基于LBNL系列軟件的建筑外窗熱工性能分析與數值模擬

中國幕墻網 2016年會論文集系列 未經許可不得轉載　違者必究

　　1 概述

　　建筑外窗熱工性能獲取方法有兩種：試驗測試和數值模擬計算，兩者具有不可替代的地位，也互為補充。數值模擬計算具有不受時間地點和環境的限制、花費小等優點。外窗概念設計和初步設計階段采用數值模擬計算對外窗熱工性能進行預測和優化，將大大節約研發成本，縮短研發周期。近來系統門窗的興起[1]以及建筑門窗節能性能標識的大力推廣[2]，凸顯了基于數值模擬計算的外窗熱工性能評估的重要意義。因此采用數值計算的方法來準確分析和預測外窗的熱工性能顯得十分必要。

　　歐美國家經過數十年發展，外窗熱工性能數值模擬計算的理論體系與技術手段相對健全，包括(1)美國國家門窗等級評定委員會(National Fenestration Rating Council，NFRC)標準體系及勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)開發的Optics、THERM和WINDOW系列配套軟件，(2)歐洲ISO標準體系及

　　BISCO等系列配套軟件。LBNL系列軟件由于權威性和免費使用，在國內有較大的用戶群體，歐洲軟件需付費加之側重窗框型材（詞條“型材”由行業大百科提供）的分析，使用用戶較少。我國于2009年5月頒布了第一部門窗幕墻熱工性能數值模擬計算規程JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》(以下簡稱為我國規程)。廣東省建筑科學研究院研發配套數值模擬計算軟件粵建科MQMC“建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件”，目前該軟件存在網格劃分質量和自適應性差等不足，現仍在不斷發展和完善中。一套免費、操作方便、可靠性有保證的數值計算軟件，正是當前研究的重點。

　　外窗的熱工性能數值模擬計算包括傳熱系數和遮陽系數的計算。本文分別從傳熱系數和遮陽系數兩方面入手，梳理國內外外窗熱工計算規程的異同，說明不同軟件間的隔閡來源于規范的差別。在此基礎上，結合LNBL免費軟件提出滿足我國規程的外窗熱工性能數值模擬計算流程。該流程可供外窗研發人員及研究者參考。

　　2 傳熱系數

　　傳熱系數為外窗內外兩側環境溫度差為1℃時，通過單位面積的熱量，代表外窗阻止熱量損失的能力，數值越低，外窗的保溫性能越好。我國規程與美國NFRC標準體系所采用的傳熱系數計算方法和邊界條件上都有差異。我國規程與歐洲ISO標準體系采用的傳熱系數計算方法相同，但邊界條件間存在一定差異。以下從計算方法和邊界條件兩方面分別論述。

　　歐洲ISO標準體系和我國規程采用玻璃邊緣線傳熱理論計算整窗的傳熱系數，公式為：

　　式中U_t、U_g、U_fr分別為整窗、玻璃和窗框傳熱系數，A_g、A_f、A_t分別為玻璃、窗框和整窗面積， 為玻璃邊緣長度，ψ窗框與窗玻璃間的線傳熱系數。美國NFRC標準體系中，整窗傳熱系數計算方法采用玻璃邊緣區域理論，公式為：

　　式中U_e、U_fr分別為玻璃邊緣區域和窗框傳熱系數，A_gc為玻璃中心區域面積，A_e為玻璃邊緣區域面積，其他符號含義與式(1)相同。

　　式(1)和式(2)中，玻璃系統的傳熱系數由一維熱傳導模型計算得到，框部分的傳熱系數則由二維熱傳導模型計算得到。對比式(1)和式(2)可知，兩種計算方法主要的差異是玻璃邊緣處傳熱計算方法的不同。歐洲ISO標準體系和我國規程計算玻璃邊緣區域傳熱時候都采用線傳熱系數計算理論，北美NFRC標準體系則采用玻璃邊緣區域計算理論。另外式(1)中窗框傳熱系數計算時需要用一塊絕熱板代替玻璃系統，我國規程中絕熱板長度為200mm，導熱系數為0.3W/(m∙K)，而歐洲ISO標準體系中絕熱板長度為190mm，導熱（詞條“導熱”由行業大百科提供）系數為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)計算結果間差異可以忽略不計，這與楊仕超等[3]的結論相同。

　　采用一維熱傳導模型計算玻璃系統傳熱系數時，軟件所需的邊界條件為室內外溫度。采用二維熱傳導模型計算窗框傳熱系數時，軟件所需的邊界條件為室內外溫度、室內外對流換熱系數和太陽輻射照度。表1中給出了中美歐三種標準中計算邊界條件。

　　各國的氣候條件不同，造成表1中不同標準的邊界條件間存在明顯差異，帶來了不同國家外窗產品構造和用材間巨大的不同。相同的外窗產品，依據不同標準計算得到的傳熱系數明顯不一致。美國NFRC標準體系計算出的結果通常大于歐洲ISO標準體系和計算的結果。歐洲ISO標準體系與我國規程的計算方法和邊界條件間基本一致，計算得到的傳熱系數間差異應較小。因此，我國規程計算得到的傳熱系數小于美國NFRC標準體系的計算結果。

　　3 遮陽系數

　　遮陽系數為在給定條件下，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，其數值越低，代表外窗的隔熱性能越好。我國規程與歐洲ISO標準體系都采用遮陽系數，美國NFRC標準體系參與太陽光總透射比(也稱為太陽得熱系數（詞條“太陽得熱系數”由行業大百科提供）)代表外窗的隔熱性能。遮陽系數來源于太陽光總透射比。我國建筑節能設計的標準中主要依據遮陽系數值作為節能設計指標，因此該系數更多的應用于描述我國產品的隔熱效果。我國規程與美國NFRC標準體系所采用的太陽總透射比計算方法和邊界條件上存在一定差異。我國規程與歐洲ISO標準體系采用的遮陽系數計算方法相同，但邊界條件間存在一定差異。以下從計算方法和邊界條件兩方面分別論述。

　　歐洲ISO標準體系和我國規程中遮陽系數計算公式如下：

　　式中SC為遮陽系數，gt為太陽光總透射比。歐洲ISO標準體系和我國規程中太陽光總透射比計算公式如下：

　　式中gg、gf分別為玻璃和窗框的太陽光總透射比，其余符號含義與式(1)相同。美國NFRC標準體系中太陽光總透射比的計算公式如下：

上一頁12下一頁