不同风向作用下，垂直百叶窗及带遮阳层的建筑立面的强制对流热传递

《Journal of Building Engineering》：Forced convective heat transfer of vertical louvers and the shaded building fa?ade under different wind directions

外部垂直百叶窗作为遮阳与光伏一体化系统，研究不同风向（0°至±90°）下百叶窗与建筑外立面耦合的对流换热系数，发现其非线性变化规律，并建立基于SST k-ω模型的关联式，为建筑能耗与光伏效率预测提供理论依据。

　　

郭泽朗|周金志|钱斌|M. Hasanuzzaman|姜福建

西南交通大学机械工程学院，中国成都610031

摘要

外部垂直百叶窗是一种常见的遮阳装置和建筑集成光伏（BIPV）系统，用于减少太阳辐射并调节日光照射。此外，通过改变周围的气流，它们可以改变对流热传递，从而影响建筑物的冷却负荷和光伏效率。本研究调查了在0°到±90°不同风向下百叶窗和建筑立面的对流热传递情况，扩展了之前主要关注正风向（θ = 0°）的垂直百叶窗研究。首先，基于SST k-ω模型开发并验证了一个用于百叶窗-建筑立面系统的强制对流热传递模型。其次，利用扩展的牛顿冷却公式，讨论了百叶窗角度（φ）、百叶窗宽度（B）和安装距离（W）在不同风向（θ）下对热传递系数的影响。研究发现，在θ、φ、B、W和U10的耦合效应下，成对热传递系数呈非线性变化。与θ = 0°时的对流热交换率相比，θ = ±90°时百叶窗和建筑立面的热传递率分别降低了约60%和50%。此外，当φ ≥ 60°或W = 0.8米时，建筑立面的热传递率在θ = ±60°时达到最大值，增加了约35%。最后，提出了新的成对热传递系数关联方程，这些方程是θ、φ、B、W和U10的函数。这些关联关系可以作为对流边界条件应用于建筑能耗和BIPV模型中，以预测围护结构的热传递以及光伏温度和效率。

引言

外部遮阳百叶窗通过减少太阳辐射和降低冷却负荷来作为一种被动节能策略[1]。如图1所示，它们也是建筑集成光伏（BIPV）的常见形式，能够在最小程度影响外观的同时利用建筑立面接收的太阳能[2]。然而，安装外部百叶窗不仅会阻挡或改变太阳辐射，还会改变建筑立面周围的气流[3]，从而改变对流热传递强度[4]、[5]。先前的研究表明，外部对流热传递系数模型的选择对建筑冷却负荷的预测有显著影响。在某些情况下，CHTC（对流热传递系数）的差异可达70%，导致冷却负荷偏差约40%[6]、[7]。此外，百叶窗结构的不连续几何形状会导致其表面与相邻连续平面之间的对流热传递存在显著差异[5]、[8]。错误地描述这一现象可能会扭曲光伏百叶窗阵列的预测功率输出，从而影响BIPV系统的设计[9]、[10]。因此，准确估计百叶窗和建筑立面表面的对流热传递对于节能建筑设计及百叶窗集成BIPV系统的可靠性能评估至关重要。

空气与建筑表面之间的CHTC（对流热传递系数）值根据牛顿冷却公式定义，如公式（1）所示：$$$$q_c是热传递表面的平均对流热通量，单位为W/m2；h_c是热传递表面的对流热传递系数（CHTC），单位为W/(m2·K)。该公式表明CHTC是计算对流热传递的核心，而h_c或努塞尔数（Nu）通常与特征风速和雷诺数（Re）有关。对于传统的建筑立面或单个光伏表面，对流热传递通常用公式（2）表示[6]、[11]。然而，当百叶窗外部安装在立面上时，这些关联关系不再适用，因为它们没有考虑百叶窗-立面系统的特征参数。

许多研究已经量化了建筑立面和外部遮阳表面的CHTC。对于单个立方体建筑，已经进行了相对成熟的研究。Emmel等人[12]较早地研究了低层建筑的表面积CHTC，提出了在不同风向和风速下的表面积CHTC关联公式，并证明了风向对建筑立面热传递的强烈影响。Montazeri等人[13]在大气边界层条件下研究了不同高度和宽度的建筑立方体的表面积CHTC，并提出了一个关联公式，表明几何形状、风向和风速显著影响对流热传递[14]。Kahsay等人[15]研究了高层建筑迎风立面的速度分布和CHTC的变化。Babakhani等人[16]进一步表明，建筑几何形状的变化可以使CHTC变化高达58%。这些研究系统地揭示了单个立方体建筑上表面积CHTC的变化模式，并证明风向可以使表面积CHTC变化超过50%[14]。

