能源是人类生产和发展的物质基础，是社会发展的动力。当前，全球能源消耗持续增加，能源利用率处于较低的水平，高能耗带来的能源危机和环境恶化问题日益突出，已严重威胁人类生活质量。我国目前正处于建筑业飞速发展的时期。根据《中国建筑节能年度发展研究报告2019》统计，2017年建筑能源消费总量高达9.6亿吨标准煤，占据了我国全社会总能耗的20％左右。 随着人们对健康、舒适、高效的室内环境需求的增加，这一比例将持续攀升。建筑节能问题日益受到政府和全社会的高度关注，如何在不牺牲室内舒适性的前提下尽可能地实现建筑节能已成为我国建筑业进一步发展所面临的挑战。
建筑能耗由采暖空调能耗与照明能耗等重要部分组成。其中，采暖空调能耗主要来自建筑围护结构的传导得热和辐射得热，照明能耗也与建筑围护结构息息相关。因此，建筑围护结构设计与使用不合理将会显著增加建筑能耗，造成巨大的能源浪费。
建筑围护结构可分为不透明围护结构和半透明围护结构。由对太阳辐射透过率为零的材料所构造的围护结构属于不透明围护结构，主要包括普通多层墙体及屋面、门等; 由玻璃和其他透光材料所构造的围护结构属于半透明围护结构，如普通窗户、普通玻璃幕墙、双层皮幕墙等。传统的建筑通常采取不透明多层墙体加半透明窗户的围护结构形式。随着技术的发展、经济的改善及文化的交融，人们渐渐趋向于追求建筑物与环境之间无阻挡的通透效果，墙体上的窗户越开越大，越开越多。
双层皮幕墙详图
玻璃幕墙作为典型的透明或半透明围护结构形式，具有简洁、通透而富有现代感的优势，受到越来越多的建筑设计师和用户的青睐。玻璃幕墙分为普通玻璃幕墙和通风式双层皮玻璃幕墙（简称双层皮幕墙）。普通玻璃幕墙可分为单层玻璃幕墙和中空玻璃幕墙。双层皮幕墙由外层皮、内层皮（内层皮通常为单层或中空玻璃）和介于这两层表皮间的通风空腔组成。普通玻璃幕墙因成本低、制造安装简便等优点而广泛用于机场航站大楼、高铁站、大型商场等大型办公建筑中。使用双层皮幕墙的建筑较少。然而，普通玻璃幕墙不仅传热系数大，而且在夏天有大量辐射热进入室内，导致空调制冷能耗显著增加，对建筑节能十分不利。
双层皮幕墙传热示意图
双层皮幕墙是20世纪80年代在北美、日本、欧洲等气候较冷地区发展起来的多层半透明的建筑外围护结构形式。其外层皮通常由玻璃材料组成，不但能阻挡室外环境的风雨侵袭，还能起到阻隔外界噪声的作用。通风空腔的作用是积聚或排除玻璃表层及遮阳设施所吸收的太阳辐射得热。在寒冷季节，通风式双层皮幕墙关闭所有进出风口，形成一个密闭的“温室”，将太阳能积蓄起来提高内层皮玻璃表面温度，使之与室内空气温度接近，从而提高房间的热舒适性。在夏季，可以在通风空腔内安装遮阳装置，将大部分太阳辐射得热阻挡在内层皮幕墙的外部。通风空腔内的通风模式一般有三种：自然通风、强制通风和混合通风。其中自然通风模式的实现是基于通风空腔内外空气温度差引起的热浮升力的作用，太阳辐射的作用会加强这一自然通风效果; 除此以外，室外风速与风压也会影响通风空腔中的自然通风效果。强制通风是在通风空腔内实现机械通风。混合通风是自然通风和强制通风同时进行。设计良好的双层皮幕墙，不但可以减少建筑物的供热和空调能耗，还能同时改善室内热舒适性，提高室内空气质量。
双层皮幕墙结构示意图
正确分析计算双层皮幕墙热性能，是工程技术人员设计和优化双层皮幕墙结构和运行方式、评估双层皮幕墙的全年能耗性能和气候适用性、计算双层皮幕墙建筑供热空调系统设计负荷的基础性工作。由于双层皮幕墙中同时存在相互影响和相互耦合的太阳辐射传递、热传递和空气流动过程，正确分析计算双层皮幕墙热性能是一项复杂而又艰难的任务。国内外对双层皮幕墙热性能的研究很多。传热方面的研究方法有计算流体动力学方法、气流网络模型方法、控制体方法、区域模型方法等。在百叶太阳辐射传递计算方面，假定百叶为平面的非镜面反射层，或假定百叶对直射的反射是各向均匀的散射反射。这些理论和方法，要么模型粗糙计算不准确; 要么计算速度慢，不能逐时模拟其长期能耗性能。双层皮幕墙热性能计算一直是未得到很好解决的国际难题。
