双层皮玻璃幕墙建筑的能耗分析和优化设计

・58・

暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期

双层皮玻璃幕墙建筑的能耗分析和优化设计

上海建筑设计研究院有限公司蒋骞☆同济大学龙惟定

摘要介绍了双层皮玻璃幕墙的研究背景及构造。从理论上分析了气流排热、壁面对流及太阳辐射等因素对建筑能耗的影响。应用EnergyPlus分析了通风腔风速、遮阳策略、朝向和结构参数对建筑能耗的影响。

关键词双层皮玻璃幕墙能耗气流量传热影响因素

EnergyeffjCjencyanddeSjgnoptjmjzatjOn

ofdOUbIe-SkinfaCadebu-IdingS

Byj40ngQl。n★。ndL。ng

Weldlng

of

Abst豫ct

Presentstheresearch

backgmundand

structuredouble-skin

facade.Analyses

on

theoreticallytheeffectofdischargedheatbyairflow,convectionofcavitywallsands01arradiationbuildingenergy

cons啪ption.

StudiesbyEnergyPlussoftwaretheinfluence

on

oftheairflowrate,solar

shadingstrategy,orientationandconstruction

Keywords

factor

buildingenergyconsumption.

double-skinfacade(DSF),energyconsumption,airflowrate,heattransfer,affecting

★Shanghaifnstituce

of

Architecturaf

DeSign&Re8∞rchCo.,Ltd.,Shanghaf,China

背景介绍到保温的作用。这样,DSF就集出色的建筑表现力和良好的热工性能于一身[1]。这种建筑形式在欧洲已得到了广泛的应用,在我国也开始兴起,上海、北京、杭州等地出现了多个工程实例。

相对于普通的玻璃幕墙,DSF具有更良好的性能:除了能更好地防寒保暖,降低空调能耗,还

能更好地隔绝噪声,并且通过有组织的自然通风

双层皮玻璃幕墙(double^skinfacade,以下简称DSF)是近年来越来越受关注的一种围护结构,由两层透明的结构组成腔体(内层也可不完全透明),腔体中间设置遮阳装置,腔体内可以通风,其计算基础模型如图1所示。在夏季,通风腔体可以有效降低室外得热;冬季则可以关闭开口,腔体起

创造高品质的室内环境。但是其建造成本也要高得多。是否采用DSF关键在于对其技术和经济性的综合分析。环境品质的改善很难量化,因此本文将从空调能耗的角度对其性能进行定量

☆蒋骞,男,1979年10月生,工学硕士,助理工程师

200030上海虹桥路一号港汇中心1座1101室德和威工程咨

询(上海)有限公司

(021)64483914

图1计算基础模型

E—mail:jqplain@163.com收稿日期:2005一04—28修回日期:2005—11—21

万方数据 

暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期

设计参考・59・

分析。

2理论分析‘2]

DSF的能耗特性集中表现在它的传热特性上。将DSF简化成如图2所示的结构,尺寸(高×

气流温升

太阳辐射

对流

图2通风腔得热简化结构

宽×厚)为4

m×1.5m×o.5

m,所使用材料的物

性参数如表1所示。在气流的进出口装有格栅和

防虫网,高度为O.18m。双层立面安装在正南面。

表1

双层立面材料的物性参数

厚度/m

吸收比

反射比

透射比

发射率热阻/(辞・

℃/ⅥD

外层玻璃5.7O.159

0.0700

o.770

o.9o.006

遮阳装置

0.30风(随角度变化)1一o.40一风

o.9

内层玻璃5.7+12.7(a)+o.3302

0.147

0.5226

O.2(0.6)

O.363

5.6(La"E玻璃)

注:风表示遮阳的反射比;(a)表示空气夹层厚度,发射率数值中,o.2和o.6分别表示

镀膜层和非镀膜层的发射率。。

由理论分析可知,如果室内外气温分别为26℃和32℃,空气物性取。一1kJ/(kg・℃),ID一

1.13

kg/m3,通风腔温升与气流速度的关系如图3

所示,由图可以看出,当通风腔的气流速度从o.01

\索

平均风速/(m/s)

