夏熱冬冷地區(qū)外循環(huán)式DSF建筑能耗研究

劉 猛， 韓書生， 楊 偉， 王庭陽(yáng)， 劉世昌

夏熱冬冷地區(qū)外循環(huán)式DSF建筑能耗研究

劉 猛1， 韓書生2， 楊 偉1， 王庭陽(yáng)1， 劉世昌1

（1.中國(guó)建筑上海設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200063；2.悉地國(guó)際，上海 200433）

針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)常用的外循環(huán)式雙層皮玻璃幕墻（DSF），采用EnergyPlus軟件建立了DSF的模型，介紹了建模方法以及在EnergyPlus軟件中參數(shù)的設(shè)置，并介紹了通風(fēng)腔內(nèi)的氣流特性，確定了通風(fēng)腔中形成自然對(duì)流的流速，對(duì)模型進(jìn)行校核，然后對(duì)比DSF與單層玻璃幕墻全年的空調(diào)能耗和采暖能耗，分析了南向和西向內(nèi)玻發(fā)射率對(duì)全年的空調(diào)能耗和采暖能耗的影響，最后對(duì)于不同遮陽(yáng)策略，分析了基于室外溫度指標(biāo)和太陽(yáng)輻射指標(biāo)兩種遮陽(yáng)控制策略對(duì)能耗的影響。

雙層皮玻璃幕墻； 通風(fēng)腔； 夏季工況； 建筑能耗

0 引言

對(duì)于適合夏熱冬冷地區(qū)使用的外循環(huán)箱體式雙層皮玻璃幕墻（Double-Skin Fa ade，DSF）[1]，夏季使用時(shí)為避免太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)造成空調(diào)負(fù)荷過(guò)大，必須使用遮陽(yáng)裝置將太陽(yáng)輻射“阻擋”在通風(fēng)腔內(nèi)，并以對(duì)流換熱的形式將這部分熱量傳遞給通風(fēng)腔內(nèi)的空氣，被加熱的空氣在熱浮升力的驅(qū)動(dòng)下形成自下而上的有序流動(dòng)，將這部分熱量帶出至外界環(huán)境[2]。

由于DSF的透光面積大，室內(nèi)可以充分利用自然光以降低照明能耗以及照明引起的空調(diào)能耗。但遮陽(yáng)裝置的透射率對(duì)輻射得熱非常敏感，因此也不能為了利用自然光照明而過(guò)分增加遮陽(yáng)裝置的透射率。以下將運(yùn)用EnergyPlus軟件模擬分析不同朝向的DSF能耗，并結(jié)合自然采光的使用，提出相應(yīng)的遮陽(yáng)控制策略以降低DSF建筑的總能耗。

1 物理模型

為進(jìn)行DSF的能耗模擬，建立如圖1所示的建筑模型。圖1中所采用的建筑模型為長(zhǎng)20m、寬20m、高12m的三層簡(jiǎn)單建筑，為了使與DSF相連的建筑區(qū)域只受DSF的影響而不受其它區(qū)域的干擾，應(yīng)使安裝DSF的房間的其它5個(gè)面都與空調(diào)房間相鄰，減少房間之間通過(guò)內(nèi)墻的熱量傳遞。具體做法是將該建筑分成上、中、下三層，中間層分隔出一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=10m×10m×4m的區(qū)域作為研究對(duì)象，這個(gè)房間被中間層其余區(qū)域完全包圍，僅有這個(gè)正方形房間的外立面使用了雙層皮玻璃幕墻。除此正方形房間外，其它每個(gè)區(qū)都設(shè)空調(diào)，空調(diào)季和采暖季都設(shè)定相同的溫度。

圖1 箱體式DSF結(jié)構(gòu)

表1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

表2 上海地區(qū)氣象參數(shù)

氣象參數(shù) 數(shù)值采暖度日數(shù) 1691制冷度日數(shù) 2847緯度 31.17°經(jīng)度 -121.3°ASHRAE冬季設(shè)計(jì)干球溫度（1%） -4℃夏季設(shè)計(jì)干、濕球溫度（1%） 34℃/28.2℃

