摘 要

随着时代的发展和科技的进步，人们越来越追求品质生活，同时随着国家可持续发展计划的实施，人们的环保意识逐步提高。双层玻璃幕墙不仅符合建筑师们的美学，更可以节约建筑的能耗，如何合理的使用双层玻璃幕墙成为了全球范围内的研究热点。因此，进行“通风双层玻璃幕墙对室内热环境的影响”具有一定的理论意义和实际过程应用价值。

首先通过查阅国内外资料，针对常用的节能玻璃材料进行了系统的了解，主要研究了玻璃材料对节能效果的影响。结果表明由于面板材料占玻璃幕墙面积最大，其节能效果对玻璃幕墙的节能效果有着最大的影响，并总结了玻璃幕墙的节能参数，有助于指导建筑物根据环境条件和经济情况选择合适的材料以达到最大的节能效果。

然后借助计算流体力学软件Fluent针对武汉地区夏天的气候，对典型的外循环式自然通风双层玻璃幕墙进行数值模拟，在其三种主要结构参数：空腔宽度，幕墙高度以及开口比例大小改变的情况下，对其出风口的风速情况进行了比较，所得到的结果对于指导双层玻璃幕墙的建造有着重要的意义。

最后研究了双层玻璃幕墙的三种结构参数与出口风速的关系，分析其节能效果最佳时的数值。研究结果表明：在室外温度36度，室内温度26度的边界条件下，适宜的结构参数为；空腔宽度约0.7m，幕墙高度为13.5m-14m，开口比例约为24%。

本文的特色：利用Design Expert对实验进行了科学的安排，并通过该软件获得了优化参数，提高了实验效率和优化结果的科学性。

关键词：双层玻璃幕墙；中空玻璃；空腔宽度；幕墙高度；开口比例；进出口风速

Abstract

With the development of science and technology and the progress of society, people's demands for quality of life are increasing. At the same time, with the implementation of the national sustainable development plan, people's awareness of environmental protection has gradually increased. The double-glazed curtain wall not only conforms to the aesthetics of architects, but also can save the energy consumption of the building. Therefore, how to rationally use the double-glazed curtain wall has become a global research hotspot.

In this paper, we first systematically understand the commonly used energy-saving glass materials by consulting domestic and foreign data, and mainly study the effect of glass materials on energy-saving effects. It shows that because the panel material accounts for the largest area of ​​the glass curtain wall, its energy-saving effect has the greatest impact on the energy-saving effect of the glass curtain wall. It also summarizes the energy-saving parameters of the glass curtain wall and helps guide the building to choose the right one according to environmental conditions and economic conditions. Material to achieve maximum energy savings.

In this paper, FLUENT, a computational fluid dynamics software, firstly simulates the typical external circulation natural ventilation double-glazed curtain wall for the summer climate in Wuhan. The three main structural parameters are: cavity width, curtain wall height, and opening ratio Under the circumstances, the wind speed at the outlet was compared. The results obtained are of great significance for guiding the construction of double-glazed curtain walls.

The paper mainly studies the relationship between the three structural parameters of the double-glazed curtain wall and the outlet wind speed, and analyzes the value of the best energy-saving effect. The results of the study show that: Under the boundary conditions of 36°C outdoor temperature and 26°C indoor temperature, the appropriate structural parameters are: the cavity width is about 0.7m, the curtain wall height is 13.5m-14m, and the opening ratio is about 24%.

The characteristics of this article: Using Design Expert to scientifically arrange the experiment, and through the software to obtain the optimal parameters to improve the scientific efficiency of the experimental efficiency and optimization results.

Keywords: double-glazed curtain wall; hollow glass; cavity width; height of curtain wall; opening ratio; inlet and outlet wind speed