图3通风腔温升与气流速度的关系

m/s变化到O.10m/s,温升的变化非常剧烈;而当

气流速度从o.10m/s变化到o.50m/s,温升的变化则趋于平缓。根据国外学者的研究和笔者的观测,通风腔内的气流速度一般不会超过o.50m/s,而多数情况下分布在o.1~o.3m/s之间,此时通风腔的温升在2℃左右。这是因为气流和壁面温度耦合导致了气流速度的“自平衡”。

下面从气流排热、壁面对流、气流交换和太阳

万 

方数据辐射几个方面来分析DSF的性能。2.1气流排热

在DSF得热的理论计算模型中,可以根据室外气象参数和DSF结构特性来求解通风腔内的气流温度和通风量,这样可以求出气流在进出通风腔前后的焓差,即气流流经通风腔所带走的热量。

例如,在EnergyPlus标准气象参数(EPw)中,某日中午12:oo,室外干球温度为32℃,室内温度为26℃,立面辐射照度为227w/m2,可以算得气流的温升血一2.7℃,如果取空气的定性温度

为F,一气+÷&一34℃,则万一1.13kg/m3,此

时如果通风腔中气流平均速度为O.15m/s,取空

气比定压热容c,为1kJ/(kg・℃),可按式(1)计算通风腔中的气流焓增。

从一c万勉&

(1)式中A为通风腔断面面积,此处近似取为1.5

m×

O.5m一0.75m2。△^一1

kJ/(kg・℃)×1.13kg/

m3×O.75m2×0.15m/s×2.7℃一343.2W。

如果用A’表示该处DSF的立面面积,则平均

燃-57.2

到立面上,单位立面面积的气流焓增△^。一第一

w/m2。

如果气流速度从o.10m/s变化到o.50m/s,则气流排热量的变化可以用图4表示。

平均风速/(m/s)

图4廊道型DsF气流排热量与速度的关系

当通风腔的气流速度从o.01m/s变化到o.10m/s时,气流排热增长非常明显;而当气流速度从

o.10

m/s变化到o.50m/s时,排热增长则趋于平

缓,特别是当气流平均速度在O.30m/s以上,排热量趋于一个定值。

因此,气流排热对DSF夏季减小室外得热量很重要。而且,气流的存在可以避免通风腔过热。在夏季,如果通风腔的开口都关闭,其间的温度可以高达70℃[3|。

・60・设计参考

2.2壁面对流

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\咖I

以通风腔为控制体,壁面对流包括室内和室外两部分。由于通风腔的温度往往高于室外温度,所以DSF通过壁面对流进入室内的热量会高于常规幕墙。但是,综合来说,由于遮阳装置不在室内,相

当部分的太阳短波辐射被Ⅸ、F挡在内层立面之外,

辏蝼斌

・匠

气流速度/(m/s)a向外的对流换热量

咖1

因此单纯以内层立面为边界来对比壁面对流量参考价值不大。如果以外层立面为边界,可以发现,常规幕墙室外温度往往高于室内温度,因此传热的综合效应总是从外到内;而琰、F室外温度往往低于通风腔温度,有一部分热量是由内向外传递的。常规幕墙与联、F的热量传递对比如图5所示。

薰笛

螺≥麓一翟.蟹

气流速度/(m/s)

h向内的对流换热蹙

图6壁面对流换热量和气流速度的关系

进行自然通风,室内外环境不通过空调系统直接交换气流。在高层建筑中,由于室外风速较大,直接开窗通风很难控制气流。但是DSF有通风腔作缓冲,气流要容易控制得多,自然换气对节能的贡献

DSF

b常规幂墙

可以用式(2)表示:

(夏,一△忍hoy万

式中

(2)

