呼吸式玻璃幕墙对室内环境的数值模拟.docx
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呼吸式玻璃幕墙对室内环境的数值模拟
河北工业大学
毕业设计论文
作者:
肖冲学号:
090599
学院:
能源与环境学院
专业:
建筑环境与设备工程
题目:
呼吸式玻璃幕墙夏季气流组织数值模拟
指导者:
杨华教授
(姓名)(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)(专业技术职务)
2013年6月5日
毕业设计(论文)中文摘要
呼吸式玻璃幕墙夏季气流组织数值模拟
摘要:
随着社会的进步及经济的发展,玻璃幕墙逐渐作为建筑围护结构出现在各种现代化建筑中,但是传统的玻璃幕墙的冬季保温效果和夏季隔热作用相对比较差,大大增加了建筑的能耗,相比之下,呼吸式玻璃幕墙作为建筑的围护结构不仅可以起到美化建筑的作用,而且能改善建筑的节能效果。
本课题以天津地区某高校的呼吸式玻璃幕墙建筑为研究对象,通过建立二维稳态(室外温度为定值)模型,应用流体仿真软件Fluent对夏季呼吸式玻璃幕墙夹层及相邻房间的气流组织进行二维稳态模拟。
通过改变进出风口的大小以和夹层宽度以及幕墙的高度,分析夏季玻璃幕墙热通道内的温度场、流场对室内及相邻房间的温度场和速度场影响。
通过模拟计算分析得到:
在同等的太阳辐射强度和室外温度条件下,随着呼吸式玻璃幕墙通风口的面积的增大,热通道内的通风效果也在逐渐增强,但是通风口的面积增加到一定值以后,热通道内的通风改善效果就不明显了;呼吸式玻璃幕墙的热通道宽度会影响室内的平均温度和通道内的空气流动,随着热通道宽度的增加室内平均温度会出现先减小后增加的现象;幕墙高度的改变也会影响热通道内的气流组织,随着幕墙高度的减少,热通道内的通风效果也会逐渐变弱。
其研究结果可为呼吸式玻璃幕墙的设计与合理使用提供参考意见。
关键词:
呼吸式玻璃幕墙数值模拟热通道气流组织
TitleBreathingGlassfacadeofairflowsimulationinsummer
Abstract
Alongwithsocialprogressandeconomicdevelopment,Glassfacadeischosenunanimouslyforhighbuildingsintoday'sworld;however,theheatpreservationabilityinwinterandinsulationabilityinsummerofthetraditionalglassfacadeisverypoor,whichincreasestheenergyconsumptionofheatingandair-conditioning.Bycontrast,double-skinglassfacadeisnotonlyfine-lookingbutalsopossessesgreatpotentialforincreasingtheheatingability.ThistopicswithauniversityinTianjinbreathingglasscurtainwallbuildingastheobject,throughtheestablishmentoftwo-dimensionalsteady-statemodel.WiththisprojectCFDnumericalcalculationprinciples,applicationfluentsoftwaretobreathingglasscurtainforthestudythroughtheestablishmentoftwo-dimensionalsteady-statemodel,theapplicationoffluidsimulationsoftwareFluentbreathingglasscurtainwallbuildingradiation,convectionheattransfermodel,thesummerbreathingglasscurtainwallandtheadjacentroomairflowsimulationandanalysisoftwo-dimensionalsteady-state.Bychangingthesizeandtheouterglasscurtainwall,theoutletsizeandglasscurtainwallheatchannelwidth,analyzehotsummerglasswallwithinthechanneltemperaturefield,flowfieldontheinteriorandtheadjacentroomairdistributionandthermalcomfortofitsTheresultscanbreatheglasscurtainwalldesignandtherationaluseofavailableSeeopinions.