目录

1.绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.1.2国外研究现状 2

1.1.3国内研究现状 3

1.2研究基本目标，内容 4

1.2.1研究内容 4

1.2.2研究目标 4

2建筑玻璃幕墙 5

2.1幕墙玻璃 5

2.1.1幕墙玻璃的参数 5

2.1.2玻璃幕墙的性能 6

2.2小结 9

3双层玻璃幕墙的原理及构造 9

3.1双层玻璃幕墙的工作原理 9

3.1.1结构计算要素 10

3.2双层玻璃幕墙的构造 11

3.2.1数值模拟软件——Ansys Fluent模块 11

3.2.2建立双层玻璃幕墙的几何模型 12

3.2.3几何模型边界条件的设置 12

4.双层玻璃幕墙的设计 14

4.1设计问题和设计方法 14

4.1.1实验设计与分析软件——Design Expert 14

4.1.2数值模拟计算结果 14

4.2实验结果分析与处理 15

4.2.1实验结果分析 15

4.2.2实验结果处理 20

4.3模拟分析实验结论 23

5.总结 23

5.1结论 23

5.2不足与展望 24

致谢 28

1.绪论

1.1研究目的及意义

近年来，可持续发展的概念深入人心，资源短缺的问题越来越受到人们的重视。根据资料显示^[1]，在我们国家，建筑能耗占总能耗的40%，其中60%为供热制冷能耗，年均能耗量为101.77 kWh/ m²。因此，我国从1980年起就开始实施建筑节能的工作，将节省建筑能耗作为我国节能工程中重要的一环。目前，建筑节能已经是我国可持续发展战略战略中不可缺少的部分。我国自从2005年7月1日开始，正式实行《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005），其中明确的规定到：朝向每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比不应大于0.7.当不能满足本条文的规定时，必须采用相应的降低能耗的措施，并按照本标准的规定进行权衡，以满足建筑的节能要求，人们发现使用双层玻璃幕墙可以很好的达到建筑节能的目的，与传统的玻璃幕墙相比，它不仅能够节省建筑的空调能耗从而提高室内舒适性，还可以主动利用自然能。国外曾经对一幢80米高办公大楼的两种型式玻璃幕墙的能耗做过对比，在冬天，使用双层玻璃幕墙相比于传统建筑可以节约42%-52%的空调能耗，在夏天，这个数值约为38%-60%^[2]。

目前，我国的高层建筑大量的使用了玻璃幕墙，其热工性能直接的影响了建筑的能耗问题。双层玻璃幕墙作为建筑物的外围结构，是室外环境和室内环境的隔离带和过滤器，同时还可以提高环境的质量。与此同时，人们的审美随着生活水平的提高有所变化，建筑的外形也成了重要的考虑方面，建筑师们对建筑的时尚要求使得玻璃外观在建筑上的使用越来越频繁。双层玻璃幕墙在保持建筑物外观的同时，大大提高了遮阳效果，节约了能耗，所以倍受青睐，此外，全封闭式的玻璃建筑空气流通不畅，对人体健康也有不利的影响。

在欧洲国家，人们较早的萌发了环保的意识，于是开始对双层玻璃幕墙进行研究，取得了一些成果，目前双层玻璃幕墙已经成为现代化办公建筑大楼的趋势。我国直到2000年6月才有了第一栋双层玻璃幕墙建筑，就是位于北京的国家会计学院教学楼工程^[3]。通过对实际双层玻璃幕墙建筑的测量，可以获得第一手数据，对指导建设有很大的用处，目前我国使用外国建筑的实际经验，但是仍然缺乏国内的环境研究基础和资料总结。双层玻璃幕墙的主要参数有玻璃种类，通道宽度，层高以及通风口大小。参数的改变与双层通风玻璃的节能效果息息相关，对于不同的气候条件应当选择合适的结构参数，否则不仅不节能，还会浪费资源，降低热舒适性，带来不必要的困扰，因此，双层玻璃幕墙作为未来的发展方向，仍然有很长的探索道路。

1.1.2国外研究现状

目前，国外对双层幕墙已经进行了很多研究，但大部分分为两类，一类是实验法：对建筑进行实地考察测量，这种方法花费较大，对人力物力的要求较高，同时也难以估计环境对实验造成的影响，容易产生误差，二是软件模拟法：目前，软件模拟法是较受欢迎的方法，技术人员通过简单培训即可进行操作，虽然也会产生误差，但相比较于实验法，由于受到人为因素和环境因素的干扰小，同时也节省实验资金，可以高效率的获得不同环境条件下的数据，故使用广泛，本文也将采用这种方法。

除了使用流体软件进行数值模拟， Carla Balocco^[2]列出一种不使用 CFD模拟软件对双层玻璃幕墙空气夹层内的气流和热量进行的无量纲分析法，通过12个无量纲参数对热工特性和能耗进行了描述。使用这种新方法计算得出的努赛尔数，同实验得出的努塞尔数进行比较，其误差在允许的范围内。

