玻璃幕墻建筑管理論文

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摘要：根據雙層玻璃幕墻建筑的特殊熱環境，提出過渡季節采用自然通風的方式，確定了建筑圍護結構的開口方式和開口大小，使各樓層的空氣溫度都在熱舒適范圍內；應用CFD數值模擬方法對各樓層房間的三維溫度場，速度場進行了模擬，研究結果表明，利用自然通風能夠有效地改善室內熱環境，較好地滿足人體熱舒適的要求。

關鍵詞：自然通風數值模擬中庭

1.引言

空調的應用為人們創造了舒適的室內環境，但也帶來了一些問題；首先，空調建筑的密閉性較好，當新風量不足時，室內空氣品質（IAQ）惡化會導致病態建筑綜合癥（SBA）；其次，大量的空調器加劇了城市熱島效應，造成室外空氣熱環境惡化；再次，空調器的普及使建筑能耗有較大的增長趨勢。

因此隨著可持續發展戰略的提出，同時發展生態建筑也是大勢所趨，自然通風這項古老的技術重新得到了重視。合理利用自然通風能取代或部分取代傳統制冷空調系統，不僅能不消耗不可再生能源實現有效被動式制冷，改善室內熱環境；而且能提供新鮮、清潔的自然空氣，改善室內空氣品質，有利于人的身體健康，滿足人們心理上親近自然，回歸自然的需求。采用雙層玻璃幕墻可以進行有效的自然通風。

雙層玻璃幕墻又稱動態幕墻，兩層玻璃之間的距離為20mm～500mm，利用“煙囪、熱流道”效應，氣流在兩層玻璃幕墻中間由下向上循環，帶走外面一層玻璃幕墻太陽輻射的能量，達到隔熱、保溫、節能、環保的功效。按照不同的通風原理雙層玻璃幕墻可分為：整體式、廊道式、通道式和箱體式。雙層玻璃幕墻具有多項功能：減少風及惡劣氣候的影響、提高隔音能力、充分利用太陽能、使用自然通風使空調使用率降至最低。本文主要研究其自然通風的功能及效果。

2.研究對象及技術路線

2.1研究對象

本文中研究對象為采用雙層玻璃幕墻帶中庭的辦公建筑，共6層，外形結構見圖1，幕墻結構見圖2：

圖1建筑外形圖圖2廊道式雙層幕墻局部放大圖

該幕墻為廊道式雙層幕墻，每層設置通風道，層間水平有分隔，無垂直換氣通道，自然通風的路徑為：

這類建筑室內環境易受太陽輻射影響，同時其空間高度高，上下溫差大，這對預測帶來很大困難，隨著計算機及流體力學的發展，三維CFD模擬技術得到廣泛應用，它即可以滿足大型建筑多空間多開口的自然通風設計要求，又能精確預測各設計室內的空氣速度場和溫度分布，因此本文在滿足頂層室內熱環境的基礎上設計了屋頂排風天窗面積，并在此基礎上利用CFD對該建筑的局部房間室內熱環境進行了數值模擬。

2.2技術路線

自然通風一般采用風壓或者熱壓，中庭建筑的“煙囪效應”就是利用建筑內部的熱壓作用，由于室外風速和風向是經常變化的，因而風壓作用不是一個可靠的穩定因素，所以本文進行模擬計算時進行了簡化，僅考慮熱壓下的自然通風。

熱壓通風，是利用建筑內部由于空氣密度不同，熱空氣趨于上升，而冷空氣趨向下降的特點。熱壓作用與進風口和出風口的高度差，以及室內外空氣溫度差存在著密切的關系：高度差愈大，溫度差愈大，則熱壓通風的效果愈明顯。因而大樓各樓層（共6層）的進風量隨樓層高度的增加而減小，基于這種情況考慮，在滿足6樓室內熱環境的要求下，設計屋頂側窗面積。基本技術路線見圖3：

圖3基本技術路線

3.房間的計算數學模型

3.1物理模型

（a）(b)(c)

圖4計算物理模型

a:一個通風口b:兩個通風口c:整條通風口

如圖房間長11.1m，寬8.4m，高2.9m；房間內發熱量包括人員、燈光及設備，圖中3個長方體代表房間的人員及設備，頂部設9盞燈；圖形左下角為三個雙層玻璃幕墻進風口，均為1400mm×300mm,房間右上側為通風口，通風口面積見表1。

3.2基本參數計算

3.2.1計算室外氣溫為20℃時，6樓達到熱舒適性要求的最低進口風速

（1）

式中：—6樓的室內發熱量，W;

—空氣比熱，=1010J/kg.℃;

—室外空氣的密度，溫度為20℃，kg/m3;

—通風氣流的溫度差,℃;

—6樓的進風口面積,m2.

計算得到m/s

3.2.2計算中和面的高度

根據（2）

式中：－進風窗口的流量系數（取0.35）;

－室內外空氣的密度差,kg/m3;

－頂層進風口的中心高度,m;

—中和面的高度,m.

