门窗幕墙热工性能指标计算理体系建立.doc

门窗幕墙热工性能指标计算理体系建立当前，我国的建筑节能受到前所未有的重视，相关的建筑节能设计标准陆续出台。在这种形势下，建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程的编制任务也由建设部下达。这本标准主要的内容是计算门窗和玻璃幕墙的热工性能。包括传热系数、遮阳系数、可见光透射比和结露性能。国际ISO系列标准有关门窗热工性能详细计算的标准是正在制定中的ISO15099。早前已经制定了计算门窗传热系数的ISO10077-1和ISO10077-2。美国和欧洲也制定了相关的标准。为了尽量与国际标准相协调，并与我国的有关标准不发生大的冲突，适合我国的有关节能计算，我国制定门窗幕墙的热工性能计算将主要参照ISO的系列标准。本文介绍我国正在制定的建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程建立的热工理论计算体系。1我国建筑节能标准对门窗幕墙热工性能的要求1.1公共建筑节能设计标准对围护结构的节能要求随着我国建筑节能标准的制定，对建筑围护结构节能的要求更加明确了。2005年发布的国家标准公共建筑节能设计标准对围护结构有着明确的要求。在这本标准中，根据建筑所处城市的建筑气候分区，围护结构的热工性能应分别符合下列各表的规定。表1.1-1严寒地区A区围护结构传热系数限值表1.1-2严寒地区B区围护结构传热系数限值表1.1-3寒冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值表1.1-4夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值表1.1-5夏热冬暖地区围护结构传热系数和遮阳系数限值从以上这些表中可以看到，对外窗(或玻璃幕墙)节能要求包括了传热系数和遮阳系数。1.2有关节能标准对门窗保温的要求在建筑保温节能标准方面，现在已经发布的标准有：民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)JGJ26-95夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189-93民用建筑热工设计规范GB50176-93在民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)JGJ26-95中，窗的传热系数有如下规定：伊春、海拉尔等严寒地区城市：2.00 W/m2.K；吉林、长春、乌鲁木齐、哈尔滨等严寒地区城市：2.50 W/m2.K；张家口、沈阳、呼和浩特等严寒地区城市：3.00 W/m2.K；郑州、洛阳、徐州、西安、石家庄、北京、天津、兰州、太原、唐山这些寒冷地区城市：4.00 W/m2.K。夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001中规定夏热冬冷地区窗的传热系数见下表：旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189-93中规定：主体建筑标准层窗墙面积比不宜大于0.45，严寒地区外窗遮阳系数应大于0.80，保温性能不应低于级(3.0)，寒冷地区外窗保温性能不应低于级(4.0)，其它地区外窗保温性能不应低于级(5.0)。2计算的基本条件2.1环境边界条件的确定计算实际工程所用的建筑门窗和玻璃幕墙热工性能所采用的边界条件应符合相应的建筑设计或节能设计标准。这些标准有民用建筑热工设计规范，公共建筑节能设计标准等。设计或评价建筑门窗、玻璃幕墙定型产品的热工参数时，所采用的环境边界条件应统一采用标准规定的计算条件。