水循環(huán)玻璃幕墻熱工性能分析與計(jì)算

張忠相，李向陽，馬 龍

(1.南華大學(xué)環(huán)境保護(hù)與安全工程學(xué)院，湖南衡陽421001;2.南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南衡陽421001)

1 引言

玻璃幕墻是指由支承結(jié)構(gòu)體系可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)。墻體有單層和雙層玻璃兩種，本文所設(shè)計(jì)的水循環(huán)玻璃幕墻，是由雙層玻璃幕墻和其空腔中可循環(huán)利用的水構(gòu)成。雙層玻璃幕墻在歐洲20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)，我國(guó)雙層玻璃幕墻發(fā)展比較晚，近幾年我國(guó)企業(yè)的技術(shù)人員和學(xué)者對(duì)雙層玻璃幕墻研究出了很多有價(jià)值的成果，促進(jìn)了雙層玻璃幕墻的健康發(fā)展。雙層玻璃幕墻夏季隔熱和冬季保溫效果比單層玻璃幕墻好，能明顯改善室內(nèi)氣候，可以減少空調(diào)的使用時(shí)間，節(jié)約能源［1］。如今家用節(jié)能玻璃幕墻主要有Low－E玻璃幕墻，中空玻璃幕墻。然而，通過實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，夏季玻璃幕墻溫度普遍偏高，節(jié)能效果不明顯。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)家用節(jié)能玻璃幕墻的缺點(diǎn)，家用水循環(huán)玻璃幕墻應(yīng)運(yùn)而生。研究表明采用流水幕墻要比采用普通幕墻節(jié)能效果高10倍［2］。利用水的高顯熱蓄熱能力和雙層玻璃幕墻優(yōu)勢(shì)，本文開展了家用水循環(huán)玻璃幕墻系統(tǒng)研究。

2 水循環(huán)玻璃幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)生間水箱內(nèi)水量一般為20L左右，pH值為中性，水質(zhì)較好，夏季水溫一般為20℃左右。本設(shè)計(jì)通過水管將衛(wèi)生間水箱與雙層玻璃幕墻中間空氣層相聯(lián)通，夏季通過電子水泵將衛(wèi)生間水箱內(nèi)低溫水定時(shí)與雙層玻璃幕墻中被日射加熱的高溫水置換，高溫水進(jìn)入水箱后，隨著人們的沖洗，將熱量帶入下水管道。水循環(huán)玻璃幕墻室外側(cè)安裝光伏發(fā)電板，將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，蓄電池為電子水泵提供能量(圖1)。

圖1 水循環(huán)玻璃示意

3 水循環(huán)玻璃幕墻的熱工計(jì)算

3.1 水循環(huán)玻璃幕墻的太陽輻射計(jì)算

水循環(huán)玻璃幕墻是一種半透明結(jié)構(gòu)，其對(duì)太陽輻射存在透射、吸收和反射作用。雙層玻璃與水之間存在多次反射、吸收和透射，由于輻射在相鄰兩個(gè)表面之間的反射和吸收過程類似，其傳熱過程滿足一定的遞推關(guān)系式(圖 2)［3］。

其中玻璃A靠近室外側(cè)，玻璃B靠近室內(nèi)側(cè)。假定入射的太陽輻射為單位1，太陽入射角45°。且對(duì)理想玻璃或水膜層，應(yīng)有下式成立:

則按規(guī)律計(jì)算出透射入室內(nèi)的太陽輻射比，反射的太陽輻射比與被玻璃A、B和水膜吸收的太陽輻射比的前10組數(shù)據(jù)進(jìn)行得熱計(jì)算，后面數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果影響不大，故舍棄。

其中 αn(n=1、2、3)為玻璃或水膜的吸收率;ρn(n=1、2、3)為玻璃或水膜的反射率;τn(n=1、2、3)為玻璃或水膜的透射率。水膜的吸收比(α)、反射比(ρ)和透射比(τ)按下式計(jì)算［4］。

式中a為水膜的一次輻射的吸收比，r為水膜的一次輻射的反射比，按下式計(jì)算:

式中:i1為太陽光線的入射角(°);i2為太陽光線的折射角(°);n為折射指數(shù)，取1.33;μ為水的消光系數(shù)(m－1)，取30m－1;L為射線透過水膜層中的路程(m);d為水膜厚度(m)。

圖1 太陽輻射透過水循環(huán)玻璃示意

通過以上對(duì)玻璃幕墻的太陽輻射進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到玻璃幕墻外層玻璃，水膜層和內(nèi)層玻璃吸收的太陽輻射熱量及太陽輻射總透射率和總反射率。其他種類玻璃計(jì)算方法同上。

3.2 水循環(huán)玻璃幕墻的傳熱計(jì)算

室內(nèi)外溫度不同時(shí)，室內(nèi)外空氣通過玻璃進(jìn)行熱量交換。傳熱過程包括串聯(lián)的3個(gè)環(huán)節(jié):從室外熱空氣到室外側(cè)玻璃A的熱量傳遞;從玻璃A到水膜層再到玻璃B的熱量傳遞;從室內(nèi)側(cè)玻璃B到室內(nèi)空氣的熱量傳遞。熱流量按公式(9)計(jì)算。