Throughsimulationanalysisshowedthat,inthesamesolarradiationintensityandoutdoortemperatureconditions:
Withthebreathingglasscurtainwallventareaincreases,theeffectofnaturalventilationisgraduallyincreased,buttoacertainareaoftheventsAfterthevalueofnaturalventilationimprovementisnotobvious;breathingglasscurtainwallthermalchannelwidthwillaffecttheaverageindoortemperatureandairflowwithinthechannel,thechannelwidthincreaseswiththermalindoortemperaturewillbedecreasedandthenincreasedphenomenon,indicatingthataslongasareasonablesethotchannelwidthcanmaketheindoortemperaturereachesanoptimumaveragetemperatures.
Keywords:
BreathingglasscurtainwallNumericalSimulationHotchannelAirflow
目次
第一章绪论1
1.1研究背景1
1.2呼吸式玻璃幕墙的组成2
1.3呼吸式玻璃幕墙的分类4
1.4国内外关于呼吸式玻璃幕墙的研究进展7
1.5本课题的研究任务、方法及意义9
1.5.1研究任务10
1.5.2研究方法10
1.5.3研究意义10
第二章确定几何模型10
2.1研究对象的几何模型10
2.2呼吸式玻璃幕墙的传热原理11
2.3呼吸式玻璃幕墙的工作原理11
2.4物性参数的设定12
第三章确定数值模拟的计算方法12
3.1计算流体软件的介绍12
3.2模型的边界条件14
3.3GAMBIT建模14
3.4确定湍流模型16
3.5确定辐射换热模型20
3.6确定求解算法模型21
第四章计算结果及分析24
4.1不同热通道宽度对室内气流组织的影响24
4.2不同进出风口尺寸对室内气流组织的影响28
4.3不同幕墙高度对室内气流组织的影响32
结论36
参考文献37
致谢39
第一章绪论
1.1研究背景
由于社会的发展以及科技的进步,人们的生活质量得到了一定的提升,个人的财富积累也比以往要多得多,这样自然会对自己的生活环境也有所要求。
比如:
人们在室内休息时希望夏季能够凉快冬季暖和,并且也希望房间内的空气清爽,不闷热。
在工作的时候,人们希望具有良好的自然采光以及舒适的视觉效果和通风效果[1]。
所有的这些要求我们都可以通过改变建筑的围护结构材料和房间遮阳设备来实现,但是如果只是依靠传统的建筑围护结构是无法达到人么预期的结果的,就算能也要依靠家用电器设备,例如:
空调系统、照明系统、新风系统等。
从能量的利用效果角度来考虑这将是比较耗能的,也是不符合现在世界主张节能、环保建筑的理念。
根据相关数据显示在工业发达的国家建筑能耗几乎占到总能耗的35%,并且这部分建筑能耗的2/3到3/4是可以通过正确的建筑措施节省下来的[2]。
在建筑的总能量耗损之中,由于围护结构的保温或者隔热不当导致的能耗在这所有能耗中的比重是最大的,而现今出现的呼吸式双层玻璃幕墙不仅具有美观、通透的特点,并且具有良好的冬季保温、夏季隔热、过度季节通风的潜在优势,能够对室内热环境起到改善的作用,同时也有很大的节能潜力[3]。