光谱：计算光学性能有关的光谱采用ISO系列标准所采用的光谱：S()：标准太阳辐射光谱函数(ISO 9845-1)；D()：标准光源光谱函数(CIE D65，ISO 10526)；R()：视见函数(ISO/CIE 10527)。冬季计算标准条件：夏季计算标准条件：计算传热系数采用冬季计算标准条件，并取ls=0W/M2。计算遮阳系数、太阳能总透射比采用夏季计算标准条件，并Tout=25。以上计算有关热工性能采用的标准计算条件采用ISO15099的冬季和夏季标准计算条件。但考虑到与我国其它标准的协调性，夏季的室外表面对流换热系数取16W/m2.K，而不按ISO15099取8.0 W/m2.K。因为民用建筑热工设计规范取夏季的外表面换热系数为19W/m2.K，相当于室外表面对流换热系数为14.6W/m2.K，与ISO15099相差比较大。抗结露性能计算的标准条件：参考美国的NFRC500标准，并考虑到与我国其它标准的协调性，取抗结露性能的标准计算条件为：室内环境温度：20；室外环境温度：-10，-20；室内相对湿度：30%、50%、70%；室外风速：4m/s。设计或评价建筑门窗、玻璃幕墙定型产品的热工参数时，门窗框或幕墙框与墙的连接界面作为绝热边界条件处理。2.2对流换热计算对流换热的计算采用ISO15099的系列方法。设计或评价建筑门窗、玻璃幕墙定型产品的热工参数时，门窗或幕墙室内、外表面的对流换热系数按照标准计算条件的规定计算。室内表面：当室内气流速度足够小(小于0.3m/s)时，内表面的对流换热按自然对流换热计算；当气流速度大于0.3m/s时，按强迫对流和混合对流计算。当内表面的对流热换热按自然对流计算时，自然对流换热系数hc,in根据努赛尔数(Nusselt number)Nu的值确定，并按下式计算：当进行建筑的全年能耗计算时，门窗或幕墙构件外表面对流换热系数应用下列关系式计算：努赛尔数Nu是基于窗高H的雷利数RaH的函数。努赛尔数Nu的值应是表面倾斜角度的函数。在实际工程中，当内表面有较高速度气流时，室内对流换热按强制对流计算。门窗内侧强制对流用下列关系式计算(ISO 6946)。当进行建筑的全年能耗计算时，门窗或幕墙构件外表面对流换热系数应用下列关系式计算：门窗、幕墙附近的风速应按照门窗、幕墙的朝向和吹向建筑的风向和风速确定。当外表面风速较低时，外表面自然对流换热系数，hcom用努赛尔数Nn来确定。努赛尔数Nn是雷利数RaH和空腔高度H的函数。2.3长波辐射换热长波辐射换热也采用ISO15099所给出的方法。室外平均辐射照度：室外平均辐射温度的取值应分为两种应用条件：实际工程条件和用于建筑门窗、玻璃幕墙定型产品性能设计或评价。对于实际工程计算条件，应由室外平均辐射温度求得室外辐射照度：室外平均辐射温度定义为：进行外表面计算时，用下面的公式简化玻璃面上和框表面上的长波辐射传热计算。室内辐射照度：门窗内表面可认为仅受到室内表面的辐射，墙壁和楼板可作为在室内温度中的大平面。室内辐射照度为：内表面计算时，用下列公式简化计算玻璃部分和框部分表面长波辐射热传递：3玻璃热工性能计算3.1单层玻璃的光学热工性能计算单层玻璃的计算按照ISO9050的有关规定进行。考虑到中国玻璃数据库建设的需要，要求在测试玻璃时按照有关要求提供玻璃光谱数据库。单层玻璃的光学、热工性能应根据单片玻璃的测定光谱数据进行计算。单片玻璃的光谱数据应包括透射率、前反射率和后反射率，并至少包括280nm2500nm波长范围，其中280400nm的波长间隔不宜超过5nm，4001000nm的波长间隔不宜超过10nm，10002500nm的波长间隔不宜超过50nm。