《双层皮幕墙传热计算理论及应用》介绍了作者经过几年潜心研究的双层皮幕墙热性能计算成果。作者在书中提出了内置百叶双层皮幕墙的太阳辐射传递计算理论和方法，建立了内置百叶双层皮幕墙动态热传递数学模型和计算方法。这套理论和方法可以准确快速逐时计算双层皮幕墙的太阳辐射得热量和传导得(失)热量，从而使工程技术人员可以分析计算双层皮幕墙的热性能和全能能耗，分析双层皮幕墙结构的气候适用性，比较分析双层皮幕墙与普通节能围护结构在不同气候条件下的节能潜力，计算双层皮幕墙建筑的供暖空调系统设计负荷。
作者通过大量计算开发了内双层带百叶外通风双层皮幕墙太阳辐射透过率参数表和对流得热量参数表。工程技术人员利用参数表进行简单的插值计算，就可以快速计算出不同气候条件下双层皮幕墙的太阳辐射得热量和传热得热量。本书还介绍了实现双层皮幕墙与建筑能耗模拟平台联合模拟计算的技术，便于学者在建筑能耗模拟平台DeST上进一步模拟分析双层皮幕墙建筑能耗性能。本书全面系统地介绍了双层皮幕墙传热计算理论、方法及其应用分析范例和结果。
全书共８章。第１章绪论，主要介绍双层皮幕墙的结构、运行方式及其性能研究的历史与现状。第２章介绍建筑立面太阳辐射计算。第３章详细介绍透过多层玻璃幕墙和内置百叶双层皮幕墙的太阳辐射计算方法。第４章详细介绍双层皮幕墙动态热传递数学模型、计算方法及实验验证。第５章介绍内双层带百叶外通风双层皮幕墙太阳辐射透过率、对流得热量参数表和插值计算方法。第６章分析双层皮幕墙不同结构在我国五个气候区的适用性。第７章分析双层皮幕墙在我国夏热冬冷地区的适宜性和经济性。第８章介绍双层皮幕墙与建筑能耗模拟平台联合模拟计算的实现技术。
作者简介
双层皮幕墙传热计算理论及应用
陈友明, 王衍金, 郭猛 著
北京: 科学出版社
ISBN：978-7-03-068196-6
责任编辑: 周 炜
内容简介
本书系统地介绍了作者深入研究取得的双层皮幕墙传热计算理论、方法及其应用成果，包括透过双层皮幕墙的太阳辐射传递计算理论和方法、双层皮幕墙空腔空气流动与热传递计算模型和模拟方法、通过参数表给出的便于工程技术人员使用的简化计算方法，以及双层皮幕墙的结构气候适用性等; 还介绍了双层皮幕墙与建筑能耗模拟平台联合模拟计算的实现方法。书中的理论和方法计算准确，快速高效，为我国正确设计和应用双层皮幕墙提供了理论和方法支撑。
本书可作为建筑设计、绿色建筑、建筑热工、暖通空调和建筑能耗模拟等领域的专业人员，包括建筑师、研究人员、工程技人员及高等院校相关专业的教师、研究生和本科生的参考书。
前言
1.1双层皮幕墙的诞生1
1.2双层皮幕墙简介2
1.2.1双层皮幕墙的构造与运行2
1.2.2双层皮幕墙的传热过程4
1.3双层皮幕墙性能研究历史和现状5
1.3.1光学性能研究5
1.3.2热工性能研究7
1.3.3能耗特性研究10
1.4双层皮幕墙传热研究目的及本书主要内容11
1.4.1双层皮幕墙传热研究目的11
1.4.2本书主要内容12
参考文献13
第2章建筑立面太阳辐射计算21
2.1概述21
2.2壁面太阳入射角的计算22
2.2.1太阳空间位置计算22
2.2.2太阳与垂直壁面之间的相对关系25
2.3垂直壁面的太阳辐射27
2.3.1天空太阳辐射照度的计算27
2.3.2壁面接收的天空直射辐射29
2.3.3壁面接收的天空散射辐射29
2.3.4壁面接收的地面反射辐射30
2.4计算实例31
2.5基于气象数据的太阳辐射计算实例34
2.6小结35
参考文献36
第3章透过多层玻璃幕墙的太阳辐射计算37
3.1概述37
3.2单层玻璃的太阳辐射计算38
3.2.1玻璃对太阳辐射的选择透过性38
3.2.2玻璃—空气分界面的太阳反射率38
3.2.3太阳辐射在玻璃介质中的透过率39
3.2.4直射反射率、直射透过率、直射吸收率39
3.2.5散射反射率、散射透过率、散射吸收率40
3.2.6总反射率、总透过率、总吸收率41
3.3多层玻璃幕墙系统的太阳辐射计算41
3.3.1直射辐射42
3.3.2散射辐射43
3.3.3多层玻璃幕墙系统的总反射率、总透过率、总吸收率43
3.4百叶中的太阳辐射传递44
3.4.1太阳入射投影角45
3.4.2前向直射辐射46
3.4.3后向直射辐射50
3.4.4特殊情况的前向直射辐射53