2 EnergyPlus模型

2.1 DSF的構(gòu)造

EnergyPlus軟件中沒(méi)有現(xiàn)成的DSF模塊可以使用，因此采用窗結(jié)構(gòu)代替。窗外層玻璃與DSF外側(cè)玻璃相對(duì)應(yīng)，使用普通白玻璃；窗內(nèi)層玻璃與DSF內(nèi)側(cè)玻璃相對(duì)應(yīng)，使用Double Low-E玻璃；內(nèi)、外層玻璃之間放置

該建筑各面外墻都采用保溫良好的2英寸保溫層+12英寸加氣混凝土；地板采用8英寸加氣混凝土；屋面采用2英寸保溫材料+6英寸加氣混凝土；為減少建筑內(nèi)部房間之間的熱量傳遞，內(nèi)墻采用10英寸加氣混凝土的重質(zhì)材料。各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的U值按照ASHRAE Standard 90.1-2004 Appendix G對(duì)Baseline Building的規(guī)定進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表1。

能耗模型中采用上海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)（TMY2），上海地區(qū)主要?dú)庀髤?shù)見(jiàn)表2。遮陽(yáng)百葉，與實(shí)際DSF遮陽(yáng)百葉相對(duì)應(yīng)[3]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 EnergyPlus軟件中建立的DSF模型

遮陽(yáng)百葉與內(nèi)、外層玻璃之間有空氣間層，與實(shí)際DSF通風(fēng)腔空氣間層相對(duì)應(yīng)。空氣流動(dòng)可根據(jù)實(shí)際DSF通風(fēng)腔中空氣流動(dòng)方式進(jìn)行控制。一般而言，DSF通風(fēng)腔氣流的循環(huán)方式主要有圖3所示五種：1）室內(nèi)到室外；2）室內(nèi)到室內(nèi)；3）室外到室內(nèi)；4）室外到室外；5）室內(nèi)到回風(fēng)。如果DSF采用了外循環(huán)式，則通風(fēng)腔氣流應(yīng)選擇室外到室外模式；如果DSF采用了內(nèi)循環(huán)式，則通風(fēng)腔氣流應(yīng)選擇2）或5）模式。

圖3 DSF通風(fēng)腔的氣流循環(huán)形式

DSF實(shí)際應(yīng)用中，遮陽(yáng)百葉一般不會(huì)處于通風(fēng)腔的正中間，即內(nèi)外側(cè)空氣間層的厚度是不同的，但在EnergyPlus中，內(nèi)、外空氣間層的厚度必須相同，即遮陽(yáng)百葉必須處于通風(fēng)腔的正中間。本文的研究是基于遮陽(yáng)百葉處于通風(fēng)腔的正中間進(jìn)行的。

2.2 通風(fēng)腔內(nèi)的氣流

EnergyPlus軟件不能根據(jù)通風(fēng)腔的尺寸以及外界環(huán)境和通風(fēng)腔內(nèi)的溫差計(jì)算出通風(fēng)腔的熱浮升力，從而計(jì)算出通風(fēng)腔內(nèi)氣流的流速或流量。因此，進(jìn)行DSF的能耗模擬時(shí)，必須指定通風(fēng)腔內(nèi)的氣流流量。

圖4 Fluent模擬氣流與EnergyPlus模擬能耗的聯(lián)合框架

文獻(xiàn)[4]采用CFD方法分析通風(fēng)腔的傳熱過(guò)程，通風(fēng)腔內(nèi)的氣流特性已經(jīng)模擬出來(lái)。在收斂的流場(chǎng)中沿高度方向，在通風(fēng)腔的中部（H=2m）處水平地取11個(gè)點(diǎn)，取平均值得到通風(fēng)腔的平均氣流速度uf=0.246m/s,將此氣流特性作為邊界條件輸入EnergyPlus中的建筑模型，由此來(lái)計(jì)算DSF的得熱情況。

