CN109163404B - 一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，根据热压通风原理设计进风口、通风腔体和出风口，将进风口设置在建筑幕墙靠近地坪的位置；通风腔体通过增大建筑结构层外表面和竖向龙骨内表面之间的距离，在铺设保温层材料后，留出空隙实现太阳能烟囱效应；将女儿墙与龙骨、建筑幕墙一体化设计，将出风口设置在位于上翻女儿墙顶端的保温材料之上，使建筑幕墙内表面温度不影响建筑室内使用及热舒适度并实现建筑幕墙节能设计。本发明充分利用能源、节约建造成本、提升建筑外围护结构节能设计效率。

Description

一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法
技术领域
本发明属于建筑外围护结构节能设计技术领域，具体涉及一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法。
背景技术
在能源日益紧张的今天，各种节能措施及可再生能源技术在建筑上的利用迅猛发展。在建筑节能设计中，外围护结构占了较大的比重。众所周知，幕墙作为现代办公建筑最常见的立面技术之一，以其质硬、耐冻性好及抗压强度高越来越多的被建筑师和工程师用于实践，并由于建筑功能及造型方面的限制，幕墙作为建筑外墙装饰材料是不可避免的。虽然其在外观上光洁美观，但由于多数幕墙材料比热容随温度升高而迅速增大，易吸收大量太阳热辐射，并通过热传导使热量进入室内空间，导致建筑内部热舒适度大大降低，且不得不使用空调来调节室内环境，继而加大了建筑在外围护结构上的能耗。
太阳能建筑设计的基本思想是控制携带太阳能热量的空气在恰当的时间进入建筑，并合理的储存和分配热量；且太阳能建筑的能耗比常规建筑的能耗低47％，比相对较旧的建筑的能耗低60％。因此，在建筑设计的初始阶段，将太阳能利用纳入考虑，将得到一个经济、美观等多方面收益的节能建筑。
烟囱效应是指空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气对流的现象；而太阳能烟囱效应则是利用太阳热能来加强烟囱效应。这种通风方式与建筑使用空间相对独立，烟囱内的温度不受建筑空间及功能限制，可以最大限度吸收并利用太阳热能。
传统办公建筑的幕墙多采用石材、金属等“干挂”施工工艺，其主要包括以下步骤：分格弹线、龙骨固定和连接、板材钻孔、挂件安装、石板安装及打胶擦缝六个步骤，建筑幕墙完成干挂后，竖内龙骨内表面与建筑结构外表面之间仍留有空腔，该空腔起初是根据施工需要暂时保留，但施工完成后将被填充岩棉板等集成化保温块材材料，使其之间空隙仅剩4—6mm或完全密实填充。如此工程实践为建筑外墙附上一层“不透气的外衣”，对本来就接受大量太阳辐射热量的建筑幕墙来说，更是负担累累。
在目前的建筑外围护结构节能设计中，常用建筑内外墙隔热、绿化隔热、百叶遮阳等手段减少过多的太阳辐射对建筑幕墙带来的影响，但带来的资源浪费也随之增大。随着国家对降低建筑能耗提出的更高要求，如何利用建筑幕墙本身的可再生能源迫在眉睫。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，以解决现有建筑外围护结构节能设计过程中存在的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，根据热压通风原理设计进风口、通风腔体和出风口，将进风口设置在建筑幕墙靠近地坪的位置；通风腔体通过增大建筑结构层外表面和竖向龙骨内表面之间的距离，在铺设保温层材料后，留出空隙实现太阳能烟囱效应；将女儿墙与龙骨、建筑幕墙一体化设计，将出风口设置在位于上翻女儿墙顶端的保温材料之上，使建筑幕墙内表面温度不影响建筑室内使用及热舒适度并实现建筑幕墙节能设计。
具体的，利用垂直方向腔体与温度分布设计通风腔体，用于使进风口与出风口之间产生热压差。
具体的，通过空气在横断面形状不变的管道内流动时的单位长度摩擦阻力确定通风腔体的厚度、高度及内外表面平整度，空气在横断面形状不变的管道内流动时的单位长度摩擦阻力计算如下：
Figure GDA0002669733010000021
其中，D与l分别为通风腔体的半径和高度，v为腔体内部空气流速，ρ为密度，λ为腔体内部摩擦系数。
进一步的，根据通风管道单位长度摩擦阻力曲线可查得建筑通风腔体高度摩擦阻力，根据过渡区摩擦系数计算如下：
Figure GDA0002669733010000031
其中，K为腔体内壁粗糙度，Re为雷诺数。
具体的，通风腔体内设置有降噪装置。
具体的，进风口的形状为矩形，进风口的下缘离地面至少为0.2m，进风口的孔口上设置有金属网。
进一步的，进风口的形状为扁宽形，采用不锈钢材料制备而成。
具体的，出风口形状为矩形，在出风口孔口上设置有金属网。
进一步的，出风口形状为扁宽形。
