（土木工程专业论文）大空间全玻璃幕墙建筑外遮阳及自然通风技术研究.pdf

中文摘要 玻璃幕墙作为一种新型建筑外墙形式被越来越多地采用。本课题的研究结 合苏州大学图书馆，开展针对大玻璃外墙建筑物空调负荷的分析，以及对建筑 遮阳和自然通风等技术的节能效果进行研究。 本文绪论部分对全玻璃幕墙建筑节能技术的研究现状进行了综述；第二章， 分别探讨了过渡季节和夏季在有外遮阳和无外遮阳两种情况下空调负荷的特 点，并对空调负荷的计算结果进行分析；第三章，建立了遮阳模型，分析照光 高度的影响因素，研究遮阳对全玻璃幕墙建筑太阳直射辐射负荷的影响，并提 出了遮阳策略；第四章，根据建筑物自身的特点，在分析了过渡季节的自然通 风特点之后，进行了自然通风的计算：第五章，运用计算流体力学软件f l u e n t ， 对过渡季节自然通风的效果进行模拟和分析；论文的最后一部分是总结，指出 玻璃幕墙建筑的节能趋势。 关键字：玻璃幕墙空调负荷 遮阳 自然通风f l u e n t 模拟 a b s t r a c t g l a s sc u r t a i nw a l li san e wt y p eo fa r c h i t e c t u r eo u t s i d ew a l li nr e c e n ty e a r s c o m b i n ew i t hs u z h o uu n i v e r s i t yl i b r a r y ，t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri st on a r r a t et h e a p p l i c a t i o no u t c o m eo fe n e r g ys a v i n gt e c h n i c si ng l a s sc u r t a i nw a l lb u i l d i n gb y a n a l y z i n go u t c o m eb yu s i n gt h ee n e r g ys a v i n gt e c h n i c s o fa i r c o n d i t i o n i n gl o a d ， o u t s i d es u n s h a d ea n dn a t u r a lv e n t i l a t i o ni nt h eg l a s sc u r t a i nw a l lb u i l d i n g t h ef i r s t c h a p t e rn a r r a t e st h er e c e n tr e s e a r c ho u t c o m eo f 翻a s sc u r t a i nw a l l b u i l d i n g ；t h es e c o n dc h a p t e re x p l a i n st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fa i rc o n d i t i o n i n gl o a d f o rt h eb u i l d i n gw i t ho rw i t h o u to u t s i d es u n s h a d ei ns u m m e ra n dt r a n s i t i o ns e a s o n ， a n da n a l y z e st h eo u t c o m e ；t h et h i r dc h a p t e re s t a b l i s h e st h es n ns h a d em o d e ，a n a l y z e s t h ei n f l u e n c i n gf a c t o rf o rl i g h th e i g h t ，s t u d i e st h ei n f l u e n c eo fo u t s i d es u n s h a d et o s o l a rd i r e c tr a d i a t i o n ，a n dp u t sf o r w a r dt h es u n s h a d es t r a t e g y ；t h ef o r t hc h a p t e r s t u d i e st h ed e s i g n i n ga n dc h e c k i n gc a l c u l a t i o no fn a t u r a lv e n t i l a t i o ni nt r a n s i t i o n s e a s o na c c o r d i n gt oc h a r a c t e ro ft h eb u i l d i n g ；t h ef i f t hc h a p t e rs i m u l a t e sa n da n a l y z e s t h eo u t c o m eo fn a t u r a lv e n t i l a t i o ni nt r a n s i t i o ns e a s o nb yu s i n gt h eh y d