中國(guó)幕墻網(wǎng) 2016年會(huì)論文集系列 未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載 違者必究
1 概述
建筑外窗熱工性能獲取方法有兩種：試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算，兩者具有不可替代的地位，也互為補(bǔ)充。數(shù)值模擬計(jì)算具有不受時(shí)間地點(diǎn)和環(huán)境的限制、花費(fèi)小等優(yōu)點(diǎn)。外窗概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段采用數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)外窗熱工性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，將大大節(jié)約研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期。近來系統(tǒng)門窗的興起[1]以及建筑門窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)的大力推廣[2]，凸顯了基于數(shù)值模擬計(jì)算的外窗熱工性能評(píng)估的重要意義。因此采用數(shù)值計(jì)算的方法來準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)外窗的熱工性能顯得十分必要。
歐美國(guó)家經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，外窗熱工性能數(shù)值模擬計(jì)算的理論體系與技術(shù)手段相對(duì)健全，包括(1)美國(guó)國(guó)家門窗等級(jí)評(píng)定委員會(huì)(National Fenestration Rating Council，NFRC)標(biāo)準(zhǔn)體系及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)開發(fā)的Optics、THERM和WINDOW系列配套軟件，(2)歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系及
BISCO等系列配套軟件。LBNL系列軟件由于權(quán)威性和免費(fèi)使用，在國(guó)內(nèi)有較大的用戶群體，歐洲軟件需付費(fèi)加之側(cè)重窗框型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）的分析，使用用戶較少。我國(guó)于2009年5月頒布了第一部門窗幕墻熱工性能數(shù)值模擬計(jì)算規(guī)程JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱為我國(guó)規(guī)程)。廣東省建筑科學(xué)研究院研發(fā)配套數(shù)值模擬計(jì)算軟件粵建科MQMC“建筑幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件”，目前該軟件存在網(wǎng)格劃分質(zhì)量和自適應(yīng)性差等不足，現(xiàn)仍在不斷發(fā)展和完善中。一套免費(fèi)、操作方便、可靠性有保證的數(shù)值計(jì)算軟件，正是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
外窗的熱工性能數(shù)值模擬計(jì)算包括傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)的計(jì)算。本文分別從傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)兩方面入手，梳理國(guó)內(nèi)外外窗熱工計(jì)算規(guī)程的異同，說明不同軟件間的隔閡來源于規(guī)范的差別。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合LNBL免費(fèi)軟件提出滿足我國(guó)規(guī)程的外窗熱工性能數(shù)值模擬計(jì)算流程。該流程可供外窗研發(fā)人員及研究者參考。
2 傳熱系數(shù)
傳熱系數(shù)為外窗內(nèi)外兩側(cè)環(huán)境溫度差為1℃時(shí)，通過單位面積的熱量，代表外窗阻止熱量損失的能力，數(shù)值越低，外窗的保溫性能越好。我國(guó)規(guī)程與美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系所采用的傳熱系數(shù)計(jì)算方法和邊界條件上都有差異。我國(guó)規(guī)程與歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系采用的傳熱系數(shù)計(jì)算方法相同，但邊界條件間存在一定差異。以下從計(jì)算方法和邊界條件兩方面分別論述。
歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)規(guī)程采用玻璃邊緣線傳熱理論計(jì)算整窗的傳熱系數(shù)，公式為：
式中Ut、Ug、Ufr分別為整窗、玻璃和窗框傳熱系數(shù)，Ag、Af、At分別為玻璃、窗框和整窗面積， 為玻璃邊緣長(zhǎng)度，ψ窗框與窗玻璃間的線傳熱系數(shù)。美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系中，整窗傳熱系數(shù)計(jì)算方法采用玻璃邊緣區(qū)域理論，公式為：
式中Ue、Ufr分別為玻璃邊緣區(qū)域和窗框傳熱系數(shù)，Agc為玻璃中心區(qū)域面積，Ae為玻璃邊緣區(qū)域面積，其他符號(hào)含義與式(1)相同。
