雙層玻璃幕墻空腔通風的影響因素分析

何國青 孟源 郭新雅 陳狄 葉長青

1浙江大學建筑工程學院

2浙江大學平衡建筑研究中心

3浙江亞廈幕墻有限公司

雙層玻璃幕墻具有雙層結構，中間空腔為各種輔助功能構件提供了場所，使得該類型圍護結構具有很大的節能潛力[1-2]。但在設計中，雙層玻璃幕墻是否能保證建筑具有足夠的通風量仍是個關鍵的問題。空腔通風，關系到空腔熱量的帶走以避免夏季空腔溫度過高[3]，也關系到過渡季節的自然通風效果。一直以來，空腔通風量缺乏快速有效的計算方法。空腔的熱壓通風實質是壁面加熱的煙囪效應，最近發展的用于描述太陽能煙囪效應的煙羽模型[4]可用于雙層玻璃幕墻空腔的通風計算，該模型具有較好的通用性[5]，并得到場地實驗的驗證[6]。本文基于此模型，研究雙層玻璃幕墻的空腔深度，開口大小，室外溫度以及太陽輻射等主要設計參數或環境因素對通風量的影響。

1 方法

1.1 均勻加熱豎直通道通風量的煙羽模型

本節簡要描述用于計算墻面均勻加熱的垂直矩形通道內氣流流量的煙羽模型，具體推導過程可參考文獻[5]。

垂直面熱源加熱空氣產生的氣流是貼附于垂直面的熱邊界層流動，煙羽模型假設該流動的浮力等效于等厚度的煙羽流，煙羽流內部同高度處的溫度分布均勻。基于煙羽流的動量方程和能量方程，可獲得煙羽流質量流量的如下方程：

式中：m是煙囪產生的質量流量,是煙羽流的平均密度，H是煙囪高度。分子是浮力，分母中Γ1是浮力做功導致的壓力變化，Γ2是局部阻力損失，Γ3是除煙囪外的沿程阻力損失，Γ4是煙囪內部的沿程阻力損失，Γ5是轉換為動能的壓力損失，Γ6是房間入口的阻力損失，其中Γ4和Φg分別是：

式中：f是和流動雷諾數有關的阻力系數，T1和ρ1是煙囪入口溫度和密度，ρa是室外空氣密度，TH是煙囪出口處煙羽流的溫度，Ap是煙羽流流道的面積，Dp是煙羽流道的當量直徑。方程需和能量方程一起采用迭代循環的方式求解。根據能量方程可以得到如下的煙羽流溫度的公式：

煙羽模型中，煙羽厚度和邊界層的發展有關。但湍流自然對流的邊界層厚度并沒有可靠公式，文獻[5]采用了實驗數據擬合的方法，獲得了基于瑞利數和煙囪通道雷諾數的煙羽厚度dp的公式：

式中：d是煙囪通道深度，w是煙囪寬度。

文獻[7]提供了上述模型的求解程序。求解過程如圖1所示。第一步是準備輸入數據，包括煙囪結構參數、進出口溫度，空腔得熱量、煙囪結構的阻力系數，以及房間開口的參數（如有的話）。第二步，假設初始的質量流量。第三步，運行程序，輸出迭代收斂后的流量。正常情況下，到這一步計算結束，但因為方程組存在兩個解，有時會獲得不合理的極小值。因此，需要有第四步，檢查結果。大多數情況下，通過改變質量流量的初始值，可以獲得合理的解。

1.2 案例參數

研究基于高度H=3.0 m，寬w=3.0 m，深度D=0.6 m，開口高度ΔH=0.2 m的標準單層高雙層玻璃幕墻模塊，滿足凈深d=4 m、寬相同（3.0 m）的辦公空間的通風要求。所采用的雙層玻璃幕墻系統由8 mm夾膠玻璃作為外層，6+12A+6 中空玻璃作為內層組成，中間或增加鋁百葉。對于采用吸熱玻璃的雙層玻璃幕墻系統，僅外層玻璃和中空玻璃外層玻璃采用了吸熱玻璃，而中空玻璃內層玻璃仍為普通玻璃。各玻璃材料相應的熱輻射光學參數如表1所示。

表1 雙層玻璃幕墻所用的玻璃光學特性

計算兩種模式下的空腔氣流流量，一種是單側循環模式（圖2A），這種模式用于夏天外循環的隔熱模式或冬天內循環加熱的模式，這種模式下，通風量決定了帶走空腔熱量的能力。另一種是雙側氣流交換的模式（圖 2B），這種模式用于過渡季節換氣的模式，決定房間的通風量。不考慮管道連接，雙層玻璃幕墻局部阻力系數計算中考慮圖 3的四種結構，根據文獻[8]計算相應的阻力系數。在文獻[8]的公式或圖表中采用插值的方式獲得相應的阻力系數，對于超出范圍外的少數情況，采用圖表延申的方式獲得阻力系數。