r a u l i cs o f t w a r e f l u e n t ；t h el a s tc h a p t e ri st h ec o n c l u s i o n k e yw o r d s ：g l a s sc u r t a i nw a n a i rc o n d i t i o n i n gl o a ds u n s h a d e n a t u r a lv e n t i l a t i o nf 1 u e n ts i m u l a t i o n 主要符号表 q 设备、胁人体的徽w 丁赏簧姜篇器嬲等灯时刻或 设备投入使用时刻或开灯时刻或 f r 时间的设备负荷强度系 z t 人员进入房间时刻到计算时间的j x , 一r数、照明负荷强度系数、人体负 时间，h 荷强度系数 k玻璃的传热系数，w m 2 k f维护结构的计算面积，m 2 f 。 计算时刻的负荷温差， c ： 玻璃的综合遮挡系数 珥，。 日射得热因数的晟大值，w m 2 c “ 冷负荷系数 直射辐射强度在玻璃法线方向分 j n 量，w m 2j d散射辐射强度，w m 2 f 玻璃的直射日射透过率 f d 玻璃的散射日射透过率 口 玻璃的直射日射吸收率 口d 玻璃的散射日射吸收率 n玻璃吸收日射后传向室内的部分 r 玻璃的总热阻，m 2 c w r 玻璃外表面的热阻，m2 c w 玻璃内表面的放热系数，取 “ 8 7 m 2 当地钟表示值，当地位处于东径取 “+ ”号，西径取“一”号 ，。当地标准时所对应的径度 驴 地球上某点的纬度 f 。 室内通风区的温度， q 室内负茹( 余热量) ，u s r 玻璃内表面的热阻，m 2 c w 玻璃外表面的放热系数，取 口”1 8 6 w r m2 c ， 当地径度 e 时差 t 单位质量流体湍流脉动动能 m 2 s 2 t 。 天窗的排风温度， f ，进风温度， c 空气比热，1 o l k j k g 当前室温下的室内空气密度 p h k g | 订 h 2 中和面至天窗的距离，m p 。排风的密度，k g m 3 心 排风窗的流量系数 ，3 天窗面积，m 2 嵋 进风口的压差，p a y 全面通风换气量，m 3 h g全面通风换气量，培5 p 。室外空气密度，k g m 3 以室内平均空气密度，k g m 3 f 3 一。第n 层楼所需要的天窗面积，m 2 每个楼层的全面通风换气量， g - k g | s 蚌 排风口的压差，p a 自 外通风窗1 的局部阻力系数 是 内通风窗2 的局部阻力系数 岛天窗3 的局部阻力系数v 1 进口风速，m2 s v 2 通过内通风窗2 的风速，m 2 s v 3 出口风速m 2 s 曩外通风窗i 的面积，m 2 ，i l ： ：和面至进风窗和排风窗的距离， 岛2 进风窗的综合阻力系数 啊一。 计算楼层n 与中和面的高差，m k 一。楼层n 的全面通风换气量m 3 h k 空气动力系数 e内通风窗2 的面积，m 2 p ，2 进风窗的综台流量系数 a 只。进风压差，p a v h各个楼层的进口风速，m 2 ，s q 。楼层n 实际带走的热量，k w v 。室外空气流速，m s k 取决于进排气口净面积比的系数 a进气口面积，m 2 v 风速，m s l v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文：学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名：答啕始 细莎年专月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文“大空间全玻璃幕墙建筑外 遮阳及自然通风技术研究”，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品 的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由 本人承担。 签名：懈 m b 年专月砷日 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 1 1 课题背景及研究意义 随着生产力迅猛发展，人类在征服自然、改造自然的斗争中取得了日新月 异的成就，人类文明也取得了长足的进步。但是在取得辉煌成绩的同时，人类 也付出了极其惨痛的代价一一环境的污染、资源的枯竭、物种的灭绝等等。这 一系列问题使得人类不得不进行反思和总结，人们认识到大自然不是一个可以 任意征服、任意改造的物质，它如同世界上其它物质一样有着自己的循环发展 规律，人类社会的发展与自然界的发展是相互影响不可分割的。人类为了自己 的明天，必须从新考虑如何与大自然建立新的次序，与大自然和谐共生。因此， 1 9 8 7 年联合国世界环境发展委员会就提出了“可持续发展”的概念，制定了“既 满足当代人需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”的原则【1 1 。 能源作为现代社会中的重要资源之一，已经日益显现出它的珍贵性。节能 是可持续发展的最重要课题之一，节能不仅具有生态意义，从某种程度上说， 它还是一种战略。