在瑞士，Manz^[4]等对一个双层玻璃实验模型进行测量，得到其空气流速，温度以及太阳辐射能的变化，根据实验的结果，在24 小时内，该模型的边界温度一直在发生着变化，为了精确分析其温度场和能量分布，需要采用流体动力学的计算方法。Hasbem等运用模拟对比的方法，发现双层幕墙由于内外层幕墙和空气间层温度的不同，可以减少冬季能量消耗。Guohui Gan[6]用CFD模拟得出：就由于热压作用而引起的空气夹层工况来说，以6m高的热通道为例，其最佳换热效果的宽度为550-600mm[5]。 Harris Poirazis等用CFD模拟的方法模拟了在使用单层玻璃幕墙的情况下，窗户占墙的比例为30%，60%，100%的情况，结构100%的窗墙比比30%的窗墙比的玻璃幕墙空调能耗增长了15%，在这种结果下，作者认为双层玻璃幕墙可以为建筑节能提供思路。

Shiou Li^[7]提出了一份实验方案，用来确定当使用双层玻璃幕墙的建筑物朝南时，其热工性能如何变化。他根据真实尺寸搭建了两个双层玻璃幕墙单元，包括机械通风和自然通风，并在不同条件下对其进行了实验和记录数据，目的是对这两个系统的热工性能进行检测和分析，从而加深人们对双层玻璃幕墙的理解.

LueaBuzzni^[7]根据质量守恒和能量守恒的原理，利用数值计算方法中的有限差分法简单的建立了被动式太阳能系统数学模型，他认为发生在双层玻璃幕墙中的传热过程很复杂，不仅包括不同波长的辐射，热传递和热对流等等，同时，墙壁的构成，室内环境的变化以及室外气候条件也会产生相应的影响。

D. Faggembauu^[8]开发了一个模拟计算软件，应用该软件可以针对不同材料，朝向，几何结构以及气候条件，对双层玻璃幕墙进行最优化设计，同时该软件还可以模拟使用相变材料和 low- e玻璃时的情况，结果表明，根据环境条件合理的对双层玻璃幕墙进行设计，它可以更好的利用空气中的热量，相比于被动式玻璃幕墙能够减少冬季的热损失。Lei Xu^[9]等人对日本北九州岛的一栋二层楼房的双层玻璃幕墙进行了实验，分析了夏季的烟囱效应，冬季时产生的温室效应以及其他季节时的自然通风，获得了空气夹层的温度分布，室内空调产生的能耗。根据研究的结果，在夏季用电高峰期，双层玻璃幕墙相比于单层幕墙可以减少10%-15%的能量；而在冬季，这个数值约为 20%-30%；在其他季节，节省的能量与环境因素有关。同时得出结论：夏季时，由于烟囱效应的影响，热通道的竖直方向存在0.5-1度的温度梯度，且遮阳设备的存在对室内的热环境有着重大的影响，总的来说，双层玻璃幕墙可以减少用电量。

Saelens^[10,11]等人建立了三种不同类型的双层玻璃幕墙，包括机械通风幕墙，机械补风幕墙，自然通风幕墙，在比利时的环境条件下使用TRNSY软件，发现冬天可以节约能量，夏季可能会出出现过热。在分析双层幕墙的节能特性时，不能只看其传热过程，同时应考虑其换气次数和建筑能耗。他得出的结论是：应基于能耗提出控制策略，包括控制热通道内空气流速，回收空气换热量。

Isabel Perez- Grande^[12]研究了10种不同双层玻璃幕墙的热工性能，它们由10种不同材料的玻璃构成。文章计算了单位长度的玻璃幕墙传入室内的能量，空气夹层内的流速以及温度变化。 Hien[13]等对一座六层高的双层玻璃幕墙建筑进行了模拟计算，在新加坡的气候下采用TAS和CFD软件对其进行了数值模拟。实验数据表明，一方面通风双层玻璃幕墙可以减少能量的损失，提高人们的舒适性，但从另一方面，由于气候原因，温度高而湿度大的时候，空腔顶部早晨可能会有冷凝水，这种情况下可以使用强制通风装置。

1.1.3国内研究现状

国内对双层玻璃幕墙的研究开始的较晚，大部分学者市场21世纪开始才注意到这个领域，目前的方向主要是对其进行热工计算，具体的实验不多，更多的是通过计算机软件的模拟，获取双层玻璃窗结果参数的影响。