图5幕墙对流传热对比

以第2.1节算例中的数据为例,可以得到DsF向内和向外的对流量和气流速度的关系,如图6所

示,可以看出,在气流速度比较小的阶段,壁面对流

△^。为室内外的焓差,石和V为通风气流的

密度和体积流量。根据文献[2]第二章的方法,当

室外平均风速为3m/s时,可以计算出△户。≈2.2Pa,通风腔中气流速度“一0.247m/s。如果DSF

量随着气流速度的增加(通风腔温度的降低)明显下降,在气流速度较大时则趋于稳定。因为气流的存在,进入房间的对流得热下降到1/2左右。

2,3气流交换

建筑的长度和宽度都为20m,则通风量为o.247

m/s×o.5m×20m一2.47m3/s,换气次数约5.5

h~,这在通常情况下是比较理想的。如果此时室外气温为20℃,则琰、F气流交换对节能的贡献为:

gnv一掣一丛巡坠旦笠丝垭哞翌喜笔型也狸坐殛迎一222

这里的气流交换主要指过渡季节利用DSF来

鼍“

1.5m×4m

…””“。W/m2。

2.4太阳辐射透射

DSF的太阳辐射透射特性和传统的围护结构不一样。传统的窗户或者幕墙对辐射得热的影响主要表现在其对短波辐射的反射比,因为只有这部分能量能传到室外,即使它的透射比较低,本身吸收了短波辐射,还是会转化为得热;而DSF的中间遮阳对辐射得热的影响主要表现在其对短波辐射的透射比,因为只有这部分能量直接进入室内,它本身吸收的短波辐射仍然有相当部分可以通过排气和外壁面对流传到室外。又因为DSF的透光面积大,所以遮阳装置的透射比对辐射得热非常敏

感。但是不能为了降低能耗就一味地增加遮挡率,这和DSF的增加通透性的设计思想就背道而驰了,而且太多的遮挡会增加照明的用电负荷和照明得热。所以控制太阳透射需要综合考虑众多方面的因素,而且根据不同的需要会有不同的控制策略。一般需要在以下几个方面取得平衡:1)保证

充足的自然光照明;2)降低能耗;3)防止眩光;4)

防止局部过热带来的不舒适。3计算机模拟

关于DSF的传热特性,现有的能耗分析软件里没有现成的模块可以用,特别是通风腔的气流并

万方数据 

暖通空调HⅦ执C2006年第36卷第11期

设计参考・6j・

不能简单地确定下来,因此,笔者首先采用CFD软件来分析气流,在AirPak中模拟通风腔内的气流特性(结合理论分析),再将此气流特性作为边界条件输入EnergyPlus中带有DSF的建筑模型,由此来计算立面的得热情况;计算结果与理论分析结果

对比验证。进一步利用EnergyPlus中自带的负荷

计算模型计算出相应的空调负荷,从而计算DSF

建筑的全年能耗特性。3.1模型的建立

所采用的标准建筑模型为10m×20m×12m

(长×宽×高)的简单建筑。为了使被研究的区域只受DSF的影响,使安装DSF房间的其他5个面左、右、后、上、下6个区,每个区都设有空调,而且好的5.1cm(2in)保温层+30.5cm(12in)加气混凝土+5.1cm(2in)保温层的结构;地板所采用的