单片玻璃的可见光透射比V按下式计算：单片玻璃的太阳能透射比S按下式计算：单片玻璃的太阳能总透射比，按照下式计算：单片玻璃的遮阳系数SCcg按下式计算：3.2多层玻璃的光学热工性能计算多层玻璃太阳光学计算采用ISO15099的模型：图3.2-1玻璃层的吸收率和太阳光透射比图中表示一个具有n层玻璃的玻璃系统，将玻璃分为n+1个气体间层，最外面为室外环境i=1，内层为室内环境i=n+1。对于给定的波长，玻璃系统的光学分析应考虑在第i-1层和第i层玻璃之间辐射能量和src=，角标+和-分别表示辐射流向室外和向室内，如下图所示。设定室外只有太阳的辐射，室外和室内环境的对太阳辐射的反射率均为零，即：当i=1时：当i=n+1时：当i=2n时：利用解线性方程组的方法计算所有各个气体层的I-i()和I+i()的值，传向室内的直接透射比由下式计算：反射到室外的直接反射比由下式计算：应确定太阳辐射被每层玻璃吸收的部分，这一量值以在第i层的吸收率Ai,S()表示，采用下式计算：3.3玻璃区域的传热计算玻璃气体层间的能量平衡可用基本的关系式表达如下：图3.3-1第i层玻璃的能量平衡在每一层气体间层中，应该应用以下方程：在计算传热系数时，令太阳辐射，在每层材料均为玻璃的系统中可以采用如下热平衡方程计算气体间层的传热：玻璃层间充气空腔的对流换热系数可由无量纲的努赛尔数确定：玻璃层间充气空腔的对流换热系数可由无量纲的努赛尔数Nui确定：Nui为雷利数Raj、空腔高厚比Ag,i和空腔倾角的函数。3.4玻璃系统的热工参数计算玻璃系统的传热系数：计算玻璃系统的传热系数时，可采用简单的模拟环境条件：仅包括室内外温差，没有太阳辐射。计算传热系数时应设定没有太阳辐射：玻璃的总传热阻Rt为各层玻璃、空腔、内外表面换热阻之和：第一层空腔为室外，最后一层空腔(n+1)为室内，第i层空腔的热阻为：环境温度应是周围空气温度Tair和平均辐射温度Trm的加权平均值。环境温度Tn为：玻璃系统的遮阳系数：各层玻璃室外侧方向的热阻用下式计算：各层玻璃向室内的二次传热用下式计算：玻璃系统的太阳能总透射比应按下式计算：4框的传热计算有关框的计算与窗的计算有关。我国的标准将主要参照ISO10077的有关约定进行。这些约定要求框的计算应得到框的传热系数和框与玻璃或其它面板结合的附加线传热系数。4.1有关约定框的面积：框室内侧面积Afi：指框从室内侧投影到与玻璃(或其它镶嵌板)平行的平面上的面积。框室外侧面积Afe：指框从室外侧投影到与玻璃(或其它镶嵌板)平行的平面上的面积。框面积Af：取框室内侧面积Afi和框室外侧面积Afe两者中的大者。玻璃面积：当室内和室外两侧所见玻璃(或其它镶嵌板)的面积不相同时，取其中的小者作为计算所用的玻璃面积Ag(或其它镶嵌板面积Ap)。当玻璃与框相接处胶条能被见到时，所见的胶条覆盖部分也应计入玻璃面积。玻璃(或其它镶嵌板)的周长：玻璃(或其它镶嵌板)与窗框接缝的总长度是玻璃(或其它镶嵌板)的周长lg(或lp)。窗或幕墙的面积：窗或幕墙的面积Aw是框面积Af和玻璃(包括其它镶嵌板)面积Ag(包括Ap)之和。4.2框的传热系数和框与面板接缝的线传热系数框的传热系数Uf计算：框的传热系数Uf在计算窗或幕墙的某一截面部分的二维热传导的基础上获得。图4.2-1框传热系数计算模型示意图在图4.2-1所示的框截面中，用一块导热系数=0.035W/(m.K)的板材替代实际的玻璃(或其它镶嵌板)。框部分的形状、尺寸、构造和材料都应与实际情况完全一致。板材的厚度等于玻璃系统(或其它镶嵌板)的厚度，嵌入框的深度按照实际尺寸，可见板宽应超过200mm。稳态二维热传导计算应采用认可的软件工具。软件中的计算程序应包括本标准所规定的复杂灰色体漫反射模型和玻璃气体间层内以及框空腔内的对流换热计算模型。