利用集成建模方法对现代玻璃系统进行动态热分析

《ENERGY AND BUILDINGS》：Dynamic thermal analysis of modern glazing systems using integrated modeling approaches

　　

郝双牛|李凯伦|史志勇|李后培

摘要

玻璃在建筑热交换中占比约为28–32%，因此是实现节能设计的关键因素。然而，传统的评估方法要么将玻璃单独考虑，要么将其纳入一个单一节点的简化模型中，这两种方法都无法准确反映玻璃腔与室内环境之间的动态相互作用。目前仍缺乏一种能够同时保留玻璃腔内二维辐射-对流场细节，并允许多层建筑围护结构和室内空气在双向迭代过程中共同演变的计算框架。本研究：(i) 开发了这样一个混合框架；(ii) 通过已发表的实验和数值数据对其进行验证；(iii) 应用该框架比较了六种不同类型的玻璃在寒冷干燥气候条件下的性能：单层透明玻璃（SGC）、反射玻璃（SGR）、吸热玻璃（SGA）、低辐射玻璃（SGL）、双层玻璃（DG）和三层玻璃（TG）。玻璃腔采用有限体积二维瞬态模型（Javier–Stokes算法）进行求解，同时考虑表面间的辐射传递；不透明建筑围护结构和室内空气则通过多层全局能量平衡模型进行模拟；两种模型在每个时间步长内交换表面温度和热流，直到室内空气温度的残差低于1×10^-4 K。研究还验证了模型的网格独立性（GCI < 0.7%）和时间步长对结果的影响。模型与Maodu?（2016）和Li（2019）的研究结果进行了对比，相对均方误差（NRMSE）小于3%，平均偏差（MBE）小于0.4°C。主要结论如下：(i) 不同玻璃类型的能量衰减系数范围为0.42至0.91，时间滞后效应为1.7至2.6小时；(ii) 多层玻璃和低辐射玻璃相比单层透明玻璃可降低36.8–57.6%的年热负荷；(iii) 暖通空调系统的电力消耗最多可减少39.6%，二氧化碳排放量最多可减少24.1%；(iv) 在25年的预测期内，单层玻璃的运行成本上升110.8%，而低辐射玻璃和三层玻璃的运行成本仅分别上升22.8%和23.0%。该混合框架提供的系统级性能评估结果比仅考虑玻璃或简化模型的方法更为可靠，为可持续建筑围护结构设计提供了实用且可推广的工具。