因此,呼吸式玻璃幕墙作为当代建筑的围护结构已成为当今世界高层建筑的一致选择。
玻璃幕墙应用在建筑上最早出现在欧美等工业比较发达的国家,1917年,美国旧金山的哈里德大厦就开始采用了玻璃幕墙,1929年世界级建筑大师勒·柯布西埃提出“大片”玻璃幕墙的设想[4]。
此时所用的玻璃幕墙大多考虑到的是玻璃幕墙的美观及通透性并且更多的是应为建筑设计上的新颖,而非出于减少建筑物本身的能耗,这种玻璃幕墙在我国最早出现在上世纪80年代,主要标志建筑是1983年的上海的联谊友大厦和北京的长城酒店。
由于单层的玻璃幕墙没有好的隔热效果,而且这种建筑的空调能耗比传统的围护结构高的多,为了改变这种为了建筑的外观效果而损失更多的能源的困境,人们对玻璃幕墙进行进一步的探索,在二十世纪20年代人们逐渐意识到用二层玻璃幕墙来作为建筑的维结构能过极大的改善建筑的节能效果,后来进一步发现在二层玻璃里面放置一些可以挡住阳光的物品,并且把外面的玻璃上下开二个窗口,开启窗口,二层玻璃间的空气就会从下往上流动,而这空气额的流动可以带走室内的部分热量这样也就减少了建筑物的能耗。
不过正真意义上的呼吸式玻璃幕墙在1978年建成,即位于美国纽约州的胡克化学楼,而国内在建筑上开始用呼吸式玻璃幕墙到了1994年以后,典型的应用实例有:
北京建筑设计院、清华大学节能楼、国贸大厦、奥运射击运动馆以及昆仑公寓等。
在这些已经建成的项目中,奥运运动射击馆是外循环的双层玻璃幕墙的一种;清华大学节能楼采用的是机械内循环幕墙;而昆仑公寓则是典型的内循环双层玻璃墙[5]。
而在现今世界能源危机以及节能减排呼喊日益高涨的背景下,呼吸式玻璃幕墙成为建筑界一时的热点。
呼吸式玻璃幕墙在夏季通过打开外玻璃上的通风口,通过热压作用产生的自然通风将二层玻璃内的热量排到建筑外面;在冬季通过关闭外玻璃上面的通风口,使外界冷空气被隔绝在外玻璃外面,这样就提高了保温效果,降低了暖能耗能起到了比较好的节能,正因为呼吸式玻璃幕墙的这个节能特点,使得它在现代建筑中得到了广泛的应用。
当代呼吸式玻璃幕墙主要特点是:
在外玻璃和内玻璃之间有一定的宽度,而这个宽度是根据玻璃幕墙的特性确定的;通常,两层幕墙当中内层会采用隔热玻璃,外玻璃幕墙采用普通的单层玻璃或者有变色机能的玻璃,通道内通常设置有遮阳设备;热通道在供暖季节保持封闭可提高室内的温度,在供冷季节通过打开通风口,利用玻璃幕墙内的自然通风到达降低室内的温度。
1.2呼吸式玻璃幕墙的组成
呼吸式玻璃幕墙主要由外层的普通玻璃和内层的隔热玻璃以及二层玻璃之间组成的空气夹层——热通道组成。
呼吸式玻璃幕墙的出现主要是为了解决普通传统玻璃幕墙能耗大、室内气流组织差等问题,呼吸式玻璃幕墙作为建筑对的围护结构,为建筑提供了良好的自然采光和自然通风、增加了室内空间的热舒适度、降低了建筑能耗,从而很好的解决了建筑的自然采光和通风与建筑节能之间的矛盾。
呼吸式玻璃幕墙的示意图如图1.1所示。
一般来说呼吸式玻璃幕墙的外幕墙和内幕墙都有通风口,通过开关不同位置通风口来调节呼吸式玻璃幕墙以到达符合不同季节的工况[6]。
总的来讲影响呼吸式玻璃幕墙的热工性能及节能性能的因素包括:
玻璃类型、热通道尺寸、通风口大小及位置。
(1)玻璃类型
玻璃幕墙的主要组成部分是玻璃,玻璃拥有透明、光亮华丽等特点,因此利用玻璃能够射击场拥有很好视觉效果的围护结构,在设计玻璃幕墙时,如果在玻璃幕墙选择不当,会导致房间的节能效果大打折扣。