进一步的，进风口和出风口上均设置有镀锌铝制的挡板。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，充分利用丰富的可再生能源—太阳能，在原本仅作施工需要的建筑幕墙构造腔体内实现烟囱效应，有效改善建筑外维护结构对光—热利用现状，从而使建筑幕墙内表面温度不至过高而影响建筑室内使用及其热舒适度；充分利用建筑南向与东向墙的太阳辐射实现建筑幕墙节能设计；并将建筑“西晒”造成建筑能耗增大的不利影响大大降低，使其充分利用可再生资源、节约建造成本；大大提升建筑外围护结构节能设计效率。
进一步的，利用太阳能使建筑幕墙在垂直方向上腔体的不同温度分布设计，可以使室内外空气产生循环实现自然通风，能够解决夏季或过渡季节的热舒适性问题，取代或部分取代空调，可大大降低建筑幕墙在此部分消耗的能源。
进一步的，建筑幕墙通风腔体内的气流组织与通风腔体的厚度及高度密切相关，因此应根据流体力学相关计算进行合理设计，使设计者选取最恰当的通风系统和气流组织形式，实现优质高效通风，从而保证室内良好空气环境质量的营造。
进一步的，建筑幕墙通风腔体内外表面的平整度是影响气流组织的重要因素，因此应根据流体力学相关计算，在设计之初选择最合理的建筑幕墙通风腔体的内外表面材料保证最小摩擦阻力并实现热压通风。
进一步的，为保证足够的进风量，消除余热、提高通风效率，应使室外新鲜空气直接进入人员活动区，因此进风口位置的选择应尽可能低，参考国内外有关设计资料，其上缘距地坪不得大于1.2m，且取下缘离地面至少为0.2m；另，为防止鼠类虫类的进入破坏通风腔体，应在进风口位置设置金属网。
进一步的，根据通风设计经验，进风口的形状为扁宽形时空气流量最快；并采用不锈钢材料制备进风口可防雨并大大节约建造成本。
进一步的，出风口的形状为扁宽形时空气流量最快；并为防止鼠类虫类的进入破坏通风腔体，应在出风口位置设置金属网。
进一步的，在进、出风口处设置的镀锌铝制的挡板质轻且方便启闭，既保证在夏季或过渡季节时同时开启利于热压通风，同时在冬季关闭出风口挡板，防止冷风吹向建筑内部并便于室内储热保温。
综上所述，本发明方法充分利用太阳能，在原本仅作施工需要的建筑幕墙构造腔体内实现烟囱效应，有效改善建筑外维护结构对光—热利用现状，从而使建筑幕墙内表面温度不至过高而影响建筑室内使用及其热舒适度；并充分利用建筑南向与东向墙的太阳辐射实现建筑幕墙节能设计；充分利用能源、节约建造成本、提升建筑外围护结构节能设计效率。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明建筑幕墙利用太阳能烟囱效应的设计方法示意图；
图2为本发明建筑进风口设计方法示意图；
图3为本发明建筑出风口设计方法示意图。
其中：1.进风口；2.通风腔体；3.出风口；4.挡板；5.女儿墙；6.保温材料；7.建筑幕墙。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，利用丰富的可再生能源—太阳能，有效改善建筑外维护结构对光—热利用现状，从而使建筑幕墙内表面温度不至过高而影响建筑室内使用及其热舒适度；利用建筑南向与东向墙的太阳辐射实现建筑幕墙节能设计；充分利用可再生资源、节约建造成本，并极大地提升建筑外围护结构节能设计效率。
请参阅图1，本发明一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，包括进风口1、通风腔体2和出风口3，三部分根据热压通风原理设计以达到组织通风隔热降温目的；进风口1设置在建筑底层即建筑幕墙7靠近地坪的位置；通风腔体2通过增大建筑结构层外表面和竖向龙骨内表面之间距离，在铺设保温层材料后，留出一定空隙实现烟囱效应的；考虑建筑防雨水倒灌、防尘堵塞等不良因素；出风口3设置在水平方向，又为方便出风口检修围护，并结合国家相关建筑规范规定，将女儿墙5与龙骨、建筑幕墙7一体化设计，将出风口3设置在位于上翻女儿墙5顶端的保温材料6之上。
通风腔体2在设计中利用垂直方向腔体与温度分布，让建筑进风口1与出风口3之间产生适当热压差，趋使建筑腔体内部空气的流动。由于太阳的辐射作用，腔体内温度高的空气因为比重小而上升，并从建筑物上部出风口3排出，这时会在低密度空气原来的地方形成负压区，于是室外温度比较低而比重大的空气从建筑物的底部进风口1被吸入，腔体内部的空气源源不断的进行流动交换，从而强化通风，起到降温隔热的作用。
通风腔体2的厚度及高度应根据流体力学相关计算进行设计，使其间流体所受阻力不至于过大而无法实现烟囱效应。并通过Fluent及CFD模拟软件进行验证模拟，得出合适的腔体厚度。
根据流体力学原理，空气在横断面形状不变的管道内流动时的单位长度摩擦阻力应按公式计算如下：
Figure GDA0002669733010000061
其中，D与l分别为该通风腔体的半径和高度，v为腔体内部空气流速，ρ为密度，λ为腔体内部摩擦系数，腔体内部空气流速v和密度ρ已知；