2006年同济大学的蒋骞^[14]使用专业建筑能耗软件EnergyPlus对双层玻璃幕墙与建筑能耗的关系进行了定量的分析，他的结论是气流排热对 DSF影响很大，热通道内的空气流速越大，其带走的热量也就越大，室内因为热对流而获得的能量也会减少；由于其遮阳作用，大大减少了室内受到的太阳辐射，对辐射热影响主要体现在对短波辐射的透射比，需要综合考虑能耗和室内采光的问题。

除此以外，由于不同地区的气候不同，双层玻璃幕墙的使用环境也不同，因此，学者针对不同的地区进行了气候适应性研究。

长安大学的魏琦君^[15]在太阳辐射条件下，动态分析了双层玻璃幕墙的性能。在天津的寒冷气候下，杜苗^[16]根据该市的节能示范楼，对全呼吸式幕墙的热工性能进行了研究，发现在这种气候环境下，它可以通过利用冬季太阳的辐射效果增加保温效果，过渡季节时可以形成有效的自然通风，提供室内舒适性，但不适合过高的楼层，否则由于热气流的上升，将导致顶层建筑温度过高，与此同时，建筑费用也增加。

在夏热冬冷地区，同济大学黄艳^[17]等人利用 CFD对自然通风方式进行数值模拟，发现室内的发热量和室外温度决定了自然通风的效果。同时利用一天之内的温差，在晚间通过自然排风排出夹层中的热量。

李荣敏^[18,19]等以上海一栋双层玻璃建筑为例，利用 ANSYS对夹层中的空气进行模拟，研究夏天的烟囱效应，分别采用机械通风和自然通风，发现只有机械通风可以达到节能的目的，文章还建立了DSF的神经网络模型。

从国内外的研究现状对比来看，我国双层玻璃幕墙的发展速度较慢，由于地大物博，很大一部分的建筑为了节能，仍然在这四个方面做出消极的努力：（1）采用节能材料降低墙体的传热系数（2）消除结构体系热桥（3）减少开启窗的面积（4）提高密封性。在双层玻璃幕墙的发展方面，相比于其他国家有所欠缺。由于双层玻璃幕墙的结构相比传统幕墙更加复杂，不同空腔宽度，遮阳百叶位置和进出风口的大小的双层通风玻璃幕墙会产生不一样的隔热保温效果，部分双层幕墙的应用效果甚至不如传统墙体；如果设计不当，在夏季容易出现气流组织不合理，获得太阳辐射量过大的问题，使空调能耗增加；在冬天则会出现无法达到温室效应的结果，保温性能差，导致室内热负荷过大。目前国内指导建设双层玻璃幕墙的理论体系仍然有待完善，由于建造双层玻璃幕墙的成本高于传统的幕墙，是否采用双层幕墙需要综合考虑其经济性和技术，故本文将通过研究通风双层玻璃幕墙结构参数对综合传热系数的影响，从而提出建设通风双层玻璃的优化方案，节约建筑能耗。

1.2研究基本目标，内容

1.2.1研究内容

由于双层玻璃幕墙的结构特点，它的主要设计参数包括热通道宽度，开口大小以及层高，通过ANSYS建立通风双重玻璃幕墙的模型，通过改变模型的结构参数进行模拟，分析其对双层玻璃幕墙热工性能的影响，以优化性能。

1.2.2研究目标

通过研究双层玻璃幕墙的结构组成以及设计结构参数的计算来源，结合相关建模软件和分析软件的使用，得出双层通风玻璃的优化模型。本文通过对特定气候的地区进行分析，展现由于结构参数的变化，双层玻璃幕墙的节能效果和室内舒适性变化的趋势，旨在使得双层玻璃幕墙的使用更加具有经济性和实用性。

2建筑玻璃幕墙

2.1幕墙玻璃

玻璃是构成幕墙的主要部分，其传热性能决定了双层玻璃幕墙的节能效果，因此，应当根据使用环境选择合适的双层玻璃幕墙。其中，玻璃幕墙的主要种类有：镀膜玻璃，Low-E玻璃，热反射玻璃，中空玻璃以及真空玻璃等，应根据实际情况选择合适的玻璃。

2.1.1幕墙玻璃的参数

传热是一种复杂的现象，当介质直接存在温差时，就会产生传热的现象。物体的传热过程主要包括热传导，热对流和热辐射。玻璃幕墙作为室内与室外热传递的介质，对建筑物的节能有着非常大的影响。人们对其性能的评价主要包括以下几点：

（1）传热系数

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