玻璃作为围护结构的差异主要体现在它的性能参数上,包括热工参数和光学参数,玻璃幕墙的热工参数决定了在同等的外界条件下,建筑与外界之间热量交换的量有多少,光学参数包括遮阳系数,太阳的透射比、反射比、,这是与传统围护结构的根本差异,在这里,玻璃透射的太阳辐射热量的多少对室内的热舒适性和建筑能耗有较大影响。
(2)热通道尺寸
热通道是指呼吸式玻璃幕墙二层玻璃包围而形成的狭长空间[7]。
热通道的大小决定着呼吸式玻璃幕墙的设计是否合理以及是否能达到设计的节能要求,因此确定热通道的大小对呼吸式玻璃幕墙建筑的优化和建筑节能是非常重要的,决定热通道大小的因素包括热通道长度、高度、宽度。
热通道长度是指沿着房间的宽度方向所形成的一定长度,;热通道高度是指同侧玻璃幕墙上的进风口到出风口之间的最短距离,如果楼层之间没有明显的划分,那么多层幕墙会依据楼层合理的分布就出风口之间的距离,一般规定通道比较宽就把热通道称为“前庭”,如果通道比较窄就将其称为“烟道”;热通道的宽度是指外层玻璃幕墙到内层玻璃幕墙之间的距离,热通道一般根据宽度大小分为三种主要的类型:
紧凑类型,一般是从100mm到5OOmm,这个宽度保证了居住者在清理幕墙的时候能有一定的空间,经典型,此类玻璃幕墙的热通道宽度为一米左右,这个宽度比较适中,在这个宽度下热通道可以作为发生火灾时的逃生通道,也可以作为建筑美学设计空间;宽大型,这类幕墙一般用于高层大型建筑中,而且对建筑的结构有严格的要求。
呼吸式玻璃幕墙的热通道示意图如下图(1.1.2玻璃幕墙热通道图)
a.热通道b.热通道高度c.热通道宽度d.热通道长度
e遮阳装置f.幕墙内层隔热玻璃g.幕墙外层普通玻璃
图1.1.2玻璃幕墙热通道图示
(3)通风口
通风口是位于外玻璃幕墙和内玻璃幕墙上的通风装置,一般通风口都是成对出现以达到空气的循环流动。
在夏季通过开启外玻璃幕墙上的进风口和出风口关闭内幕墙上的进出风口,使室外的空气从外玻璃幕墙的下端入口流进,在热通道内吸收太阳的辐射能温度升高,利用热压再从外幕墙上端的出风口流出,从而带走了热通道内的部分热量达到隔热的效果;在冬季通过关闭外幕墙上的进出风口打开内幕墙上的进出风口,使室内的热空气通过内幕墙上的通风口在热通道内形成循环流动,利用幕墙热通道内形成的“温室效应”达到冬季保温的效果。
1.3呼吸式玻璃幕墙的分类
呼吸式玻璃幕墙的分类依据有多种,最常用的就是根据其热通道的结构特点来确定其类别,根据热通道结构特点可以分为:
“外吊式”呼吸式玻璃幕墙(整栋楼通道内部不划分)、“箱体式”呼吸式玻璃幕墙(通道内水平、垂直都划分)、“箱井一体式”呼吸式玻璃幕墙(在热通道内部垂直方向划分“井”通过旁边的“箱体”来进行通风换气)、“廊道式”呼吸式玻璃幕墙(每层通道内做水平划分)。
(1)“外吊式”呼吸式玻璃幕墙
“外吊式”呼吸式玻璃幕墙是玻璃幕墙中最简单的一种构造方式,如图1.1.3所示,呼吸式玻璃幕墙的外层幕墙“依附”在距建筑真正外墙200~2000mm之处,其距离根据建筑的所在地区和形状以及外层玻璃与墙体的连接方式而定而定。
“外挂式”呼吸式玻璃幕墙额热通道既不作水平分隔也不作垂直分隔,有关研究测试结果表明这种“外吊式”幕墙结构具有优越的隔音效果,但是由于其热通道内的气流组织缺乏稳定性,因而对建筑的热环境并无明显的改善作用也不具备明显的节能效果,所以决定了这种幕墙结构多用于城市嘈杂的环境中,以隔绝噪音为主要目的。
图1.1.3“外吊式”呼吸式玻璃幕墙
(2)“箱体式”呼吸式玻璃幕墙
“箱体式”呼吸式玻璃幕墙主要是由一个带内开窗的框架构成,由单层普通玻璃组成的外层幕墙玻璃的上下部位设置通风口,室外的空气可以通过通风口进入呼吸式玻璃幕墙的热通道内,也可以通过通风口从热通道内排出,从而达到外面空气与室内通过自然通风实现换热。