在发达的工业化国家，建筑物消耗了近4 0 的能源，经过粗略 的估算，其中的2 3 到3 4 本可通过正确的建筑措施节省下来。这种潜力不仅存在 于建筑设备之中，同时也为建筑设计带来全新概念【甜。 玻璃幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式。玻璃幕墙在十九世纪四十年代 末初见端倪，于1 8 5 1 年在英国伦敦工业博览会大厦首次露面，至今已有一个半 世纪的历史。自上世纪5 0 年代初的纽 约利华大厦和联合国大厦的建成以 来，玻璃幕墙发展迅猛，被认为是高 技术发展在建筑上的标记。现在，玻 璃幕墙以其样式丰富多变，极具表现 力的特点，越来越多地被用作建筑的 外墙围护。 。1 1 8 3 差乙我国嚣：i 蛩垡竺玻璃一 图1 1 北京长城饭店 幕墙高层建筑北京长城饭店( 见图1 ) 落成，它是由世界著名建筑设计师贝聿铭先生设计，采用了银灰色热反射玻璃， 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 1 1 课题背景及研究意义 随着生产力迅猛发展，人类在征服自然、改造自然的斗争中取得了同新月 异的成就，人类文明也取得了长足的进步。但是在取得辉煌成绩的同时，人类 也付出了极其惨痛的代价一一环境的污染、资源的枯竭、物种的灭绝等等。这 一系列问题使得人类不得不进行反思和总结，人们认识到大自然不是一个可以 任意征服、任意改造的物质，它如同世界上其它物质一样有着自己的循环发展 规律，人类社会的发展与自然界的发展是相互影响不可分割的。人类为了自己 的明天，必须从新考虑如何与大自然建立新的次序，与大自然和谐共生。因此， 1 9 8 7 年联合国世界环境发展委员会就提出了“可持续发展”的概念，制定了“既 满足当代人需要，又不对后代人满足其需要的能力构成危害的发展”的原则f l j 。 能源作为现代社会中的重要资源之一，己经日益显现出它的珍贵性。节能 是可持续发展的最重要课题之一，节能不仅具有生态意义，从某种程度上说， 它还是一种战略。在发达的工业化国家，建筑物消耗了近4 0 的能源，经过粗略 的估算，其中的2 3 到3 4 本可通过正确的建筑措施节省下来。这种潜力不仅存在 于建筑设备之中，同时也为建筑设计带来全新概念口i 。 玻璃幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式。玻璃幕墙在十九世纪四十年代 末初见端倪，于1 8 5 1 年在英国伦敦工业博览会大厦首次露面，至今已有一个半 世纪的历史。自上世纪5 0 年代初的纽 约利华太厦和联合国大厦的建成以 来，玻璃幕墙发展迅猛，被认为是高 技术发展在建筑上的标记。现在，玻 璃幕墙以其样式丰富多变，极具表现 力的特点，越来越多地被用作建筑的 外墙团护。 1 9 8 3 苎，我国第二t 王见垡垡玻璃一 图1 1 北京k 娥饭店 幕墙高层建筑北京长城饭店( 见瞬1 ) 落成，它是由世界著名建筑设计师贝聿铭先生设计，采用了银灰色热反剩玻璃， 落成，它是山柑界著名建筑设计师贝聿铭先牛设计，采用了银驭色热反刺玻璃， 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 整座建筑美观、雅致、亮丽、明快、挺拔，银光闪烁，晶莹剔透。从此，玻璃 幕墙建筑得到我国建筑界的特别青睐。近几年玻璃幕墙热更是急剧升温，据不 完全统q ；t ：1 9 9 7 、1 9 9 8 两年玻璃幕墙建筑面积均在5 0 0 万平方米左右，跃居世界 第一。1 9 9 9 年建筑面积也在4 0 0 万平方米左右。2 0 0 0 年达到6 0 0 万平方米，年产 值达7 0 多亿元。玻璃幕墙在我国已成为一种新兴行业h 。 玻璃幕墙突出的优点是采光面积大、美观、装饰性能好，且防腐性能优异 等等。幕墙装饰于建筑物的外立面，使得建筑物显得光洁、明快、挺拔，无论 在色彩还是光泽方面，都给人一种全新的感觉。玻璃幕墙将建筑物外围护墙的 防风、遮雨、隔热、防噪声、舫空气渗透等使用功能与建筑装饰功能有机地融 合为一体。正是由于玻璃幕墙有着华丽、独特的装饰效果，有比传统砖石、混 凝土材料轻质、高强的优势，从2 0 世纪8 0 年代初期从国外引进建筑幕墙技术开 始，它就迅速广泛地在国内建筑上得到使用。 但是，由于玻璃幕墙围护结构传热系数很大，加上夏季的温室效应，和几 十年前的隔热性能良好的普通建筑物内夏凉冬暖的特性完全相反，其耗能将高 于普通建筑物。而现在，不可再生能源的日夕匮乏使得建筑的高能耗问题变得 更为突出。因此，在确保室内舒适环境的基础上，这类新型建筑物必须采取一 系列必要的节能手段。 我国的节能工作从总体上说起步晚，虽然现在已经制定了相应的节能标准， 但是人员和单位的节能意识薄弱。积极地开展建筑节能设计的研究、有效地推 进建筑节能工作，才能推动经济持续发展，有利于环境保护。基于其特殊的环 境，建筑节能设计主要应考虑两点：一是既要考虑夏季隔热、又要考虑冬季保 温，以此来降低建筑物的采暖、降温的能耗；二是要充分利用自然环境条件， 认真考虑非空调降温期的自然通风，营造舒适的建筑热环境。 苏州大学图书馆正是这类全玻璃幕墙建筑物，因此，可以借苏州大学图书 馆的工程为契机，开展针对大玻璃外墙建筑物空调负荷特性的分析，以及对建 筑遮阳、隔热和自然通风等技术的节能效果进行研究，从而揭示全玻璃幕墙建 筑的负荷特性和节能技术可能取得的效果。 