3.4.5直射—直射辐射计算53
3.4.6直射—散射辐射计算54
3.4.7散射—散射辐射计算56
3.4.8百叶对太阳辐射的性能计算58
3.5双层皮幕墙的太阳辐射计算61
3.6小结63
参考文献63
第4章双层皮幕墙传热计算模型65
4.1概述65
4.2外双层无百叶自然通风双层皮幕墙67
4.2.1区域划分67
4.2.2传热方程68
4.2.3方程的离散69
4.2.4气流计算70
4.2.5对流换热系数的计算71
4.2.6系统发射率的计算73
4.2.7得热量计算74
4.3内置百叶外双层自然通风双层皮幕墙75
4.3.1区域划分75
4.3.2传热方程75
4.3.3方程的离散77
4.3.4气流计算78
4.3.5对流换热系数的计算80
4.3.6角系数的计算81
4.4内置百叶内双层自然通风双层皮幕墙82
4.5内置百叶外双层机械通风双层皮幕墙84
4.5.1传热方程84
4.5.2气流计算85
4.5.3对流换热系数的确定86
4.6双层皮幕墙实验研究87
4.6.1实验装置与仪器87
4.6.2太阳辐射传递模型的验证90
4.6.3无百叶自然通风双层皮幕墙模型验证92
4.6.4内置百叶外双层自然通风双层皮幕墙模型验证97
4.6.5机械通风双层皮幕墙模型验证102
4.7小结107
参考文献108
第5章双层皮幕墙热性能简化计算110
5.1概述110
5.2热性能简化计算方法110
5.2.1太阳辐射透过率参数表110
5.2.2对流得热量参数表111
5.2.3修正系数112
5.3算例112
5.4简化计算方法检验114
5.4.1上海市计算结果对比114
5.4.2长沙市计算结果对比115
5.5小结117
第6章双层皮幕墙的结构气候适用性118
6.1概述118
6.2我国的气候特点118
6.3双层皮幕墙结构类型118
6.4严寒地区双层皮幕墙结构气候适用性119
6.4.1东向120
6.4.2西向122
6.4.3南向123
6.4.4北向125
6.5寒冷地区双层皮幕墙结构气候适用性127
6.5.1东向128
6.5.2西向130
6.5.3南向132
6.5.4北向133
6.6夏热冬冷地区双层皮幕墙结构气候适用性135
6.6.1东向136
6.6.2西向138
6.6.3南向140
6.6.4北向141
6.7夏热冬暖地区双层皮幕墙结构气候适用性143
6.7.1东向144
6.7.2西向145
6.7.3南向148
6.7.4北向149
6.8温和地区双层皮幕墙结构气候适用性151
6.8.1东向151
6.8.2西向154
6.8.3南向156
6.8.4北向158
6.9小结160
第7章夏热冬冷地区双层皮幕墙适宜性分析161
7.1概述161
7.2夏热冬冷地区常见外围护结构类型161
7.3双层皮幕墙能耗模拟和比较162
7.3.1气象参数和代表城市的选择163
7.3.2能耗计算和比较163
7.4经济性分析169
7.5小结172
参考文献173
第8章双层皮幕墙与建筑能耗模拟平台的联合计算174
8.1概述174
8.2技术路线174
8.2.1独立开发的技术路线174
8.2.2FMU/FMI的开发框架简介174
8.2.3FMU与DeST内核联合运行框架简介175
8.2.4FMU框架下DeST联合仿真流程简介176
8.3独立开发程序的验证178
8.3.1程序模块介绍178
8.3.2程序功能性验证178
8.3.3程序理论验证178
8.3.4程序静态检测181
8.3.5程序动态检测181
8.4接口设计184
8.5独立调试186
8.6联合调试187
8.7联合计算算例191
8.7.1算例1191
8.7.2算例2192
8.8小结194
附录A百叶直射反射次数所占比例196
A.1前向直射反射次数所占比例196
A.2后向直射反射次数所占比例198
附录B双层皮幕墙太阳辐射透过率参数表202
附录C双层皮幕墙对流得热量参数表209
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（本期编辑：王芳）