計算得到m

根據中和面高度計算各樓層進風速度，并根據回風口風速范圍[3]計算房間通風口面積,計算結果如表1所示：

表1各樓層進風速度及房間通風口面積樓層

2樓

3樓

4樓

5樓

6樓

進風速度(m/s)

0.772

0.683

0.581

0.457

0.299

房間通風口面積

(mm×mm)

1000×400

800×400

800×400

800×400

800×250

注：1樓為開放式大堂

3.3控制方程

模擬房間內的氣流屬于非穩態的三維不可壓縮紊流流動，因此在計算中采用當前在計算房間氣流時最常用的模型。模型所遵守的偏微分方程的向量表示如下：

連續性方程：（3）

動量方程：（4）

紊流能量傳遞方程：（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；為速度，為密度，為分子粘性系數，為紊動能，為紊動能耗散率。模型中的經驗常數可按表2取。

表2模型中的經驗常數取值

0.09

1.44

1.92

1.3

1.3

0.9

4.模擬計算及結果

室外氣象參數及室內負荷大小直接影響房間的室內熱環境，由于大樓頂層的自然通風量最小，室內熱環境最惡劣，因此以頂層房間為研究對象，研究內容如下：

（1）不同大小的室內通風口，房間的溫度場和速度場分布

（2）不同室外溫度，不同室內發熱量，6樓的溫度場分布

4.1不同大小的室內通風口，房間的溫度場及速度場分布

計算工況：室外溫度為20℃，室內發熱量為50W/m2；比較房間設置一個800mm×250mm通風口，兩個800mm×250mm通風口，及一個8400mm×250mm通風口的室內溫度場和速度場

(1)一個通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖5az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖5bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

(2)兩個通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖6az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖6bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

(3)整條通風口：z=1.5m處的溫度場和速度場

圖7az=1.5m剖面溫度場示意圖單位：K圖7bz=1.5m剖面速度場示意圖單位：m/s

溫度場分析：由于進風口偏左，房間左端溫度較右端低;房間沿氣流流動方向溫度逐漸增高；

比較圖5a,6a,7a可以看出房間設置兩個通風口室內熱環境明顯優于設置一個通風口，而設長條風口的優勢并不明顯。

速度場分析：比較圖5b,6b,7b,可以看出設置一個通風口，工作區流場比較平緩，在近熱源及出風口局部有漩渦；而設置兩個通風口及整條通風口的房間，在近內部熱源處氣流擾動比較大，房間氣流形成了兩個大渦流區，渦流流線呈閉合狀。氣流速度除了熱源和風口處較高以外，在人員工作區的大部分地區，風速基本保持在0.1m/s以內滿足房間舒適區要求。

模擬計算得到不同出風口的室內溫度分布范圍見表3

表3不同出風口形式下的室內溫度分布室外溫度（℃）

出風口形式

溫度范圍（℃）

平均溫度（℃）

20

單個

20.7～22.8

22.3

兩個

20.6～22.4

21.7

整條

20.5～22.3

21.6

4.2室外溫度變化時,不同負荷下6樓的溫度場分布

表4計算工況計算工況

室外溫度(℃)

室內發熱量（W/m2）

目的

備注

Case1

20

50

計算不同室溫變化時，不同室內發熱量下房間的溫度場，得到不同室內發熱量下可采用自然通風的室外溫度范圍

取定房間舒適性溫度范圍為：16～26℃

Case2

22

40，50

Case3

23

40，50

Case4

24

30，20

Case5

25

20，10

Case1:室外溫度t=20℃,室內發熱量為50W/m2時，房間的溫度分布

圖8z=1.5m處的溫度分布(t=20℃q=50W/m2)單位：K

case2:室外溫度t=22℃，室內發熱量為40,50W/m2時的溫度分布

圖9z=1.5m處的溫度分布(t=22℃q=50W/m2)單位:K圖10z=1.5m處的溫度分布(t=20℃q=40W/m2)單位:K

Case3:室外溫度t=23℃,室內發熱量為40,50W/m2時，房間的溫度分布

圖11z=1.5m處的溫度分布(t=23℃q=50W/m2)單位:K圖12z=1.5m處的溫度分布(t=23℃q=40W/m2)單位:K

Case4:室外溫度t=24℃,室內發熱量為20,30W/m2時，房間的溫度分布

圖13z=1.5m處的溫度分布(t=24℃q=30W/m2)單位:K圖14z=1.5m處的溫度分布(t=24℃q=20W/m2)單位:K

Case5:室外溫度t=25℃,室內發熱量為20,10W/m2時，房間的溫度分布

圖15z=1.5m處的溫度分布(t=25℃q=20W/m2)單位:K圖16z=1.5m處的溫度分布(t=25℃q=10W/m2)單位:K

根據模擬結果可以看到，當室內平均發熱量在10W/m2—50W/m2之間變化時，大樓適用自然通風的室外溫度也會隨著變化，其適用情況如下表所示：

表5不同室內發熱量條件下大樓適用自然通風的室外溫度范圍室內發熱量(W/m2)

10

20

30

40

50

適用室外溫度范圍(℃)

16～25

16～24

16～24

16～23

16～22

5.結論

通過以上的模擬工作，我們可以得出以下結論：

5.1在相同的室內發熱量及室外溫度下，房間的通風口面積越大，自然通風效果越好，但是增加到一定值，改善效果便不明顯，因此設計時要確定合理的通風口面積。

5.2完全依靠自然通風的效果取決于室內發熱量及室外溫度，當室外溫度超過一定值時要考慮機械制冷與自然通風相結合。

5.3冬冷夏熱地區，早晚溫差較大，可考慮利用晚間自然通風排除圍護結構的蓄熱量。

5.4本文中僅考慮空氣的熱壓作用，未考慮風壓作用，兩者結合分析還有待進一步研究。

參考文獻：

(1)孫一堅.工業通風.中國建筑工業出版社，1994

(2)范存養.大空間建筑空調設計及工程實錄.中國建筑工業出版社

(3)陸耀慶.實用供熱空調設計手冊.中國建筑工業出版社

(4)彭小勇.暖通空調，2002，30(6)：27～29

(5)宋曄皓.建筑學報，2000，30：12～14

(6)衛丹，龍惟定，范存養.建筑熱能通風空調，2002，3：35～39