2.3 模型的校核

為提高能耗模擬的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行能耗模擬之前首先建立及其校核模型。也就是說(shuō)，首先在EnergyPlus中建立一個(gè)通用的建筑模型，其中只有一面圍護(hù)結(jié)構(gòu)是DSF。選取典型工況，計(jì)算出空調(diào)負(fù)荷。如果模擬的結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果足夠接近，就認(rèn)為這個(gè)Energy-Plus的模型是正確的；如果偏差比較大，則對(duì)Energy-Plus模型進(jìn)行修正，直到它達(dá)到理論分析的準(zhǔn)確度為止[5]。

圖5 DSF形成的冷負(fù)荷模擬值和理論值

從圖5中看出，模擬結(jié)果和理論計(jì)算值很接近，冷負(fù)荷的峰值大小分別為1031.2W和1054.1W，偏差為2.22%，逐時(shí)冷負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)差為4.79W，這個(gè)結(jié)果也在工程可接受的范圍之內(nèi)。至此認(rèn)為EnergyPlus模型已經(jīng)調(diào)整得和理論計(jì)算值相吻合，可以用來(lái)進(jìn)行其它工況下得熱、負(fù)荷以及能耗的模擬計(jì)算。

3 DSF的能耗特性

假定模擬的整棟建筑為辦公建筑，工作日每天空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間為8:00-18:00，周末和節(jié)假日空調(diào)不運(yùn)行。采暖季室內(nèi)設(shè)定溫度為18℃，制冷季室內(nèi)設(shè)定溫度為24℃。本文主要研究DSF形成的空調(diào)能耗，因此模型中沒(méi)有考慮內(nèi)部負(fù)荷，即設(shè)定人員密度為0，室內(nèi)照明負(fù)荷為0。

3.1 DSF與單層玻璃幕墻的能耗對(duì)比

圖6 DSF和單層玻璃幕墻的能耗對(duì)比

如圖6所示，南向DSF的年采暖能耗為1.58GJ，南向單層玻璃幕墻的年采暖能耗為1.93GJ，二者相差22.15%；北向DSF的年采暖能耗為2.09GJ，南向單層玻璃幕墻的年采暖能耗為2.83GJ，二者相差35.4%。與年空調(diào)能耗相比，DSF的采暖能耗與單層玻璃幕墻的采暖能耗相差小得多。這是因?yàn)槎灸媳毕蚓皇褂谜陉?yáng)裝置，南向DSF的太陽(yáng)輻射透射率稍小于單層玻璃幕墻，但通風(fēng)腔形成了“溫室”加大了熱阻，減少了室內(nèi)熱量向外界的散失，因而采暖能耗稍小于單層玻璃幕墻。建筑北向無(wú)論DSF還是單層玻璃幕墻，其能耗均大于南向，這是因?yàn)楸毕蛱?yáng)輻射得熱遠(yuǎn)小于南向所致。

3.2 內(nèi)側(cè)中空玻璃發(fā)射率對(duì)能耗的影響

夏季通風(fēng)腔內(nèi)氣流溫度較高而冬季時(shí)溫度較低，為了減小通風(fēng)腔向室內(nèi)的長(zhǎng)波輻射換熱，DSF內(nèi)側(cè)一般使用中空Low-E玻璃。這樣保證可見(jiàn)光譜大部分透過(guò)而通風(fēng)腔內(nèi)的長(zhǎng)波輻射盡可能被阻擋，下面模擬內(nèi)側(cè)玻璃不同發(fā)射率對(duì)全年能耗的影響。

圖7 南向DSF內(nèi)玻發(fā)射率與能耗的關(guān)系

從圖7可以看出，南向DSF的空調(diào)能耗和采暖能耗與內(nèi)玻發(fā)射率成正相關(guān)關(guān)系，二者都隨發(fā)射率的增加而增大。圖中擬合了空調(diào)能耗和采暖能耗與內(nèi)玻發(fā)射率的一次函數(shù)關(guān)系，發(fā)射率每增加0.1，空調(diào)能耗增加約77.5MJ，采暖能耗約增加54.5MJ，年總能耗約增加132MJ。這是因?yàn)橄募竟r時(shí)，通風(fēng)腔內(nèi)溫度很高，較低的發(fā)射率降低了內(nèi)玻與通風(fēng)腔內(nèi)高溫氣體之間的輻射換熱，也降低了內(nèi)玻與溫度較高的DSF外側(cè)玻璃之間輻射換熱，即長(zhǎng)波輻射被有效得“阻擋”于DSF內(nèi)玻的外部，減小了室內(nèi)的得熱；冬季工況為了獲得較多的直射太陽(yáng)輻射，南向DSF一般不使用遮陽(yáng)百葉，DSF外側(cè)玻璃鄰接外界環(huán)境溫度非常低，因此隨著發(fā)射率的增加，DSF內(nèi)外側(cè)玻璃間的輻射換熱加大，室內(nèi)熱量向外散失加劇，導(dǎo)致采暖能耗隨之增加。因此，從降低南向DSF總能耗考慮，應(yīng)盡量減小內(nèi)玻發(fā)射率。