“箱体式”呼吸式玻璃幕墙的显著特点是玻璃幕墙的通道沿着结构柱或者房间进行了水平分隔,垂直方向则按每栋楼层进行分隔,这样就将热通道分割成了很多独立的单元,从而有效的避免了噪音和气味在热通道或者房间之间串行。
因此“箱体式”呼吸式玻璃幕墙多用于对建筑有较高的隔音效果或者对建筑房间的独立性有很高要求的建筑中。
“箱体式”呼吸式玻璃幕墙的示意图如图1.4所示:
图1.4“箱体式”呼吸式玻璃幕墙
(3)“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙
“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙与“箱体式”呼吸式玻璃幕墙结构形式上相似,唯一的不同就是:
“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙在垂直方向按一定规律设置了贯通层。
这么做的目的就是为了将热通道划分为小的单元格通道,小的单元格式的热通道内的空气吸收太阳的辐射热之后温度上升,由于垂直方向的“井”相对来说比较高,从而形成很强的“烟囱效应”,进而加快了热通道内部空气的流动,可以获得较好散热效果。
“井箱式”呼吸式玻璃幕墙由于能够形成较强的“烟囱效应”,因此需要的立面开口面积可以适当的减少,进而有效的减少室外噪音进入室内。
虽然“烟囱效应”会随着热通道的高度增加而增加,但是,在实际应用中,“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙的高度是受限制的。
这是因为,“烟囱效应”虽然增强了热通道内的空气流动,却同时也使得与此通道相近的上部建筑的幕墙内部的空气温度升高了,这样就使得那部分建筑的使用受到限制。
因此,“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙一般在多层建筑或者底层建筑中使用的比较多。
其结构特点,如图1.5所示。
图1.4“井箱一体式”呼吸式玻璃幕墙
(4)“廊道式”呼吸式玻璃幕墙
廊道式呼吸式玻璃幕墙结构是以建筑物的层数为分割来进行水平划分的。
这种幕墙的热通道的宽度较宽,一般在0.7m~1.5m之间,并且在每层楼的楼板和天花板除设有进出风口的调节板,这样使得下层热通道的部分排气又部分变为上层热通道的进气,这样虽然能提高冬季的保温效果,但是对空气的质量和温度的缓冲无疑是有负面影响的。
由于这种结构的呼吸式玻璃幕墙在水平方向没有进行水平分隔,房间之间通过幕墙内的热通道连接在一起,因此在使用这种结构时必须优先考虑到房间之间的串声和防火。
廊道式呼吸式玻璃幕墙的结构如图1.5所示。
图1.5“廊道式”呼吸式玻璃幕墙
1.4国内外关于呼吸式玻璃幕墙的研究进展
目前国内外对呼吸式玻璃幕墙的研究主要有以下几个方向:
呼吸式玻璃幕墙对室内热、湿、光环境的影响,呼吸式玻璃幕墙对相邻房间冷、热负荷的影响,对呼吸式玻璃幕墙结构优化的探究,结合空调系统的运行能耗、围护成本以及施工、防火的研究等。
而所有的这些方向其研究方法可以分为二类:
一种是以实验的方法通过对已经建成的呼吸式玻璃幕墙建筑内部的温度场、风速和能耗计算来分析呼吸式玻璃幕墙对室内热环境和气流组织的影响;另一种是通过相关的模拟软件对呼吸式玻璃幕墙及相邻房间的气流组织模拟,以此来分析不同通风口和不同热通道对室内气流组织和热环境的影响。
首先介绍的是实验分析方法,通过对己经建成的建筑进行常年监测,分析其通风、气流组织特点以及对室内环境的影响,这些结果不仅有利于指导建立数学模型,而且可以指导工程设计。