材料和理论计算的模型一致,即20.3

cm(8in)加

气混凝土;屋顶为ASHRAE第13屋顶,即5.1cm

(2

in)保温材料+15.2

cm(6in)加气混凝土;除了

中区,其他所有区都没有外窗。DSF位于中区的南立面。基础模型中,DSF的通风腔用双层窗来

构造,宽度为500mm,外层为10mm白色玻璃,内层为6mm普通玻璃+12(a)+6mm(Low_E玻璃)。正中间放置遮阳百叶,百叶宽度为50mm,

间距40mm,角度可调。墙体表面传热系数的设定和理论计算中所取的相同。输出的DXF文件如

图7所示。

图7

E舱吲PI岭中输出的建筑三维模型

3.2模型的应用

经训练的模型首先可以用来计算不同朝向、不

同运行模式下DSF对建筑能耗的影响,以此来寻

找在某个气候区的比较合理的设计和运行方案。下文将从通风腔气流、遮阳百叶以及DSF的朝向

万 

方数据三个最主要的方面分别模拟和分析。

全年的室内参数设定为:空调季,室内设定温

度26℃,空调时间8:oo~17:00,周末照常;供暖

季,室内设定温度22℃,空调时间8:00~17:oo,

周末照常;过渡季节不开空调。

3.2.1通风腔气流对能耗的影响

将DSF设置在建筑的西向,分别讨论两种运行模式:外循环(只有外立面开口)和排风。外循环模式下,其他参数不变,仅改变通风腔中的气流量:设置一个基础的气流量,各个时刻的气流量为基础气流量乘以一个系数,将这个系数写进

EnergyPlus的时间表;在不同的运行工况下,时间

表不变,仅改变基础气流量,调节通风腔的平均风速从。变化到o.55m/s。用EnergyPlus输出空调季的供冷量,计算结果见图8。

140

p135{^130弓\

耀

125耀

120115

ooooooooooooo

风速/(m/s)

图8空调季(供暖季)供冷能耗指标和通风腔风速的关系

从图8可以得出:

1)通风腔的气流速度对能耗的影响很大。当

气流速度从O变化到o.55m/s时,空调季的能耗

下降了15.o%。

2)当通风腔的气流速度从o.01m/s变化到

o.10

m/s时,能耗的变化非常明显;而当气流速度

从o.10m/s变化到o.55m/s时,能耗的变化则趋于平缓,这与理论分析是一致的。

排风模式下将DsF作为排风通道,其间的气流量根据排风量来定,根据文献[1],可以取平均风

速为o.08m/s,且是恒定的。在此气流速度下,对

比两种通风模式,结果见图9。

由图9可见,排风模式的负荷指标比外循环模式降低6.32%,这是因为排风能带走更多的热量,

这和理论分析是一致的。

3.2.2遮阳策略对能耗的影响

遮阳策略要兼顾各个方面,所以非常复杂。例

如在比较寒冷的地区,以考虑供暖为主,可以以温度作为参考指标,当室外气温低于某一设定值就把

遮阳百叶收起,或者调节百叶的角度;如果在比较

都和空调房间相邻。具体做法是将该建筑分成中、设定温度相同,都是26℃。各面外墙都是保温良

・铭・设计参考暖通空调HV&AC2006年第36卷第11期

图9排风与外循环通风模式的对EE

炎热的地区则以立面的太阳辐射照度作为参考指标,当观测到的辐射照度小于某个设定值时,就取消遮阳,或是调节其透射比;如果以考虑自然光照

明为主,则以室内的照度为指标。

以上海地区为例,分别考虑供暖和供冷时遮阳对能耗的定量影响。供暖时,以温度为设定指标,室外气温低于室内气温设定值22℃时取消遮阳;以供冷为出发点时,以立面的辐射照度为设定指标,当辐射照度超过30w/m2时开启遮阳。计算结果见图10。

300250200150100500

图10两种运行策略全年能耗对比

从图10可以得出:

1)基于供暖的策略,执行的结果对供暖比较有利;基于供冷的则相反。而且数值上两者的偏差接近25%,说明遮阳策略对能耗的影响是显著的。

2)单是用某一种策略,往往因为此消彼长,很难兼顾各种要求,所以在具体运行中,比较理想的办法是根据气候特点制定有针对性的控制方案,使得供热和供冷的能耗都控制在较低的水平以降低总运行能耗。

3.2.3朝向对能耗的影响

在上海地区,用基础建筑模型,将DsF分别设置在四个朝向上,全年运行,考察各种情况的能耗。计算结果如图11所示,由图可以得出:

1)供热能耗指标最大时,DSF位于北向,供热

能耗指标最小时,DSF位于南向。

万 

方数据北向

、、

2.0l卜05・

・、、、、、

西向

./—/【5fHr

,,,7/\▲..