圖8 西向DSF內(nèi)玻發(fā)射率與能耗的關(guān)系

西向DSF的空調(diào)能耗和采暖能耗與內(nèi)玻發(fā)射率成正相關(guān)關(guān)系，二者都隨發(fā)射率的增加而增大。圖8中擬合了空調(diào)能耗和采暖能耗與內(nèi)玻發(fā)射率的一次函數(shù)關(guān)系，發(fā)射率每增加0.1，空調(diào)能耗增加約92.5MJ，采暖能耗約增加69.5MJ，年總能耗約增加162MJ。DSF內(nèi)側(cè)使用發(fā)射率較小的玻璃，有利于降低空調(diào)能耗、采暖能耗以及全年的總能耗。

3.3 遮陽(yáng)策略對(duì)能耗的影響

DSF遮陽(yáng)策略要兼顧采光、視野以及能耗等各個(gè)方面，所以非常復(fù)雜，EnergyPlus軟件默認(rèn)的遮陽(yáng)控制策略就有20多種[6]。本文研究以上海地區(qū)為例，分別以空調(diào)和采暖為出發(fā)點(diǎn)，考察不同遮陽(yáng)策略對(duì)能耗的定量影響。以采暖為出發(fā)點(diǎn)時(shí)，選擇室外溫度為設(shè)定指標(biāo)，當(dāng)室外氣溫低于室內(nèi)氣溫設(shè)定值18℃時(shí)，就取消遮陽(yáng)；以供冷為出發(fā)點(diǎn)時(shí)，選擇外立面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為設(shè)定指標(biāo)，當(dāng)輻射強(qiáng)度超過(guò)50W/m2時(shí)，遮陽(yáng)百葉開(kāi)始工作。

表3 不同朝向不同遮陽(yáng)策略的能耗對(duì)比

從模擬計(jì)算結(jié)果中可以看出，基于室外溫度的遮陽(yáng)控制策略，對(duì)于年采暖能耗比較有利，南、北、東、西四個(gè)朝向分別比采用輻射指標(biāo)的遮陽(yáng)控制策略全年節(jié)能24.80%、17.54%、27.00%、17.99%，其中南向和東向的節(jié)能率較大，而西向和北向稍小，這是因?yàn)槟舷蚝蜄|向全年的太陽(yáng)輻射較大，基于室外溫度的遮陽(yáng)控制策略在采暖季遮陽(yáng)百葉都處于收起狀態(tài)，DSF室內(nèi)可以獲得較多的太陽(yáng)輻射熱量；基于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的遮陽(yáng)控制策略，對(duì)于年空調(diào)能耗比較有利，南、北、東、西四個(gè)朝向分別比采用溫度指標(biāo)的遮陽(yáng)控制策略全年節(jié)能8.70%、3.08%、8.40%、4.37%，與前一種遮陽(yáng)策略相同的是，南向和東向的節(jié)能率較大而西向和北向稍小，這是因?yàn)榭照{(diào)季南向和東向的太陽(yáng)輻射較大，基于太陽(yáng)輻射的遮陽(yáng)控制策略在空調(diào)季遮陽(yáng)百葉都處于工作狀態(tài)，將太陽(yáng)輻射阻擋住DSF通風(fēng)腔內(nèi)，然后被通風(fēng)腔內(nèi)的自然對(duì)流氣流帶出至外界環(huán)境，DSF室內(nèi)獲得的太陽(yáng)輻射熱量較少。這說(shuō)明，遮陽(yáng)策略對(duì)能耗的影響是非常顯著的。