然而，建筑表面通常会集成各种遮阳百叶窗或BIPV组件，因此基于光滑表面的CHTC关联关系的适用性受到挑战。Karava等人[9]分析了不同入口边界条件对带斜屋顶光伏系统的低层建筑的影响，并制定了相应的CHTC关联公式。Kahsay等人[15]研究了三种遮阳配置：水平、垂直和蛋箱式，发现遮阳方式和风向显著影响局部和平均建筑立面CHTC。Jiang等人[4]研究了迎风侧装有水平百叶窗的立面的对流热传递，发现传统的平板或立方体基础关联公式低估了百叶窗的CHTC，而高估了立面的CHTC。他们进一步提出了一套考虑风速、百叶窗宽度、角度和安装距离的努塞尔数（Nu）的关联公式[5]。Ma等人[17]研究了风向对装有水平百叶窗的立面的影响，并改进了百叶窗和立面Nu值之间的关联公式，以考虑方向性影响。这些研究发现，百叶窗和BIPV组件可以在建筑立面上形成多个半封闭腔体，在这些腔体内容易产生循环气流，从而显著改变立面的热传递特性[5]、[17]。水平和垂直腔体的机制也不同，前者引导气流冲击立面的侧边，而后者则将气流导向顶部和底部边缘。由于这些冲击区域对风向敏感，水平和垂直腔体对风向变化的响应也不同[15]。

为了研究垂直百叶窗和这种类型BIPV系统的CHTC特性，Tao等人[8]研究了垂直百叶窗与迎风立面之间的对流热交换，并基于扩展的牛顿冷却公式[18]、[19]开发了成对CHTC关联公式，考虑了风速、百叶窗宽度、角度和安装距离。然而，对于垂直百叶窗和这种类型BIPV系统的多方向CHTC特性研究仍然不足。考虑到垂直元素对风向的响应与水平或光滑表面系统的不同，此类研究仍然是必要的。

总结来说，现有研究系统地研究了建筑围护结构、外部遮阳装置和BIPV系统的CHTC，涵盖了各种结构配置和环境条件下的对流热传递特性。相关关联关系列在表1中。然而，风向对垂直百叶窗及其相关立面的影响尚未得到充分探讨。这一因素改变了墙体周围的气流模式，显著影响了局部和表面对流热传递特性[12]、[14]、[17]。因此，CHTC的变化可能会进一步影响建筑热负荷计算，并导致BIPV发电预测的偏差。在这种情况下，计算流体动力学（CFD）提供了一种强大的方法，可以可视化复杂的流动结构并量化实验难以捕捉的详细对流相互作用[6]、[11]。因此，本研究利用CFD研究了不同风向下垂直百叶窗与其覆盖立面之间的对流热交换特性，旨在开发一套关联公式，以描述空气、百叶窗和立面的成对CHTC，从而将Tao等人[8]提出的单风向对流热传递特性和成对CHTC关联公式扩展到多方向条件。

为了实现研究目标，本研究分为五个部分。第2节详细介绍了CFD方法论。第3节展示了网格独立性和风洞实验验证。第4节展示了不同风向下垂直百叶窗与建筑立面之间对流热交换的结果和分析。第5节阐述了描述风向和其他因素对垂直百叶窗与建筑立面成对CHTC关联的方程。第6节总结了主要结论。本研究可以为具有垂直百叶窗的建筑的围护结构热交换和BIPV效率预测提供基础。

研究部分

计算域和网格

室外风模拟的计算域遵循以往研究中常用的配置[15]、[20]。如图2(a)所示，计算域是一个六面体体积，尺寸为21H × 11H × 6H，其中H代表建筑高度。建筑距离入口边界、侧面边界和顶部边界5H，距离出口边界15H，确保阻塞比率低于3%。装有垂直百叶窗的建筑模型如图2所示

网格独立性验证

为了减少网格分辨率对模拟精度的影响，采用了Roache等人[29]提出的网格收敛指数（GCI）方法来验证网格独立性。通过调整体积网格分辨率，生成了三种密度明显不同的网格，分别表示为N1（930万）、N2（1200万）和N3（1470万）。评估采用了百叶窗和立面的表面积CHTC以及立面附近的平均风速

案例列表

本研究中的模拟案例列在表3中，共包括864个模拟案例。这些案例的设计遵循了几项指导原则。

• 1.
  百叶窗宽度B和安装距离W是根据工程实践和以往研究[5]、[8]选择的。B通常在0.25到1.0米之间，选择了三个值以反映真实的立面配置。
• 2.
  百叶窗角度φ从完全打开（0°）变化到几乎关闭（75°）[8]，选择了四个级别以覆盖

成对CHTC的关联公式

基于扩展的牛顿冷却公式，本研究开发了一个关联方程，将四个耦合的对流热传递系数与其相应的关联参数联系起来。基于Montazeri等人[14]提出的在不同风向下单个建筑表面CHTC的关联公式，本研究开发了包含风向（θ）和百叶窗几何因素（φ、W、B）的系数，以改进CHTC–U10关联公式

结论

本研究采用了3D稳态RANS方法中的SST k-ω模型，并通过风洞实验验证了该模型的性能。基于SST k-ω模型的验证结果，随后使用该模型进行了不同风向（θ）下垂直百叶窗与立面之间对流热传递的CFD模拟。风向（θ）和几何因素（安装距离W、百叶窗宽度B、百叶窗角度φ）对对流热传递的影响

CRediT作者贡献声明

周金志：撰写 – 审稿与编辑，方法论。郭泽朗：撰写 – 原始草稿，验证，软件，方法论，调查。钱斌：撰写 – 审稿与编辑，监督。姜福建：撰写 – 审稿与编辑，方法论，资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52278130）、河北省自然科学基金（项目编号E2024105044）和中央高校基本科研业务费（2682024CG007）的支持。