式(1)和式(2)中，玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)由一維熱傳導(dǎo)模型計(jì)算得到，框部分的傳熱系數(shù)則由二維熱傳導(dǎo)模型計(jì)算得到。對(duì)比式(1)和式(2)可知，兩種計(jì)算方法主要的差異是玻璃邊緣處傳熱計(jì)算方法的不同。歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)規(guī)程計(jì)算玻璃邊緣區(qū)域傳熱時(shí)候都采用線傳熱系數(shù)計(jì)算理論，北美NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系則采用玻璃邊緣區(qū)域計(jì)算理論。另外式(1)中窗框傳熱系數(shù)計(jì)算時(shí)需要用一塊絕熱板代替玻璃系統(tǒng)，我國(guó)規(guī)程中絕熱板長(zhǎng)度為200mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3W/(m∙K)，而歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系中絕熱板長(zhǎng)度為190mm，導(dǎo)熱（詞條“導(dǎo)熱”由行業(yè)大百科提供）系數(shù)為0.35W/(m∙K)，并不一致。Blanusa等[6]通過理論分析指出相同條件下式(1)和式(2)計(jì)算結(jié)果間差異可以忽略不計(jì)，這與楊仕超等[3]的結(jié)論相同。
采用一維熱傳導(dǎo)模型計(jì)算玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)時(shí)，軟件所需的邊界條件為室內(nèi)外溫度。采用二維熱傳導(dǎo)模型計(jì)算窗框傳熱系數(shù)時(shí)，軟件所需的邊界條件為室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外對(duì)流換熱系數(shù)和太陽輻射照度。表1中給出了中美歐三種標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算邊界條件。
各國(guó)的氣候條件不同，造成表1中不同標(biāo)準(zhǔn)的邊界條件間存在明顯差異，帶來了不同國(guó)家外窗產(chǎn)品構(gòu)造和用材間巨大的不同。相同的外窗產(chǎn)品，依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的傳熱系數(shù)明顯不一致。美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系計(jì)算出的結(jié)果通常大于歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和計(jì)算的結(jié)果。歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系與我國(guó)規(guī)程的計(jì)算方法和邊界條件間基本一致，計(jì)算得到的傳熱系數(shù)間差異應(yīng)較小。因此，我國(guó)規(guī)程計(jì)算得到的傳熱系數(shù)小于美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系的計(jì)算結(jié)果。
3 遮陽系數(shù)
遮陽系數(shù)為在給定條件下，外窗的太陽光總透射比（詞條“太陽光總透射比”由行業(yè)大百科提供）與相同條件下相同面積的3mm厚透明玻璃的太陽光總透射比的比值，代表外窗阻止太陽輻射穿過的能力，其數(shù)值越低，代表外窗的隔熱性能越好。我國(guó)規(guī)程與歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系都采用遮陽系數(shù)，美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系參與太陽光總透射比(也稱為太陽得熱系數(shù)（詞條“太陽得熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）)代表外窗的隔熱性能。遮陽系數(shù)來源于太陽光總透射比。我國(guó)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)中主要依據(jù)遮陽系數(shù)值作為節(jié)能設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此該系數(shù)更多的應(yīng)用于描述我國(guó)產(chǎn)品的隔熱效果。我國(guó)規(guī)程與美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系所采用的太陽總透射比計(jì)算方法和邊界條件上存在一定差異。我國(guó)規(guī)程與歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系采用的遮陽系數(shù)計(jì)算方法相同，但邊界條件間存在一定差異。以下從計(jì)算方法和邊界條件兩方面分別論述。
歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)規(guī)程中遮陽系數(shù)計(jì)算公式如下：
式中SC為遮陽系數(shù)，gt為太陽光總透射比。歐洲ISO標(biāo)準(zhǔn)體系和我國(guó)規(guī)程中太陽光總透射比計(jì)算公式如下：
式中g(shù)g、gf分別為玻璃和窗框的太陽光總透射比，其余符號(hào)含義與式(1)相同。美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系中太陽光總透射比的計(jì)算公式如下：
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