對(duì)比了典型設(shè)計(jì)日兩種遮陽(yáng)控制策略，室外溫度指標(biāo)的能耗相差較大，四個(gè)朝向都在25%左右；而太陽(yáng)輻射指標(biāo)的能耗相差較小，四個(gè)朝向都不超過(guò)5%，這說(shuō)明典型設(shè)計(jì)日遮陽(yáng)策略對(duì)熱負(fù)荷的影響要大于對(duì)冷負(fù)荷的影響。這是因?yàn)榭照{(diào)季太陽(yáng)輻射和氣溫都很高，因此兩種遮陽(yáng)策略很大程度上是相同的；而在采暖季，太陽(yáng)輻射強(qiáng)的時(shí)候氣溫未必高，兩種遮陽(yáng)策略執(zhí)行的結(jié)果就出現(xiàn)了差異。這說(shuō)明單單使用某一種策略，往往此消彼長(zhǎng)，很難兼顧到各種要求，所以在實(shí)際運(yùn)行中，比較理想的辦法是根據(jù)氣候特點(diǎn)，制定有針對(duì)性的遮陽(yáng)控制方案，使得采暖和空調(diào)的能耗都能控制在較低的水平，以降低年度總運(yùn)行能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)夏熱冬冷地區(qū)常用的外循環(huán)式雙層玻璃幕墻（DSF），采用EnergyPlus軟件建立了DSF的模型，確定了通風(fēng)腔中形成自然對(duì)流的流速，對(duì)模型進(jìn)行校核，并對(duì)比了DSF與單層玻璃幕墻全年的空調(diào)能耗和采暖能耗，分析了南向和西向內(nèi)玻發(fā)射率對(duì)全年的空調(diào)能耗和采暖能耗的影響，最后對(duì)于不同遮陽(yáng)策略，分析了基于室外溫度指標(biāo)和太陽(yáng)輻射指標(biāo)兩種遮陽(yáng)控制策略對(duì)能耗的影響。希望本文的研究能為夏熱冬冷地區(qū)的DSF設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略提供參考和依據(jù)。

[1]W.J.Stec，A.H.C.van Paassen，A.Maziarz.Modelling the double skin fac，ade with plants[J].Energy and Buildings,2005,37:419-427.

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[3]G.Gan.Thermal transmittance of multiple glazing:computational fluid dynamics prediction[J].Applied Thermal Engineering，2001，21:1583-1592.

[4]劉猛，龍惟定.夏季工況雙層皮玻璃幕墻綜合傳熱系數(shù)計(jì)算模型[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（10）:1403-1408.

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[6]http://www.energyplus.gov/[DB/OL].

Research on Energy Consumption of Double-skin Fa ade Building in Summer Hot and Winter Cold Areas

LIU Meng1， HAN Shu-sheng2， YANG Wei1， WANG Ting-yang1， LIU Shi-chang1

（1.China Shanghai Architecture Design&Research Institute Co.Ltd，Shanghai 200063，China；2.CCDI，Shanghai 200433，China）

Build a EnergyPlus model for double-skin fa ade building which is applicable to be used in summer hot and winter cold areas.Introduce the methodology of DSF model，parameters setting in the simulation，air flow velocity distribution in the ventilation cavity respectively.Model calibration is performed before the simulation in case of deviations.Afterwards whole year building energy consumption comparison between DSF and single-skin fa ade，interior emission coefficient of southern and western fa ade are done.Different shading control strategy based outdoor temperature and solar radiation are analyzed.

double-skin Fa ade； ventilation cavity；summer working condition；building energy consumption

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.014

TU111.4

B

2095-3429（2017）04-0062-05

中建股份科技研發(fā)課題支撐項(xiàng)目“夏熱冬冷地區(qū)雙層玻璃幕墻熱工性能的應(yīng)用研究”（CSCEC-2014-Z-45）

劉 猛（1979-），男，河南鞏義人，博士，高級(jí)工程師，主要從事建筑節(jié)能和節(jié)能改造的研究。

2017-06-21

修回日期：2017-07-17