同时，这一研究对世博会的大型会展建筑、生态建筑的设计也会有参考价 值。 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 1 2 建筑遮阳防热的研究现状 1 2 1 建筑遮阳和建筑防热 夏季室内余热量的主要来源：( 1 ) 在太阳辐射和室外气温的作用下，外围护 结构表面温度升高将热量传入室内：( 2 ) 通过窗口( 或外围护结构透明和半透明 部位) 直接进入室内的太阳辐射热；( 3 ) 室内生活及生产过程中产生的热量；( 4 ) 室外空气带进的一部分热量。建筑防热的主要任务是减弱热作用，改善室内热 环境；建筑遮阳应该是遮挡太阳辐射热经过建筑外围护结构传入室内的措旌。 而建筑遮阳的主要任务是：减弱通过窗口( 或外围护结构透明和半透明部位) 直接进入室内的太阳辐射热和在太阳辐射的作用下外围护结构表面温度升高而 进入室内的热量。客房之室内空气、墙面、地面、家具表面温度升高，是建筑 防热、改善室内热舒适的重要手段。 由于全玻璃幕墙建筑的玻璃表面换热性强，透射率高，放对室内热环境有 极大的影响。在夏季，阳光透过玻璃射入室内，是造成室内过热的主要原因。 在玻璃上设置遮阳装置，可以最大限度减少阳光的直接照射，从而避免室内过 热。 1 2 2 建筑遮阳的作用与效果 设置遮阳后，会产生以下作用和效果： 遮阳对室内温度的作用 遮阳对防止室内温度上升有明显作用。遮阳可有效减少空调负荷，所以对 空调建筑来说，遮阳更是节约电能的主要措旖之一。这样就可以减少对不可再 生能源的使用，从而减少因消耗大量化石能源造成的环境污染和自然破坏。 遮阳对采光的作用 从天然采光的观点来看，遮阳措施会阻挡直射阳光，防止眩光，使室内照 度分布比较均匀，有助于视觉的正常工作。对建筑物周围环境来说，遮阳可分 散玻璃f 尤其是镀膜玻璃1 的反射光，避免了大面积玻璃反光造成的光污染。但是， 由于遮阳措施有挡光作用，从而会降低室内照度，在阴雨天更为不利。因此， 在遮阳系统的设计时应充分考虑以上因素，尽量满足室内天然采光f 勺要求。 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 遮阳对建筑外观的作用 一般人都认为窗户的设计只能平板化，但由国外的许多优秀案例我们不难 发现以轻巧的金属板设计成优美的遮阳形式并成为建筑造型有趣的一部分。遮 阳系统在玻璃上形成光影效果，体现出现代建筑艺术的美学效果。因此，在欧 洲建筑界，已经把外遮阳系统作为一种活跃的立面元素加以利用，甚至称之为 双层立面形式。这种具有动感的建筑形象不仅成为建筑立面的时尚需要，而且 是现代技术解决人类对建筑节能和享受自然双重需求而产生的一种新的现代建 筑形态。 遮阳对房间通风的影响 通常，遮阳设施对房间通风具有一定的阻挡作用，在开启窗通风的条件下， 遮阳会使室内的风速会减弱2 2 4 7 ，具体视遮阳设施的构造情况而定。同时 对玻璃表厩上升的热空气有阻挡作用，不利散热，因此在遮阳的构造设计时应 加以注意1 4 j 0 1 2 2 建筑遮阳国内外的研究概况 建筑遮阳作为一种节能效果显著的可持续技术，长期以来深受国内外建筑 技术科学领域的重视。炎热地区民用建筑的遮阳防热做法古来有之，除岭南的 骑楼外，长江流域的吊脚楼，云南、缅甸、马来西亚等地韵民居等也具有遮阳 防热的建筑特点，在东南亚也早有关于“遮阳文化”的概念。 传统的“建筑遮阳”概念已经深入我国建筑技术科学领域，并早已作为“亚 热带建筑环境研究”的一个研究方向。我国学者研究“建筑遮阳”的主要成果 突出表现在概念的完熬性上，强调综合遮阳的理念，不但明确了构造遮阳的基 本形式，还提出绿化遮阳、简易遮阳、透明材料的隔热遮阳等。 在同纬度的地区和较发达国家也都非常重视遮阳技术的开发研究，在建筑 遮阳技术的应用方面提出了相应的法规，对绿色建筑的评估体系中也都规定了 相应的条款，如马来西亚、同本、新加坡等i s , 6 】。图1 2 和图1 3 分别为新加坡和台 湾的某建筑遮阳构造。 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 图1 2 新加坡某建筑的外遮阳构造图1 3 台湾某建筑的外遮阳构造 1 3 自然通风的研究现状 1 3 1 自然通风的发展背景 随着居住条件的改善以及人们对居住环境热舒适要求的提高，空调能耗在 建筑能耗中的比例也相应增加。为了降低能耗，许多建筑采取了减少通风量， 尤其是减少新风量并增加房间密闭性等措施，再加上室内建筑装饰材料散发的 挥发性有机混合物的增加，导致室内空气质量恶化。特别是，2 0 0 3 年在我国和 其它国家突然爆发的s a r s 疫情，引起了国内外暖通空调界人土对室内空气质量 问题和建筑空调应用方式的广泛重视。因此，随着可持续发展战略的提出和对 人类室内空气品质的要求，自然通风这项古老的技术重新得到了重视。合理利 用自然通风能取代或部分取代传统制冷空调系统，不仅能不消耗不可再生能源 实现有效被动式制冷，改善室内热环境；而且能提供新鲜、清洁的自然空气， 改善室内空气品质，有利于人的身体健康，满足人们心理上亲近自然、回归自 然的需求。 自然通风，是室外的空气在热压和风压的联合作用下对室内进行通风换气 的一种系统形式。