东向

j\._\

、、、、//

/‘,,’7

、《

,,

雨问

一▲一热负荷

+冷负荷

图11

DsF位于不同朝向的能耗对比(能耗单位为kJ/m2)

2)供冷能耗指标最小时,DSF位于北向,供冷

能耗指标最大时,DSF位于西向。

3)结果中供暖负荷比供冷负荷大,和通常情况有些出入,这是因为本模型中没有室内负荷,而且遮阳系数取得较大,使得上海地区的供热能耗指标大于供冷能耗指标。因此这个结果只能单从供冷能耗指标,或是单从供热能耗指标看出DSF在

不同朝向时对能耗的影响。

3.2.4

DSF和其他围护结构的能耗对比

在EnergyPlus中再分别建立一个单层玻璃幕墙和普通墙体加外窗的建筑模型,选用上海地区的气象资料,在南向上分别模拟比较。玻璃幕墙的材料和DSF内层材料相同,遮阳百叶放置在室内,其他参数和DSF建筑模型相同。普通墙体为20.3

cm(8in)砖墙+10.2cm(4

in)保温层,外窗的面积

为8m×2m,窗墙比为40%,为双层中空玻璃加

内百叶遮阳,遮阳参数和DSF相同。

计算结果如图12所示,可以得出:

500

譬400宝300

囊200

:囫

积100

。l

I.

DsF

单层玻璃幕墙普通墙体

园供热

口供冷

图12DSF与其他围护结构能耗对比

1)普通墙体加外窗建筑的全年供冷能耗相对于两种使用高透光、轻质围护结构的建筑分别低30%和60%左右,有明显的优势。

2)普通墙体加外窗建筑的全年供热能耗相对于两种使用高透光、轻质围护结构的建筑要分别高89.1%和62.3%。这主要是因为所计算的模型是南向的,在空调时间内,高透光结构的日射得热要

万 

方数据

双层皮玻璃幕墙建筑的能耗分析和优化设计

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:

蒋骞, 龙惟定, Jiang Qian, Long Weiding

蒋骞,Jiang Qian(上海建筑设计研究院有限公司), 龙惟定,Long Weiding(同济大学)暖通空调

HEATING VENTILATING & AIR CONDITIONING2006,36(11)5次

参考文献(3条)

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2. 蒋骞 Double-Skin Facade 建筑的能耗分析及适用性研究[学位论文] 20053. Oesterle E;Lieb R;Lutz M Double-skin facades,integrated planning 2001

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3. 刘晶晶. 张志勤. 李建玲. 秦佑国. Liu Jingjing. Zhang Zhiqin. Li Jianling. Qin Youguo 双层皮玻璃幕墙节能研究综述及探讨[期刊论文]-暖通空调2006,36(2)

4. 邹惠芬. 袁军团. 王雪峰. 杨春. 曹国平 双层皮玻璃幕墙的研究进展[期刊论文]-低温建筑技术2011,33(2)5. 刘猛. 龙惟定. 寿炜炜. 何焰. 何婧. 蒋骞. LIU Meng. LONG Wei-ding. SHOU Wei-wei. HE Yan. HE Jing. JIANG Qian 寒冷地区北向内循环DSF冬季工况的排风策略[期刊论文]-建筑科学2009,25(12)

引证文献(5条)

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2. 刘猛. 龙惟定 外循环式DSF综合传热系数的影响因素研究(I)——夏热冬冷地区夏季工况[期刊论文]-太阳能学报2011(5)

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5. 左明明. 潘毅群 某大型公共建筑全能耗模拟和节能潜力分析[期刊论文]-建筑热能通风空调 2008(6)

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