圖2 雙層玻璃幕墻通風模型示意圖

圖3 雙層玻璃幕墻流道局部阻力系數分解

兩種模式下的計算案例如表2所示，工況A1 中，變化空腔深度D和開口高度△H，研究開口和深度對流量的影響，工況 A2 中，改變太陽輻射強度，研究輻射的影響。工況 B中，改變進出口環境溫度研究環境溫度對流量的影響。

表2 計算案例

1.3 雙層玻璃幕墻系統的太陽一次得熱計算

煙羽模型輸入參數之一是垂直通道的得熱量，即雙層玻璃幕墻空腔獲得的輻射得熱。假設輻射熱均勻且垂直投射到 DSF上，垂面上熱量均勻分布，雖然有陰影，但鑒于玻璃、百葉等材料的導熱率相比空氣對流換熱要高很多，且陰影面積占比總體不大，假設有一定的合理性。暫且不考慮房間側的進風阻力。采用能量平衡法獲得太陽輻射在各玻璃上的吸熱值[9]。計算結果顯示，對于使用普通玻璃的雙層幕墻系統，外層玻璃和中空玻璃外層玻璃分別吸收 21.9%和 8.2%的太陽輻射熱。對于吸熱玻璃，外層玻璃和中空玻璃外層玻璃分別吸收43.6%和 17.7%的太陽輻射熱。玻璃吸熱后傳遞到空腔的熱量可以通過耦合求解空腔對流換熱方程和煙羽流動的方程獲得，但這會增加求解的復雜性和計算時間。鑒于氣流流動實際對熱量并不太敏感，這里采用類似文獻[6]的方式估算空腔得熱，即外層玻璃吸熱的一半和中空玻璃外層玻璃得熱的全部被傳遞到空腔。

式中：I是垂直面上的太陽總輻照強度，W/m2；α1是外層玻璃吸熱率，α2是中空玻璃外層玻璃的吸熱率。

2 結果

2.1 夏季外循環模式下開口和深度的影響

圖4給出了煙囪深度D和開口高度ΔH對空腔通風量的影響。在外循環模式下，流量隨著開口增大而增加。當空腔深度只有0.1 m時，在開口大于0.2 m后，流量的增加十分有限。在同一開口高度下，隨著深度的增加，流量先增加后降低。這說明對于每個開口大小，存在一個最佳深度或者最佳深高比，該結果與不同文獻得到不同最佳深高比的結果是一致[10-12]。對于開口高度ΔH=0.3 m，流量最大發生在D=0.4 m的深度，而開口高度 ΔH=0.2 m 對應的最佳深度是D=0.3 m的深度。此外，當開口很小時（ΔH=0.05 m），深度在D>0.05 m后對流量的影響可以忽略，此時進出口阻力成為了空腔通風的制約因素，繼續增大深度無助于通風。

圖4 煙囪深度D和開口高度ΔH 對空腔通風量的影響

深度過大導致流量反而減少的可能原因有幾個，一是，進出口處過大的縮放比引起的阻力成為了重要的阻力因素。二是，大深度小開口容易引進空腔內部的局部循環，增加了腔內的阻力，耗散了部分熱壓勢能。雖然其中腔內回流理論還不完善，但煙羽模型的參數是基于經驗數據擬合得到，反而能夠捕捉到該變化規律。

雖然外循環模式不用于房間通風，但比較風量大小仍然有意義。上述結果中，最小風量（ΔH=0.05 m，D=0.6 m）為 45 m3/ h，相當于4 m進深房間近 4個換氣次數，而最大風量（ΔH=0.30 m，D=0.4 m）則相當于 16個換氣次數。

2.2 夏季外循環模式下輻射的影響

圖5給出了開口0.2 m的三個深度下流量隨太陽輻射強度的變化情況。流量隨著輻射強度的增強而增加，但增長率逐漸降低。在低輻射強度下，流量低，并且對深度并不敏感。換句話說，在低輻射下，熱源是限制因素，流量對其它因素如深度等并不敏感。當輻射增強時，其他因素成為限制因素，比如在高輻射強度下，開口高度是限制因素，流量對深度不敏感。

圖5 太陽輻射強度和玻璃材質對空腔通風量的影響

從增長趨勢來看，隨著熱源的增強，流量增長率逐漸降低，說明熱量轉換為流量的效率隨輻射的增強而減弱。

結合圖4 和圖5，可以看到，開口高度、深度、輻射強度都是影響空腔通風的重要因素，三者相互依次成為制約因素，其對流量的影響不能一概而論。

2.3 材質的影響

普通玻璃并不怎么吸熱，因此，雙層玻璃幕墻空腔獲得的熱量并不多，僅約 14.2%的輻射熱被玻璃吸收并最終用于加熱空腔空氣。為了提高玻璃的吸熱量，將外層夾膠玻璃和內層中空玻璃的外層玻璃用吸熱玻璃取代。采用吸熱玻璃，空腔得熱量增加了一倍（106%）。圖 5 顯示，空腔流量也相應增加了 28%～69%，輻射越低，增加率越大。

增加空腔得熱對建筑隔熱或供暖都有意義。需要隔熱時，首先，減少直接進入室內的太陽輻射熱。其次，減少的輻射熱被擋在中空玻璃的外面，用于加熱空腔的空氣，提高通風量，最終將空腔內獲得的熱量帶到室外[13]。冬季需要供暖時，空腔獲得的熱量也可以被送到室內進行利用。因此，實踐中，應當注意空腔得熱優勢。