它利用自然能源不依靠传统空调设备系统维持适宜的室内环 境，它是环境生态化的重要手段，由于能引进比室温低的室外空气而给人凉爽 的感觉，又被称为节能的简易型空调。由于一般不用不可再生资源，而且常常 能节省可观量的全年空调负荷而达到节能以及环保的目的。可以预见在不久的 将来，自然通风将会受到愈来愈多的重视。 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 1 3 2 自然通风的作用 自然通风在换气、稀释和控制室内污染物和保证人体健康方面起着积极的 作用，能提供新鲜空气以维持室内空气的清洁卫生。 当室外温度低于室内温度时，自然通风还能够对房问起到冷却作用，这种 冷却作用在于： 造成室内的气流流动，通过直接加强对流及人体蒸发散热来达到人体降温 的目的； 流经建筑的气流可以带走建筑物构件及家具、设备的蓄热： 在合适的条件下，用室外的空气直接代替室内热空气，降低室内空气温度 1 3 1 。 此外，自然通风是利用外界的空气对室内进行通风换气的，因此，这种送 风状态同室外自然风的状态非常相似，自然风是最容易给人舒适感觉的，具有 空气清新，风速随机变化无规律，柔和，吹风有新鲜感等特点。在清华大学的 一次调查中( 见表1 1 ) 【7 】，可以看出人们对自然风的偏爱是显而易见的。 表1 1 不同吹风方式主观感受调查结果 调查项目调查人数 在天热时是否喜 喜欢9 7不喜欢5 无所谓4 欢吹风 喜欢的吹风方式自然风9 8电风扇吹风1 1空调吹风2 有空调的凉爽环境有自然风的凉爽环有电风扇的凉爽环 喜欢的环境 5 境9 9境2 如卜两种环境您有点热但有自然风，总体讲能接 喜欢哪一种 有空调的凉爽环境1 7 受8 9 不喜欢电风扇的吹风单 长时间风扇只 容易感 降温不 说不清 吹风不吹身体 原因调4 3冒2 4明显2 6楚4 舒服7 3一侧2 5 进出空 不喜欢空调的原空气不 冷风吹不是自 环境沉调环境容易得 得不舒然环境 因新鲜6 0闷4 5有冷热病3 6 服1 53 l 冲击3 9 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 1 4 自然通风c f d 模拟的研究现状 1 4 1 模拟在国内外研究现状 c f d ( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ) 即计算流体动力学，是目前国际上一个 强有力的研究领域，是进行“三传”( 传热、传质、动量传递) 及燃烧、多相流和 化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土 木水力、环境化工等诸多领域，暖通空调行业是c f d 技术应用的重要领域之一。 在传统的暖通空调工程设计及产品开发工作中，设计可行与否往往取决于大量 的试验，产品开发周期长，费用高，此外，设计人员的经验起着举足轻重的作 用。c f d 的应用则改变了传统的设计过程，由于c f d 软件可以相对准确的给出流 体流动的细节，如速度场、压力场、温度场、浓度场分布的时变特性，因而不 仅可以准确预测流体产品的整体性能，而且很容易从对流场的分析中发现产品 或工程设计中的问题，据此提出的改进方案只需重新计算一次就可以判断、评 估改进是否有效，并更容易得到某些规律性的知识。这样产品或工程设计与优 化对试验和经验的依赖性大为减少，能够显著缩短设计周期，降低费用。空调 设计的最终目的是以经济技术合理的系统设计以及设备选型实现所要求的室内 气候环境( 温湿度、气流、污染物浓度等的分布) 。为实现对这些环境参数的合理 控制，有必要把握其分布特性，c f d 是除模型实验外的可详细解析三维室内气流 分布特性的唯一手段。由于c f d 技术的上述特点，在暖通空调领域中的应用发展 很快，其中室内热环境的计算机数值模拟技术在一些先进国家已经进入了实用 阶段，尤其是在日本，c f d 技术已经成为不可缺少的设计手段【8 ，”。 c f d 通用软件包的出现与商业化，对c f d 技术在工程中应用的推广起了巨大 的促进作用。1 9 9 8 年，全球市场占有率最高的c f d 软件一f u j e n t 正式进入中国 市场，为目前c f d 主流商业软件，其市场占有率达4 0 左右。f l u e n t 软件的结 构由前处理、求解器及后处理三大模块组成。 f l u e n t 软件中采用g a m b i t 作为专用的前处理软件，使网格可以有多种形 状。对二维流动可以生成三角形和矩形网格：对于三维流动，可以生成四面体、 六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成混合网格，其自 适应功能，能对网格进行细分或 r 化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网 格。同时，网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域罩实施，而非整个流 第一章全玻璃幕墙建筑能技术研究现状 动场，因此可以节约计算时间。