建筑门窗幕墙热工计算标准体系的研究

建筑门窗幕墙热工计算标准体系的研究
摘要：对目前建筑行业门窗和幕墙在热工节能体系方面进行了分析研究，并且将国内外的计算体系进行了比对，重点阐释了国内标准体系中各项参数的确定及其对结果的影响。

关键词：传热系数；遮阳系数；热工性能；NFRC；ISO
从20世纪80年代初，我国建筑节能工作逐步开始了，从最30%的节能目标，到50%，直到现在的70%，但是建筑门窗、幕墙仍是目前建筑维护结构节能的薄弱环节，一直是建筑中最受关注的重点。

我国幅员辽阔，南北方、东西部地区气候差异很大，在确定建筑门窗和幕墙热工性能指标时，必须从地区的气候条件等因素，科学合理，切合实际地确定窗和幕墙的热工技术参数。

从最初的实验室测试，到简单的计算，已经满足不了目前实际工程的需要。

而在发达国家，计算机模拟计算评价门窗幕墙节能性能，已经形成了较为完善的标准体系。

我国近年来也颁布了相关行业标准，在玻璃光学热工性能计算、框传热二维有限元分析计算、门窗幕墙热工计算等均有了完善的标准体系。

在欧美等国家，幕墙门窗热工性能计算机模拟计算已经广泛应用。

目前国外主要有两个标准体系，ISO(EN)标准体系和美国的NFRC标准体系。

我国在研究总结发达国家相关技术标准的基础上，结合我国的实际情况，2009年实施颁布了《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T151-2008），针对以下内容都给出了相应的计算方法：
1、玻璃光学热工性能计算；
2、框传热系数；
3、门窗幕墙热工性能计算；
4、结露性能评价计算；
5、遮阳系统计算；
6、通风空气间层传热计算；
7、计算边界条件。

一、国内外门窗幕墙热工性能计算标准体系对比
1、计算边界条件
计算边界条件主要取决于不同地区气象与气候参数，是门窗幕墙热工计算的基础，对门窗幕墙热工性能计算结果有巨大影响。

确定计算的边界条件是计算的
前提，是热工性能设计的前提。

目前在国内外，存在着以下几种典型的边界条件：1）ISO(EN)标准体系
冬季计算边界条件：
室内空气温度Tin=20℃
室外空气温度Tout=0℃
室内对流换热系数hin=3.6/（m2·K）
室外对流换热系数hout=20/（m2·K）
太阳辐射照度I=300W/m2
夏季计算边界条件：
室内空气温度Tin=25℃
室外空气温度Tout=30℃
室内对流换热系数hin=2.5/（m2·K）
室外对流换热系数hout=8/（m2·K）
太阳辐射照度I=500W/m2
2）NFRC标准体系
冬季计算边界条件：
室内空气温度Tin=21℃
室外空气温度Tout=-18℃
室外对流换热系数hout=26/（m2·K）
太阳辐射照度I=0W/m2
夏季计算边界条件：
室内空气温度Tin=24℃
室外空气温度Tout=32℃
室外对流换热系数hout=15/（m2·K）
太阳辐射照度I=783W/m2
3）我国标准体系JGJ/T151
冬季计算边界条件：
室内空气温度Tin=20℃
室外空气温度Tout=-20℃
室内对流换热系数hin=3.6/（m2·K）
室外对流换热系数hout=16/（m2·K）
太阳辐射照度I=300W/m2
夏季计算边界条件：
室内空气温度Tin=25℃
室外空气温度Tout=30℃
室内对流换热系数hin=2.5/（m2·K）
室外对流换热系数hout=16/（m2·K）
太阳辐射照度I=500W/m2
由此可知，我国定义的边界条件主要采用ISO标准，与其基本一致，主要室内外温度及对流换热系数和太阳辐射照度都一致。