2.4 室內外溫度的影響

圖6 中，例 1～4 分別對應環境溫度為 32 ℃，26 ℃，20 ℃和15 ℃的情況，室內外溫度相同。這四種情況下，質量流量隨溫度降低略有升高，但體積流量一致。例5和6代表的是室內外換氣的情況，其中例 5中，室內溫度（15 ℃）低于室外溫度（20 ℃），這種溫度分布幾乎將空腔中的熱壓抵消，導致通風量大大減弱。例 6代表室內溫度（26 ℃）高于室外溫度（15 ℃）的情況，這種溫度屬于逆溫分布[6]，室內外的熱壓與空腔中的熱壓有加強的作用，導致通風量顯著增強。從例5和例6中可以看出，內外溫差對流量的影響很大。因為室外溫度變化往往快于室內溫度，因此，在過渡季節，容易出現進出口的環境溫度不同。當室外溫度高于室內溫度時，通風效果會減弱，當室外溫度低于室內時，空腔的通風效果可以顯著加強。

圖6 環境溫度對空腔通風量的影響

3 典型氣象候條件下的通風性能

選取夏熱冬冷地區兩個城市——杭州和重慶作為代表城市，分析典型氣象條件下[14]過渡季節雙層玻璃幕墻的熱壓通風能力。

在南向，垂直面太陽輻射入射角（與地面夾角）一般都較大，并且夏天高于冬天。而在西向或東向，太陽入射角是有可能垂直于幕墻面。本節考慮了正南向和西向兩個方向的雙層玻璃幕墻，采用吸熱玻璃，選取過渡季節3～5月以及9～11月進行分析。作如下假設：

1）忽略投影的影響，太陽輻射均勻且垂直于幕墻面。2）過渡季節室內不供暖也不供冷，室內外溫度接近，即不考慮溫差的影響。

圖7給出杭州、重慶過渡季節（春季、秋季）6 點到18 點的白天太陽輻射分布。圖 7 顯示，77%的小時段西向幕墻獲得有效的輻射熱量在7 W/m2以上，也就是超過3/4的時間幕墻可產生4個房間換氣次數的通風量。此外，約 1/2的小時段的通風量在 12 個換氣次數以上。南向幕墻的輻射得熱略低于西向幕墻，特別是缺少輻射得熱超過200 W/m2的時間段，這主要是因為南向太陽高度角較高的原因。但南向幕墻在中等輻射強度區間的比例高于西向，而在低輻射段和高輻射段均略低于西向幕墻。秋季的太陽輻射比春季略低，比例接近。

圖7 杭州過渡季節雙層玻璃幕墻獲得輻射熱及通風量分布

圖8 重慶過渡季節雙層玻璃幕墻獲得輻射熱及通風量分布

重慶代表太陽輻射較弱的城市，在上述 6 個月內，在南向和西向的垂直面上的總輻射比杭州分別低了38%和32%。但從分布來看，重慶的低輻射（7～14 W/m2）小時數較多，在中高輻射段（>42 W/m2）的小時數較少。結果反映到通風量分布上時，高于 4次/小時換氣次數的時間段分布和杭州情況差不多，但在中高通風量段（>12次/小時）的小時數明顯減少。此外，南向和西向的輻射強度分布頻率差別要比杭州的小，說明重慶地區的輻射多以散射輻射為主。

對比兩個城市的氣候和通風量，可以看出，雖然重慶太陽輻射總體比杭州的弱，但較低換氣次數的滿足率仍然接近杭州。

最后，需要討論一下百葉的影響。百葉的放置影響腔內熱量的分布，空氣熱壓通風問題不屬于簡單的1～2個邊界層的情況，當前煙羽模型尚無法計算多熱通道并聯的情況。但根據實驗研究[15]，內置百葉是能加強空腔通風效率的。

4 結論

雙層玻璃幕墻的深度，開口大小以及獲得太陽輻射熱的能力對空腔通風量的影響是綜合的，需要優化設計，避免其中一個參數成為制約因素。在沒有出現制約因素的情況下，通風量隨著深度的增大而增加，隨著開口大小的增大而增加，隨著輻射強度的增強而增加。當深度增大到一定程度（超過開口高度），開口高度會成為制約因素，此時，繼續增大深度，通風量反而會下降。

使用吸熱玻璃提高了空腔的加熱量，可以顯著提高空腔的通風能力（28%～69%），設計中應當優先考慮提高空腔得熱量。環境溫度對空腔通風量的影響可以忽略，但室內外溫差對空腔的通風有很大影響。室外環境溫度低對通風量有加強的作用，室外溫度高對通風量有減弱的作用。

當雙層玻璃幕墻在過渡季節作為室內通風換氣模式時，不論在屬于太陽輻射可利用的杭州還是太陽輻射較弱的重慶，無論是安裝在西向還是安裝在南向，在白天的大部分時間（70%）均可獲得4個以上的換氣次數。