用程序计算在室内外标准条件下流过图示截面的热流qw，qw应按下列方程整理：截面的传热系数：框的传热系数：框与玻璃系统(或其它镶嵌板)接缝的线传热系数的计算：图4.2-2框与面板接缝传热系数计算模型示意图在图4.2-1所示的计算模型中，用实际的玻璃系统(或其它镶嵌板)替代导热系数=0.035 W/(m.K)的板材。所得到的计算模型如图4.2-2。用二维热传导计算程序，计算在室内外标准条件下流过图示截面的热流q，q应按下列方程整理：截面的传热系数为：框与面板接缝的线传热系数：4.3传热控制方程框(包括固体材料、空腔和缝隙)的计算所采用的稳态二维热传导计算程序应依据如下热传递的基本方程：窗框内部任意两种材料相接表面的热流密度q应用下式计算：在窗框的外表面，热流密度q等于：玻璃空气间层的传热采用当量导热系数的方法来处理。可将玻璃的空气间层的当作一种不透明的固体材料。第i个空气间层的当量导热系数应用下式确定：4.4封闭空腔的传热处理框内部封闭空腔的传热应采用当量导热系数的方法。将封闭空腔当作一种不透明的固体材料，其当量导热系数应考虑空腔内的辐射和对流传热，由下式确定：对流换热系数hc应根据努谢尔特准则数来计算。应依据热流方向是朝上、朝下或水平分别考虑三种不同情况的努谢尔特准则数。封闭空腔的辐射传热系数hr由下式计算：4.5敞口的空腔、槽的传热轻微通风的小断面敞口空腔和沟槽：小断面的沟槽或由一条宽度大于2mm但小于10mm的缝隙连通到室外或室内环境的空腔可作为轻微通风的空腔来处理。轻微通风的空腔的等效导热系数取相同截面封闭空腔的等效导热系数的两倍。如果轻微通风的空腔的开口宽度小于或等于2mm，则可作为封闭空腔来处理。大断面的沟槽或连通到室外或室内环境的缝隙宽度大于10mm的空腔可作为通风良好的空腔来处理。4.6框的太阳能总透射比计算框的太阳能总透射比可按下式计算：5整窗的计算5.1一般约定整窗的传热系数、遮阳系数、可见光透射比的计算采用各部分的性能按面积进行加权平均计算。窗户玻璃(或者其它镶嵌板)边缘与窗框的组合传热效应所产生的附加传热以附加线传热系数表达。5.2整窗的几何描述整窗应根据框截面的不同对窗框分段，有多少个不同的框截面就应计算多少个不同的框传热系数和对应的框和玻璃接缝线传热系数。两条框相交处的传热不作三维传热现象考虑。整窗在进行热工计算时应进行如下面积划分，见图5.2-1。1窗框面积Af：指从室内、外两侧可视的凸出的框投影面积大者；2玻璃面积Ag(或者是其它镶嵌板的面积Ap)：室内、外侧可见玻璃边缘围合面积小者；3整窗的总面积Ai：窗框面积Af与窗玻璃面积Ag(或者是其它镶嵌板的面积Ap)之和。图5.2-1窗各部件面积划分示图玻璃区域的周长(或者是其它镶嵌板的周长lp)是门窗玻璃(或者其它镶嵌板)室内、外两侧的全部可视周长的之和的较大值。图5.2-2：窗玻璃区域周长示图5.3整窗的传热系数计算整窗的传热系数的计算公式为：整窗的遮阳系数应为整窗的太阳能总透射比与标准3mm透明玻璃的太阳能总透射比的比值：5.5可见光透射比计算整体门窗可见光透射比的计算公式为：6遮阳计算6.1一般约定遮阳计算只限于平行或近似平行于玻璃面的平板型遮阳装置。遮阳可分为三种基本形式：内遮阳：平行于玻璃面，位于玻璃系统的室内侧，与窗玻璃有紧密的热光接触，如幕帘、软百页帘等。外遮阳：平行于玻璃面，位于玻璃系统的室内侧，与窗玻璃有紧密的热光接触。中间遮阳：平行于玻璃面，位于玻璃系统的内部或两层门窗、幕墙之间。中间遮阳的热光交互作用与玻璃和薄膜相似，可按照两层空气间层中的一个夹层。这个夹层的传热计算既应考虑与其它部件及环境以对流、传导以及热辐射方式进行热交换，同时也应考虑吸收、反射和传递太阳辐射。遮阳装置在计算处理时，可将二维或三维的特性简化为一维模型，计算时确定遮阳装置的光学性质、总传热系数，并依据遮阳装置材料的光学性能、几何形状和部位进行计算。