根据通风管道单位长度摩擦阻力曲线可查得单位长度(即建筑通风腔体高度)摩擦阻力，腔体内部摩擦系数λ与空气在其中的流动状态、腔体壁粗糙度有关，并可根据过渡区摩擦系数公式计算如下：
Figure GDA0002669733010000071
其中，K为腔体内壁粗糙度，Re为雷诺数，可根据典型建筑幕墙腔体进行估算给出经验值，或可根据相关规范查得。
综合公式(1)和(2)可得建筑幕墙通风腔体(2)的厚度及高度。
在保证能够实现太阳能烟囱效应的前提下，并根据建筑设计功能、外观要求，控制通风腔体2内外表面平整度。
优选的，在通风腔体2内设置降噪装置防止在利用烟囱效应进行有效通风时产生过大的噪声，从而影响建筑空间的使用。
请参阅图2，进风口1的形状为矩形，宜作扁宽形，为避免灰尘和杂物被吸入，进风口1的下缘离地面至少为0.2m，并应在进风口1的孔口上安装金属网；在保证气流通畅的前提下，应根据建筑所在地常年气流形式、进风口安装位置和建筑装修等问题选用不同形式的送风口。
进风口1的具体位置及开口面积的控制要在保证能实现太阳能烟囱效应的前提下，根据流体力学的计算确定。
在进风口1上设置有可自动或手动关闭的保温风门，并设风门逆止阀，保温风门采用镀锌铝制的挡板4。
优选的，进风口1采用不锈钢材料，并应考虑防雨、防蚊虫、防鼠和灰尘杂物的清理。
请参阅图3，出风口3形状为矩形，宜作扁宽形，为避免灰尘和杂物被吸入，在出风口3孔口上安装金属网；在保证气流通畅的前提下，应根据建筑所在地常年气流形式、出风口安装位置和建筑装修等问题选用不同形式的出风口。
出风口3的具体位置及开口面积的控制要在保证能实现太阳能烟囱效应的前提下，根据流体力学的计算确定。
在出风口3上设置可自动或手动关闭的保温风门，防止腔体内过高的气流速度造成建筑失热过大，保温风门采用镀锌铝制的挡板4。
优选的，出风口3采用不锈钢材料，并应考虑防雨、防蚊虫、防鼠和灰尘杂物的清理。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通风腔体2的厚度及高度应根据流体力学相关计算进行设计，使其间流体所受阻力不至于过大而无法实现烟囱效应，并通过Fluent及CFD模拟软件进行验证模拟，得出合适的腔体厚度。
进风口1的具体位置及开口面积的控制要在保证能实现太阳能烟囱效应的前提下，根据流体力学的计算确定。
出风口3的具体位置及开口面积的控制要在保证能实现太阳能烟囱效应的前提下，根据流体力学的计算确定。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，其特征在于，根据热压通风原理设计进风口(1)、通风腔体(2)和出风口(3)，将进风口(1)设置在建筑幕墙(7)靠近地坪的位置，进风口(1)的形状为矩形，进风口(1)的下缘离地面至少为0.2m，进风口(1)的孔口上设置有金属网，出风口(3)形状为矩形，在出风口(3)孔口上设置有金属网；利用垂直方向腔体与温度分布设计通风腔体(2)，用于使进风口(1)与出风口(3)之间产生热压差，通风腔体(2)通过增大建筑结构层外表面和竖向龙骨内表面之间的距离，在铺设保温层材料后，留出空隙实现太阳能烟囱效应；将女儿墙(5)与龙骨、建筑幕墙(7)一体化设计，将出风口(3)设置在位于上翻女儿墙(5)顶端的保温材料(6)之上，使建筑幕墙内表面温度不影响建筑室内使用及热舒适度并实现建筑幕墙节能设计；
通过空气在横断面形状不变的管道内流动时的单位长度摩擦阻力确定通风腔体(2)的厚度、高度及内外表面平整度，空气在横断面形状不变的管道内流动时的单位长度摩擦阻力计算如下：
Figure FDA0002826584040000011
其中，l为通风腔体的高度，v为腔体内部空气流速，ρ为密度，λ为腔体内部摩擦系数，根据通风管道单位长度摩擦阻力曲线可查得建筑通风腔体高度摩擦阻力，根据过渡区摩擦系数计算如下：
Figure FDA0002826584040000012
其中，K为腔体内壁粗糙度，Re为雷诺数。
2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，其特征在于，通风腔体(2)内设置有降噪装置。
3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，其特征在于，进风口(1)的形状为扁宽形，采用不锈钢材料制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，其特征在于，出风口(3)形状为扁宽形。
5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能烟囱效应的建筑幕墙设计方法，其特征在于，进风口(1)和出风口(3)上均设置有镀锌铝制的挡板(4)。
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