片弧度和厚度对直射—直射光线和直射—散射光线的遮挡效果明显；当百叶处在完全遮挡直射光线的位置时，增加叶片弧度和厚度对直射—散射光线的遮挡效果也同样比较明显。 Chan等［35］提出射线追踪法和辐射通量法的混合算法。该算法对于直射部分采用射线追踪法计算，散射部分则采用辐射通量法计算。计算直射辐射过程中采用蒙特卡罗采样法确定光线数量。研究发现，当采用辐射通量法计算叶片表面光滑的百叶透过率时，偏差可达40%。这充分说明对于表面有一定光滑度的百叶采用传统的辐射通量法计算并不合适。Kuhn等［36-38］ 则提出了带有百叶的复杂形状结构的玻璃幕墙的太阳控制评估模型。该方法是基于传统一般方法采用太阳得热量和太阳得热系数进行比较分析。计算过程根据百叶的形状特点，确定其光学性能。 近年来，一种复杂而相对精确的双向(bi-directional)方法被运用于带百叶玻璃幕墙光学性能的计算。在该方法中，先通