f l u e n t 程序软件包各部分功能和相互关系如图 1 4 所示： 图1 4f l u e n t 软件包各部分功能和相互关系 f l u e n t 软件的求解模块是其核心部分，该模块的数学模型是以纳维斯托 克斯方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模 型、自由面模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上 补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。采用的是有限体积法离散方程， 其计算精度和稳定性都优于传统编程中使用的有限差分法。采用压力校正法作 为低速不可压流动计算方法，而可压缩流动采用耦合法。此外，f l u e n t 软件采 用的二阶上风格式是b a r t h 与j e r p e r s e n 针对非结构网格提出的多维梯度重构法， 较成功的用于非结构网格的二阶上风格式，能较好的处理畸变网格的计算，使 其在技术上处于领先。 f l u e n t 软件的后处理模块具有三维显示器来展现各种流动特性，还能以动 画功能演示非定常过程。该软件的使用步骤如图下图1 5 所示： 第一章全玻璃幕墒建筑节能技术研究现状 句略画略圄b 曰 8 目臼函 图1 5 孔u e n t 软件的应用流程 f l u e n t 还根据用户的不同需求推出各种专业版本，如用于电子设备冷却的 i c e p a k 、用于暖通空调分析的a i r p a k 、用于化工搅拌的m i x s i m 等，为用户 带来很大的方便。 1 4 2c f d 模拟在暖通空调中的应用 c f d 在暖通空调工程的应用始于1 9 7 4 年，国外在这方面发展较快，目前国内 也有大学或科研机构在从事这方面的研究。就其研究方向而言，主要可分为两 方面：基础研究和应用研究。目前，美国、欧洲、日本等发达国家对c f d 的基础 和应用研究都处于领先水平，我国的清华大学等也有较为独特的研究方向。 基础研究方碾： 室内空气流动的简化模拟：美国m r r ，从描述空调风口入流边界条件的方法、 湍流模型等方面进行研究，以对室内空气流动进行简化模拟；清华大学，研究 空调风口入流边界条件的新方法、湍流模型以及数值算法，建立室内空气流动 数值模拟的简捷体系； 室内空气流动的简化模拟：美 m i t 、日本东京大学，研究大涡模拟这一湍 流数值模拟技术在室内外空气流动模拟中的应用，目前己经开始尝试用于建筑 小区风环境和自然通风模拟等； 室内空气流动模拟和建筑能耗的藕合模拟：美 m i t ，通过将简化的c f d 模 拟方法和建筑能耗计算藕合对建筑环境进行设计。 应片j 研究方。面： 第一章全玻璃幕墙建筑节能技术研究现状 自然通风的数值模拟：美国m r 、香港大学等，主要借助大涡模拟工其研究 自然通风问题。 置换通风的数值模拟：美 m i t 、丹麦a a l b o r g 大学、清华大学等，如地板 置换通风、座椅送风等； 高大空间的数值模拟：清华大学等，以体育场馆为主的高大空间的气流组 织设计及其与空调负荷计算的关系研究； v o c 散发的数值模拟：美国m r r 等，借助c f d 研究室内有机污染物的分布， 研究室内i a q 问题； 洁净室的数值模拟：清华大学等；对型式比较固定的洁净室空调气流组织 形式进行数值模拟，以期指导工程设计。 1 5 课题主要研究内容 本课题的研究结合苏州大学图书馆工程完成全玻璃幕墙建筑物空调负荷特 点的研究，遮阳效果的分析，结合c f d 模拟的结果分析自然通风的效果，对采用 综合节能措施后的节能效果进行预测。 给出全玻璃幕墙建筑物空调负荷的计算方法，并建立抽象模型说明建筑负 荷的通用计算方法。 对建筑遮阳进行计算分析，探讨遮阳百叶在一天中不同时刻的最佳遮阳角 度，为实际的遮阳设计提供参考。 对过渡季节的自然通风进行计算，分析、寻求自然通风的最佳使用条件。 对过渡季节自然通风的效果进行c f d 模拟。 对全玻璃幕墙建筑物节能措施的效果分析。 1 0 第二章全玻璃幕墒建筑负荷特点及分析 第二章全玻璃幕墙建筑空调负荷特点及分析 现代建筑特别是大型公共建筑越来越多地采用全玻璃幕墙等透明材料作为 其外围护结构。这类新型建筑以其独特的造型和通透的外观为城市增添了不少 色彩。由于其使用的围护结构与传统建筑不同，因此，这类建筑的负荷计算方 法也有所不同。现对全玻璃幕墙建筑的负荷特点及遮阳效果进行计算分析。 2 1 空调负荷构成及计算方法 建筑负荷的大小与建筑布置和围护结构的热工性能有很大的关系。需要供 冷量消除的室内负荷，称为冷负荷。冷负荷是由空调房间的下列得热量转化而 成： 通过外窗的日射得热量，包括太阳的直射辐射和天空的散射辐射； 通过围护结构( 窗、墙、楼板、屋盖、地板等) 传入室内的热量( 温差传 热) ； 设备、器具、管道等其他室内热源散入室内的热量； 人体散热量； 照明散热量； 室外空气带入的热量； 确定房间的冷负荷时，应根据上述各项得热量的种类和性质，以及房间的 蓄热特性，分别逐时计算，然后逐时叠加，找出综合最大值【埘。 根据全玻璃幕墙建筑冷负荷的特点，可以将上述的冷负荷分为四类：由太 阳辐射引起的负荷：围护结构( 玻璃幕墙) 的温差传热；建筑物内部散热构成 的负荷；新风负荷。 