式中:φ為熱流量(w/m2);A為玻璃表面積(m2);tf1為室外側(cè)空氣溫度(℃);tf2為室內(nèi)側(cè)空氣溫度(℃);hi=(i=1，2)為室外、內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)(w/m2);δi(i=1、2、3)為分別為玻璃 A、水膜層(空氣層)和玻璃層B的厚度(m);λt(i=1、2、3)為分別為玻璃 A、水膜層(空氣層)和玻璃B的導(dǎo)熱系數(shù)(w/(m·k))。

3.3 玻璃幕墻蓄熱量計(jì)算

通過太陽輻射與室內(nèi)外傳熱，玻璃幕墻自身會(huì)吸收一部分熱量，導(dǎo)致溫度升高，最終通過輻射傳熱與對(duì)流傳熱，將自身吸收的熱量再次傳入室內(nèi)與室外，造成室內(nèi)冷負(fù)荷增加。玻璃幕墻蓄熱量的能力對(duì)于減少二次室內(nèi)得熱有重要影響。蓄熱量按公式(10)計(jì)算。

Q=cmΔt (10)式中:Q為熱量(J);C為比熱容(kJ/kg·k);m為質(zhì)量(kg);Δt為溫度變化值(℃)。

3.4 計(jì)算邊界條件

計(jì)算采用《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》規(guī)定的標(biāo)注邊界條件［5］。夏季工況，太陽輻射為500w/m2，室內(nèi)空氣溫度為25℃，室外空氣溫度為30℃，室外側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為2.5w/(m2·k)，室內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)為16w/(m2·k)。玻璃A、B的厚度為5 mm，中間水膜層或空氣層厚度2 mm，水面距離蒸發(fā)口30 mm，玻璃寬1.2m，高1.8m，水比熱容 C=4.2kJ/kg·k，空氣比熱容C=1.005kJ/kg·k。計(jì)算采用的玻璃的熱工參數(shù)如表1所示。表中參數(shù)來自美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的Window軟件中的window glass library。

表1 玻璃熱工性能參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果

水循環(huán)玻璃幕墻與中空玻璃幕墻采用普通玻璃類型。表2為夏季工況下水循環(huán)玻璃幕墻、Low－E玻璃幕墻和中空玻璃幕墻對(duì)太陽輻射的吸收，反射和透射的對(duì)比表。

表2 雙層玻璃幕墻輻射得熱表

表3為水循環(huán)玻璃幕墻、Low－E玻璃幕墻和中空玻璃幕墻的熱流量對(duì)比表。

表3 雙層玻璃幕墻熱流量

表4 通過雙層玻璃幕墻室內(nèi)得熱

溫度每升高1℃，雙層玻璃幕墻吸收的熱量見表5。

表5 雙層玻璃幕墻蓄熱

5 結(jié)語

通過對(duì)不同玻璃幕墻的輻射熱計(jì)算和傳熱計(jì)算，得出以下主要結(jié)論。

(1)相同條件下，單位時(shí)間內(nèi)Low－E玻璃幕墻傳入室內(nèi)的熱量為710.01w/m2，中空玻璃幕墻傳入室內(nèi)的熱量為652.102w/m2，水循環(huán)玻璃幕墻傳入室內(nèi)的太陽輻射為320.544w/m2。可見，水循環(huán)玻璃幕墻更能降低傳入室內(nèi)的熱量。

(2)溫度每上升1℃，水循環(huán)玻璃幕墻吸熱量為L(zhǎng)ow－E玻璃幕墻和中空玻璃幕墻的3240倍。反之，吸收同樣的熱量，水循環(huán)玻璃幕墻溫度遠(yuǎn)低于其他兩種玻璃幕墻，從而有效降低通過玻璃幕墻二次傳熱室內(nèi)的熱量。同時(shí)水循環(huán)玻璃幕墻可將夾層中高溫水定時(shí)與衛(wèi)生間水箱內(nèi)低溫水置換，并且水蒸發(fā)也可帶走一部分熱量，從而達(dá)到降低夏季室內(nèi)冷負(fù)荷的目的。

(3)由于水的導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致水循環(huán)玻璃幕墻的熱流量略大于其他兩種雙層玻璃，但相對(duì)與太陽輻射得熱量，通過傳熱得熱所占比例較小，對(duì)結(jié)果影響不大。

夏季工況下，水循環(huán)玻璃幕墻相比Low－E玻璃幕墻與中空玻璃幕墻，更能降低通過玻璃幕墻的室內(nèi)得熱，同時(shí)水循環(huán)玻璃幕墻與衛(wèi)生間水箱構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，有效利用夏季水箱中的冷量，同時(shí)可將水循環(huán)玻璃幕墻中水吸收的熱量帶入下水道。水循環(huán)玻璃幕墻自身能耗全部由太陽能提供，不消耗額電能。水循環(huán)玻璃幕墻整合了節(jié)能環(huán)保，新能源，美觀等各種時(shí)下流行要素，符合國(guó)家節(jié)能環(huán)保的總方針和人們追求舒服美觀，形式新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是當(dāng)今玻璃幕墻發(fā)展的一種新探索，值得進(jìn)一步深入研究與應(yīng)用。

［1］王 強(qiáng)，黃義龍，曹 芹.雙層玻璃幕墻節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2006(7):70～72.

［2］趙方冉，張莎莎，蔡子良.航站樓圍護(hù)結(jié)構(gòu)水幕墻節(jié)能效果分析［J］.建筑節(jié)能，2014，42(5):50 ～54.

［3］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］孟慶林.水膜對(duì)太陽輻射的隔熱機(jī)理研究［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1997，25(1):75 ～80.

［5］JGJ/T 151 2008，建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.