双层玻璃幕墙在办公建筑中增强自然通风的应用研究

作者及机构
本研究由Nasrin Pourshab（伊朗伊拉姆大学）、Mehdi Dadkhah Tehrani（伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学）、Davood Toghraie（伊朗霍梅尼沙赫尔伊斯兰阿扎德大学机械工程系）以及Sara Rostami（越南胡志明市Ton Duc Thang大学先进材料科学研究所磁性与磁性材料实验室）共同完成。研究成果发表于2020年的《Energy》期刊（第200卷，117486页）。

学术背景

研究领域与背景
该研究属于建筑节能与热工性能优化领域，重点关注双层玻璃幕墙（Double Skin Façade, DSF）在炎热干旱气候下的应用。传统DSF系统在温暖季节存在空腔过热问题，导致冷却能耗增加。尽管DSF在控制太阳辐射、热缓冲和促进自然通风方面具有优势，但其在高温环境中的性能仍需优化。

研究动机与目标
本研究旨在探讨DSF空腔中积聚的过量热量是否可作为驱动力，增强办公建筑楼层的自然气流。具体目标包括：
1. 通过计算流体动力学（CFD）技术模拟DSF空腔及相邻楼层的空气流动与热传递；
2. 分析水平和垂直百叶遮阳系统对气流行为的影响；
3. 比较两种遮阳系统在增强气流速率和减少室内热传递方面的性能差异。

研究方法与流程

1. 模型构建与参数设置

研究以伊朗伊斯法罕市一栋五层办公建筑为案例，采用CFD技术模拟四层DSF系统的热力学行为。模型参数如下：
- 建筑尺寸：每层深度8米、长度10米、高度3米；
- DSF空腔：深度0.8米，顶部设置1.5米高的出风口；
- 遮阳系统：
- 模型A：水平百叶，垂直于水平线布置；
- 模型B：垂直百叶，倾斜45°靠近外层玻璃。

2. 数值模拟方法

控制方程与湍流模型
采用三维不可压缩Navier-Stokes方程和能量方程，结合Boussinesq近似方法处理空气密度变化。湍流模型选用k-ε RNG模型，因其在DSF研究中被广泛验证。

辐射模型
采用离散坐标法（Discrete Ordinate Method, DO）模拟辐射传热，该方法在参与性介质中具有较高精度。

网格划分与边界条件
- 网格独立性验证：通过逐步增加网格数量直至热通量稳定，最终模型A和B分别采用175,000和235,000个网格单元；
- 边界条件：
- 外部玻璃：太阳辐射强度880 W/m²（直射）和117 W/m²（散射），环境温度308 K；
- 入口空气：温度298 K，模拟蒸发冷却或地下换热器预冷效果；
- 忽略风力影响，仅考虑自然对流。

3. 验证与数据分析

通过对比实验室模型（Mei et al., 2007）的实测数据验证数值方法的准确性。结果显示，温度预测误差小于3%，速度分布在百叶后方一致性较高。

主要研究结果

1. 通风速率比较

• 模型A（水平百叶）：首层入口风速达0.45 m/s，是模型B（0.26 m/s）的1.7倍。随着楼层升高，风速差异减小；
  
• 原因：水平百叶直接暴露于太阳辐射，空腔温度更高，浮升力更强。
  

2. 表面温度分布

• 外部玻璃：模型B因百叶反射辐射，温度（314 K）高于模型A；
  
• 内部玻璃：模型A因热气流接触，温度更高，热通量达-20.3 W/m²（热量向室内传递）；
  
• 百叶温度：模型A平均317 K，比模型B高5 K以上。
  

3. 空腔热力学行为

• 模型A：气流均匀加热，流速较高；
  
• 模型B：空腔分为内外通道，外部通道温度高但流速低，内部通道气流冷却效果显著。
  

4. 热通量分析

• 模型A：百叶接收更多辐射（565 W/m²），但强对流降低其热通量（86.6 W/m²）；
  
• 模型B：外部玻璃热通量为-37.2 W/m²（热量向室外散失），内部玻璃热传递接近零。
  

结论与价值

科学价值
1. 证实DSF空腔过热问题可通过合理设计转化为自然通风驱动力；
2. 水平百叶系统在增强气流方面优于垂直百叶，但会增加室内热负荷；
3. 垂直百叶系统更适合减少热传递，适合对冷却能耗敏感的场景。

应用意义
为炎热干旱气候区的DSF设计提供优化方向：
- 需权衡通风速率与热舒适性；
- 动态控制百叶角度可兼顾遮阳与通风需求。

研究亮点

1. 创新方法：首次在四层建筑模型中耦合DSF空腔与相邻楼层的CFD模拟；
   
2. 气候针对性：聚焦高温低风环境的最不利工况；
   
3. 工程指导性：量化了遮阳系统类型对热工性能的影响差异。
   

局限与展望
未来研究可扩展至动态气候条件、风力耦合作用及经济性分析。