针对上述的分析，对于不同性质的负荷将采用不同的计算方法，如下所述： 2 1 1 计算工况 为了研究全玻璃幕墙建筑的夏季负荷特性和遮阳效果以及过渡季节自然通 风的情况，共计算了4 个工况，分别为： 过渡季节无外遮阳、过渡季节有外遮阳、夏季无外遮阳、夏季有外遮阳情 1 1 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 况下的建筑负荷。 2 1 2 计算条件 考虑到计算建筑物是大学的图书馆，根据图书馆的使用特殊性，计算负荷 时假定图书馆从上午8 点开始开放，并连续工作到晚上2 2 点关闭。 对于过渡季节的两个计算工况取室内设定温度2 0 ，夏季两个工况取室内 空调设计温度2 5 。 对于过渡季的计算工况，在整理上海标准年逐时气象参数后，采用代表目 ( 4 月1 4 日) 的参数来计算负荷。对于夏季计算工况，负荷为夏季设计日( 7 月2 1 同) 的计算负荷。如下表所示： 表2 1 负荷的计算工况 l 计算季节计算日室内平均温度 l 过渡季节4 月1 4 日 2 0 夏季7 月2 1 日 2 5 玻璃幕墙结构采用遮阳型的l a w e 玻璃。设备、人体和照明的情况，按图 书馆各个房间的容量和使用功能确定。具体的热工参数和单位散热大小如下 表2 2 围护结构的热工性能 传热系数 遮阳系数 围护结构材料 w m 2 k c s 遮阳型l o w e 玻璃 1 6 60 3 1 表2 3 设备、照明、人体的单位散热 地点设备负荷人员负荷照明负荷 多媒体阅览室 4 0 0w 台电脑 阅览室8 m 2 人或按1 5 w m 2 办公室 1 2 w m 2实际人数确 其他 8 m 2 2 1 3 建筑物内设备、照明、人体散热所构成的负荷 散热所构成的负荷计算采用工程简化计算方法，按下式计算 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 c l q f = q j x 2 1 4 围护结构通过温差传入的热量所构成的负荷 ( 2 1 ) 建筑物的外围护结构为玻璃幕墙的形式，由于玻璃传热温差的波动幅度较 太阳辐射熟的波动幅度小得很多，因此室内蓄热的温度波衰减对冷负荷的影响 很小，故可以认为玻璃传热的得热即为冷负荷。按下式计算： c l q 。，；k f a t ，( 2 2 ) 对于过渡季节，在整理上海标准年逐时气象参数基础上得到计算日( 4 月 1 4 日) 的室外温度t 。，从而获得血。 表2 4 过渡季节工况的逐时温差( ) 时刻 891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 l 2 2 室外 1 31 41 71 81 81 91 91 81 81 71 61 41 21 21 l 温度 温差7 25 63 32 21 71 11 11 72 23 34 46 17 88 38 9 对于夏季计算工况，可通过查阅文献 1 0 1 得到。 表2 5 夏季工况的逐时温差( ) 2 1 5 太阳辐射所构成的负荷 1 1 3 2 1 太阳辐射所构成负荷的计算方法因有无遮阳和有外遮阳这两种情况而相 异。 无外遮阳时的日射冷负荷 通过玻璃进入室内的同射得热，一部分变为对流热，立即成为房间的冷负 荷，另一部分以辐射形式辐射到房间的墙、楼板和器具上，其中有的被这些物 体吸收、储存，然后再逐渐散入室内空气中，成为滞后的负荷。按下式计算： c l q = f c ：d j 。c “ ( 2 3 ) 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 有外遮阳时的日射冷负荷 外遮阳所造成的阴影部分，挡住了全部直射辐射热，外遮阳安排得适当， 对减少日射辐射热较内遮阳更有效。可按下式计算： 阴影部分的冷负荷： c l q ：= 只c ：) ，( c ) ，( 2 4 ) 照光部分的冷负荷： c l q ，= f c d s ，c o z( 2 5 ) 因此，总的冷负荷为： c l q ；c l q ，+ c l q ，( 2 6 ) 式中：下标s 表示阴影部分；下标r 表示照光部分；下标n 表示北向。 由于外围护结构的总面积、玻璃的综合遮挡系数和冷负荷系数都可以通过 计算和查询相关文献【1 2 1 获得，因此，计算由日射引起的负荷的关键在于得到t ：l 射得热因数的最大值d j ，。及阴影部分和照光部分的面积只和，r 的值。以下将 具体介绍d ，一及只和f 的计算方法。 2 2 日射得热因数的计算方法 将3 m m 厚的普通玻璃平板玻璃定义为标准玻璃。在特定的内、外表面对流 换热系数( 口= 8 7 和a 。= 1 8 6 w m2 ) 的条件下，得出通过这一“标准玻 璃”的日射得热量，称之为日射得热因数，以d i 表示。 d i 在不同纬度、不同大气透明度、不同朝向、不同时间均有不同的数值。 为简化计算，在计算玻璃窗的冷负荷时，采用单位面积标准( 单层) 窗玻璃日 射得热的最大值d 。，简称“同射得热因数的最大值”【1 2 】。 2 2 1 计算日射得热因数 同射得热因数可通过下式进行计算 d ，= r s j + f d ，d + ( 口j + 口d d ) ( 2 7 ) 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 其中，；生；生 r r + r 因为： r 。