例如Pasquay对德国的3幢呼吸式玻璃幕墙建筑进行了长期监测,其中siemens大厦没有空调系统,采用夜间通风、不设吊顶等措施可以满足建筑环境基本要求;Victori保险公司大厦采用吊顶辐射制冷[8]。
Pasquay指出,双层玻璃幕墙并不是在任何地方和任何建筑中使用都节能,一些模拟假设边界条件需要仔细考虑,例如,幕墙周边的温度往往要比气象观测温度高;对于箱体式呼吸式玻璃幕墙,幕墙中的换气量更取决于风速和风向,而不是烟囱效应[9]。
在设计中应该将双层幕墙空间与通风口隔断,以防止夏季热风倒灌[10]。
ZerrinYilmaz和FeritCetintas对Istanbul地区的办公楼应用单层玻璃幕墙和双层玻璃幕墙在冬季时热损耗进行了对比研究,结果显示利用双通道玻璃幕墙在冬季可以节约大量供暖能量[11]。
南京师范大学王子介通过实验测定获得了南京地区室内空气温度、围护结构内表面温度、平均辐射温度等参数,对同样室外温度下有无辐射供冷暖时的室内热舒适状况进行了定量对比分析。
测试结果表明同样条件下在冬季室内有太阳辐射比没太阳辐射时的室内热舒适性要好[12]。
同济大学的周雪飞和哈尔滨工业大学高甫生同国内对北京、上海、广州3个城市的商业写字楼、四季厅等幕墙建筑的太阳辐射数据的采集,经过试验数据的回归分析得出室内环境受太阳辐射影响特别大。
进一步分析出玻璃幕墙建筑的幕墙面积、玻璃类型是影响室内热环境舒适性的主要因素[13]。
其次是模拟分析方法,通过建立流体数值模型,采用数值分析软件模拟在不同室外气候条件和幕墙结构下的通风特点,根据模拟的结果分析呼吸式玻璃幕墙的热工性能以及节能情况,例如:
Manz结合玻璃光学特性对呼吸式玻璃幕墙进行模拟,得到在不同安装顺序和通风策略下呼吸式玻璃幕墙热通道中的能量分布,结果表明总太阳得热系数的模拟需要采用包括对流、导热和辐射的fluent模型[14]。
他还对不同高宽比的封闭空腔内自然对流换热过程进行了数值模拟,将模拟得到的Nu数值与五个经验公式进行了对比,其结果表明模拟得到的数据与实际经验公式相符合[15]。
深圳市三鑫特种玻璃技术股份有限公司的张桂先等人在2003年用ANSYS有限元方法中CFD模拟分析软件对深圳地区一座通风双层玻璃幕墙的热通道进行模拟,清晰地模拟出双层玻璃幕墙热通道内温度场、速度场、压力场分布情况[16]。
2004年黄艳等人利用CFD数值模拟的方法,对带中庭办公建筑楼双层玻璃幕墙内的自然通风形式进行了模拟,结果表明完全依靠自然通风形式,其气流分布流态效果取决于室内发热量和室外温度之间形成的温差,在夏季炎热、冬天寒冷的地区,早晚室内外温差较大,可以考虑再利用晚间自然通风排出外围护结构的蓄热能量[17]。
李荣敏、顾建明利用有限元分析软件ANSYS对上海第一人民医院病房的玻璃幕墙热通道内部的流场与温度场进行了研究,对自然通风和机械通风两种通风情况进行了模拟和分析,确定了能使玻璃幕墙热通道通风效果最好、节能效果最明显的通风形式[18]。
魏世雄借助fluent模拟软件对单楼层热通道玻璃幕墙进行模拟研究,得出热通道宽度和出风口高度是幕墙节能性能的最主要影响因素。
影响规律为:
热通道自然通风量随热通道宽度和出风口高度的增加而增大;内层玻璃温度随出风口高度的增加而减小,随热通道宽度的增加先显著减小,后缓慢增大,并且在宽度为0.2一0.3米时,内层玻璃温度最低[19]。
长安大学杜妮妮建立三维动态模拟西安双层玻璃幕墙,通过计算分析得出,在相同的室外温度和太阳辐射强度条
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