1 前言
双层幕墙的概念最早于20世纪80年代在欧美国家出现，在中国的使用还是近几年的事情[1]。现在，随着人们对建筑节能问题的关注，双层幕墙这种具有环保节能的新型建筑围护结构逐渐受到建筑师的青睐。
双层幕墙由外侧单层玻璃和内侧中空玻璃两道幕墙组成，内部形成一个相对封闭的热通道。在夏天，通过气流的外循环，利用烟囱效应可以带走热通道内的热量，从而降低内侧幕墙的表面温度，减少空调制冷的负荷。在冬天，由于室外阳光的照射，热通道内空气温度升高，所产生的温室效应可以提高内侧幕墙的表面温度，也可以通过内循环的方式把热气流带到室内，从而减少建筑物采暖运行的费用[2]。过去，人们对双层幕墙在夏季运行的工况关注较多，研究的热点主要集中在通风除热功能等方面。对于双层幕墙的冬季运行工况的关注相对而言偏少，尤其是对于夏热冬暖的地区。但事实上，双层幕墙在冬季内循环的保温增热效果，是影响双层幕墙运行效率的重要指标。因此，本文针对夏热冬暖地区的具体双层幕墙案例，探讨双层幕墙在冬季运行时的节能效果。
在对双层幕墙的热性能进行评估时用到的模型中，主要有CFD模型、集总参数模型、热与气流网络模型、控制体积模型和区域模型等5种模型[3]。其中，CFD模型可提供双层幕墙中任一点的温度分布、流动分布及热流分布等细节，在双层幕墙的性能模拟上的应用也最为广泛。本文应用CFD 通用软件Fluent 对位于广州地区的广东省中医院双层幕墙冬季的运行工况进行模拟， 并计算出幕墙系统的综合传热系数K 及单位面积的增热量。为简化起见，本文仅考虑单榀的双层幕墙，冬季内循环的室内排风口设在双层幕墙的底部，出风口则设在顶端，如图1所示。
图1双层幕墙(单榀)冬季运行示意图
2 数学物理模型
2.1 基本假设
参照国内外在使用CFD技术模拟双层幕墙热性能方面的经验[3]，以及本幕墙系统的构造特点，我们在模拟时使用了以下的基本假设：(1)稳定的室内环境条件；(2)热通道内的空气为不可压缩牛顿流体，并且满足Boussinesq假设；(3)不考虑玻璃壁面蓄热；(4)假定幕墙密封性能好，不考虑空气渗透；(5)常温下幕墙材料特性与温度无关；(6)忽略室外风速的影响。
2.2 数学模型
热通道内空气的自然对流是由密度差引起的浮升力产生的，因此必须考虑在动量方程中添加体力项
的影响[4]。
连续性方程：
动量方程和能量方程可以写成通用形式：
式中
为空气密度，u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量，
为通用变量(速度或温度)，
为与相对应的广义扩散系数，
为与相对应的广义源项。
2.3 气象条件与物性参数
根据广州地区冬季的气象资料，模拟时选取正午时刻的太阳辐射照度(350 
)，室外计算温度为10.3℃，室内计算温度为20℃。空气的比热为1006.43
，空气的密度为1.2544
，空气的热膨胀系数为3.528×10-3(1/K)。外层玻璃的传热系数5.7 
，内层中空玻璃的传热系数1.8 。
2.4 模型选择与边界条件
双层幕墙内的空气在吸收太阳辐射后，空气密度变小，从而产生热气流的流动，在不同的室外气温条件和太阳辐射照度下，流态可分成层流及紊流两种形式，其判别的依据是雷诺数(Re)。当Re < 2320时，属于层流流动；当Re > 4000时，属于紊流流动；当 2320 < Re < 4000时，热气流的流动处于临界状态，既可能是层流也可能是紊流流动，要结合实际情况判别。根据本案例中双层幕墙的尺寸和气象条件参数，在计算出相应的Re后认为热通道内的气流流态为湍流，因此在本次模拟中采用是RNG 
紊流模型来计算空气的流动。
在边界条件设置方面，自然送风情况下的室内进风口、室内出风口分别设置为压力进口(Pressure-Inlet)与压力出口(Pressure-Outlet)，并给定相应的压力、温度及紊流参数。而强迫送风时，需要根据风扇的“流量—压力”曲线在进风口处给定相应的压升参数。内外层玻璃则根据热平衡方程，给定固壁温度边界条件，作为浮力产生的驱动因素。热通道顶部和底部等区域则为绝热边界条件。
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