1 a ( 2 8 ) ( 2 9 ) 因此得至0 ，n 。! l ，0 3 1 9 ( 2 1 0 ) “v + 矽 对于直射辐射的透过率h 和吸收率a 。采用玻璃对太阳辐射的光谱透过率 和吸收率；对于散射辐射的透过率和吸收率a 。采用玻璃对红外辐射的光谱透 过率和吸收率。查阅文献节能窗 i s l ，对于遮阳型的l o w e 玻璃，h = 0 3 8 、 。d = 0 1 、4 ；0 1 1 、a d - 0 1a 为计算日射得热因数，就必须得到宜射辐射强度在玻璃法线方向分量 ，。和 散射辐射强度i ，。的数值，具体计算见下节。 2 2 2 太阳位置参数的计算 为计算太阳辐射强度参数，。和i ，。，首先，必须确定表达太阳位置的几个 参数，有：太阳时角m 、太阳赤纬6 、太阳高度角h 、太阳方位角。以及同墙 方位角0 。 为说明这些参数的相互关系，建立坐标系如下：该坐标系为右手坐标系，x 轴的正向表示南向，y 轴的正向表示东向，z 的正向表示高度的方向，如图2 1 所示。以下将对这些参数的定义和计算方法进行说明【1 4 】。其中，以下参数的单 位均为弧度。 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 x 图2 1 日墙关系 太阳时角珊 太阳时角表示当天某时太阳在其运动轨道上离开中天的位置。以当地正午 时为零，上午( 太阳偏东) 为负，下午( 太阳偏西) 为正。 太阳时角的计算公式如下： 吨t 导+ 丽e _ 1 2 ) x 1 5 x 旦1 8 0 ( 2 1 1 ) 太阳赤纬d 太阳赤纬是太阳光线与地球赤道平面的夹角。 太阳高度角h 太阳高度角是太阳光线与地平面的夹角。 h = a r c s i n ( s i n6s i n q ，+ c o s 6c o s 妒c o s w ) ( 2 1 2 ) 太阳方位角乜 太阳方位角是太阳光线在地平面上的投影与正南向的夹角，上午太阳偏东 口为负；下午太阳偏西，d 为正。 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 口。a r c t a l l 卜些塑l 一1 、s i n c o s 山一c o s l p t a n 6 s i n 口；c o s 6 s i n t o c o s h ( 2 1 3 ) 曰墙方位角0 日墙方位角是太阳光线与墙面法线两者在水平面上的投影间的夹角，且永 远是正值。 通过计算获得的各个角度的数值，列于表2 6 。表中各种角度以弧度为单 位，计算日为过渡季节( 4 月1 4 日) 。表2 6 中出现的“一”值表示在这些时 刻太阳光无法照射到这些墙面。 表2 6 部分太阳位置的参数 太阳时太阳赤太阳高太阳方 东向日西向日南向日 时刻墙方位墙方位墙方位 角 纬 度角位角 角角角 71 30 20 3一1 51 5 8一1 oo 2o 50 8o 8o 8 90 8o 20 8一o 41 1o 4 l oo 50 2l 。o一0 21 30 2 1 10 2o 2 1 1 一o 1l - 5o 1 1 2o oo 2 1 2 0 o1 60 0 1 3o 30 21 10 11 40 1 1 40 50 2o 9 0 3 1 3 0 3 1 50 80 20 7o 51 10 5 1 6 1 10 2o 5o 9o 70 9 1 71 30 20 31 50 11 5 1 81 6o 2o 1o 80 7o 8 有了上述的各种角度就可以通过计算得到过渡季节的各种辐射强度值。 2 2 3 太阳辐射强度的计算 在进一步计算太阳辐射强度参数j 。和j 。时，查阅上海标准年逐时气象参 数发现，该统计资料只有水平面的直射强度和散射强度，因此需要通过已有的 辐射强度数据来计算出各个垂直面上的辐射强度。 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 现以东墙为例，对各个垂直面上的直射辐射强度的计算方法进行说明。太 阳光线与东墙夹角的变化情况，如图2 2 所示。 n w 兕 么焱 ； j 圯线3 ； s 圈2 2 太阳光线与东墙法线的夹角 2 太阳光线从上午到下午由光线1 向光线3 变化，与东墙法线的夹角也随之 变化。当太阳光线在n e 和s e 区域中，即光线1 和光线2 的位置时，太阳光线 可以照射到东墙表面；当太阳光线在n w 和s w 区域中，即光线3 的位置时，太 阳光线无法照射到东墙表面。 因此，应对这两种不同的情况分别进行计算。 太阳光线能照射到外墙表面的情况 各个方向的太阳直射辐射强度的计算公式如下： j z = j c o s e z ( 2 1 4 ) 式中：下标z 表示各个方向，n 、e 、s 、1 i ；。 太阳光线无法照射到外墙表面的情况 由于太阳光线无法照射到外墙表面，因此，这些时刻下，太阳直射辐射强 度为零。 经过计算，可得过渡季节各个方向的太阳辐射强度值，如下表所示： 第二章全玻璃幕墙建筑负荷特点及分析 表2 7 过渡季节( 4 月1 4 日) 各个方向的太阳辐射强度值( w m 2 ) 水平直东向西向南向东南西南西北东北 h o u i 散射 射直射直射直射直射直射直射 直射 74 6 97 3 37 3 20 0 00 3 6 5 4 2 o o oo o o4 9 3 8 1 8 7 5