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幕墙门窗热工参数的计算
作者: 黑玫瑰 点击率: 2116

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Ⅱ级（≤3.0），寒冷地区外窗保温性能不应低于Ⅲ级（≤4.0），其它地区外窗保温性能不应低于Ⅳ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(λ)：标准太阳辐射光谱函数（ISO 9845-1）；
　　D(λ)：标准光源光谱函数（CIE D65，ISO 10526）；
　　R(λ)：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θ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：