6.2遮阳装置的光学性能确定遮阳装置在光线不同入射角时的下列光辐射传递性能：直射对直射的透过率；直射对散射的透过率；散射对散射的透过率；直射对直射的反射率；直射对散射的反射率；散射对散射的反射率。对于吸收，表示成如下形式：6.3百页类遮阳装置的性能计算当一束光在遮阳装置上透过或反射时，可分解为直射和散射部分，散射部分继续通过窗系统，应得到所有玻璃、薄膜和遮阳层和值。计算由平行板条构成的百页遮阳装置的光学性能时应考虑板条的性质、几何形状和位置(见图6.3-1)等因素。百页遮阳的空气渗透性能也应是板条的几何形状和位置的函数。图6.3-1板条的几何形状百页遮阳光学性能计算可采用以下模型和假设：1板条为非镜面反射，可以忽略窗户边缘的作用；2模型考虑两个邻近的板条，每条分为5个相等部分(见图6.3-2)；3可以忽略板条的轻微挠曲。图6.3-2模型中分割示意图各层构件数目确定后，采用下列公式进行计算。对于每层f,i和b,i，i由0到n(这里n=6)，并对每一光谱间隔：散射-散射透过率：等于室内环境的照度Ef.n(n=6)，除以太阳辐射照度Jo：散射-散射反射率：直射-直射的透过率和反射率：应依据百页的角度和高厚比，按向前的几何计算方法(见图6.3-3)，可计算给定入射角时穿过百页未被遮挡光束的照度。图6.3-3直射-直射透过率对于任何波长，倾角的直射-直射的透过率：遮阳百叶透空的部分没有反射：直射一散射的透过率和反射率：对给定入射角，计算遮阳装置中直接为所辐射的部分k(见图6.3-4)。图6.3-4遮阳装置中受到直射辐射的部分在入射辐射J0和直接受到辐射部分k之间的角系数为：和内、外环境之间视角系数为0：和解下列公式可得到直射-散射的透过率和反射率：吸收率：辐射中没有被透过和反射的部分被吸收到遮阳板件中，对每个波长段：6.4遮阳帘与门窗或幕墙系统组合的简化计算计算遮阳帘一类的遮阳装置按类型可分为匀质幕帘和百叶幕帘，可统一用太阳辐射透射比和反射比，以及可见光透射比和反射比表示。这些计算采用欧洲的标准prEN 13363-1。e,B遮阳帘太阳能透射比e,B遮阳帘室外侧太阳能反射比e,B遮阳帘室内侧太阳能反射比v,B遮阳帘可见光透射比v,B遮阳帘室外侧光反射比v,B遮阳帘室内侧光反射比在遮阳装置置于窗或幕墙室外侧的情况下，太阳能总透射比gtotal采用下式计算：在遮阳装置置于窗或幕墙室内侧的情况下，太阳能总透射比gtotal采用下式计算：对于遮阳帘中置于两玻璃板之间的情形，太阳能总透射比gtotal应采用下式计算：对内遮阳和外遮阳帘，可用下列公式确定可见光总透射比：对内遮阳和外遮阳帘，可用下式确定总太阳能直接透射比：6.5遮阳帘与门窗或幕墙系统组合的详细计算对于遮阳的窗和幕墙，应采用多层玻璃和空气间层的计算方法，对门窗、幕墙进行补充计算。在遮阳帘置于室外侧或室内侧时，计算太阳能总透射比、传热系数、可见光透射比，可将幕墙、门窗等效为一层玻璃处理，遮阳装置作为另一层玻璃处理，采用多层玻璃模型进行计算。在遮阳帘置于中间时，计算太阳能总透射比、传热系数、可见光透射比，可将玻璃、幕墙或门窗作为玻璃层处理，遮阳帘作也为一层玻璃处理，采用多层玻璃模型进行计算。根据遮阳装置的通风情况，计算通风空气间层的热传递。7抗结露性能计算7.1一般约定结露的计算结果不考虑阳光辐射和漏气的影响以及其它热流的影响。门窗、玻璃幕墙所有典型节点均需要进行计算。计算典型节点的温度场采用二维传热计算程序进行计算。计算应该采用认可的软件工具，其中应包括一个复杂的灰色体慢反射模型和玻璃腔体内的对流模型。对于每一个二维断面，内表面的展开边界应该细分为许多小段，且尺寸不大于计算软件程序中使用的网格尺寸，这些分段用来计算段面各个分段长度的温度。同时应该计算每个二维断面的总长度。7.2露点温度的计算水(冰)表面的饱和水蒸汽压可采用下式计算：E0-空气温度为0时的饱和水蒸汽压，取E0=6.11 hPa t-空气温度，