各个标准体系规定的室内空气温度差别不大，这主要是因为建筑室内的设计温度一般和实际环境比较接近。

这也是各个标准主要不同之处，由于地理环境的影响，直接影响边界参数的确定。

在JGJ/T151确定的室外对流换热系数与ISO标准差别较大，一方面是由于我国的地理环境，我国所处气候区域与欧洲有差别，另外一方面也是考虑了我国相关规范标准，与相关标准（《民用建筑热工设计规范》、《建筑门窗保温性能检测与分级标准》等）互相协调，符合我国国情，与实际情况相适应。

2、框传热计算
门窗与幕墙中间可视部分，以玻璃为例，可以基本等效成二维稳态传热，但
是遇到门窗和幕墙的框的部分，传热比较复杂，尤其是玻璃嵌入的部分，形状复杂，材料多样，而且在其间分布各种间隙空腔，同时存在着传导、对流和辐射等多种传热方式。

一般我们可以近似把框的传热近似看作二维传热，这与ISO(EN)采用了相同的方法。

而NFRC标准则采用ISO15099的代替方法——玻璃边缘区域计算理论。

3、门窗幕墙热工性能计算
由于各标准体系采用的框传热计算理论的差别，也必然导致整体热工计算的最后结果不同。

但是，各个标准都是采用了面积加权的方式，去处理框的传热系数、可视部分传热系数和非可视部分传热系数，最终求得整樘窗的传热系数。

二、我国窗及幕墙热工参数的确定
针对不同地区，不同气候条件，在确定门窗和幕墙性热工性能指标时，必须从我国目前气候条件出发，合理科学的确定床和幕墙热工技术指标。

1、外窗和透明幕墙门窗热工指标的确定
由于以玻璃为主要透明的透明幕墙门窗有着许多显而易见的优点：自重轻、采光效果好，而且可以通过不同的颜色，体现出设计师的设计意图，因此很多建筑都大量的玻璃门窗和幕墙。

但是，玻璃门窗和幕墙的能耗也非常大，因此幕墙门窗维护结构的保温性能是亟需解决的问题。

为了节能，必须对其热工性能有明确的规范要求。

对于热工性能采用面积加权的原则，通过保温性能比较好的层间等非可视部位折减可视部分的性能。

对于热工性能，无非从两个方面来实现，首先是冬季通过太阳得热来减少建筑能耗，其次，是屏蔽夏季的热源。

因此减小门窗幕墙的传热系数可以控制温差传热，可以有效降低窗的热损失，减小太阳辐射可以降低制冷能耗。

所以，应该针对不同经纬度太阳高度角的变化，控制各地的热工参数。

我过将地区按照太阳辐射的变化，分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区。

在北方以冬季保暖为主，兼顾夏季遮阳，而在南方则以夏季遮阳为主，兼顾冬季保暖。

通过严格控制各地区幕墙传热系数，以达到节能目标的实现。

除此之外，还应该对遮阳系数、可见光透射比等参数进行把控。

遮阳系数SC是指在法向入射条件下，通过玻璃等透明材料的太阳辐射得热率，与相同条件下的标准玻璃(3mm玻璃)的太阳辐射得热率之比。

降低透明材料的遮阳系数可以有效减少进入室内的太阳辐射得热，但是如果遮阳系数过低，不利于建筑冬季供暖。

典型的做法就是通过遮阳条控制遮阳系数，而且可以随着季节的更替，伴随太阳高度角的变化，有效的控制室内得热量的变化，既保证了冬季保温的热量，又有效防止了夏天过多热量进入室内，达到夏季遮阳为主，冬季保暖为主的经济模式。

在可见光透射比方面，一般通过对玻璃镀膜来实现。

不同镀膜的可见光透射比是不同的，可见光透射比过小，容易造成室内采光不足。

在日照率比较低的地区，室内照明在一定程度上会增加能耗的浪费。

因此对可见光透射比也应做出各地区相应的规定。

建筑的节能不应该只是停留在建设成本的层面上来研究，还
应该考虑在运营期间以及整个寿命期内的能量浪费。

2、非透明幕墙门窗热工指标的确定
对于非透明幕墙，一般有金属幕墙、石材幕墙、GRC板幕墙及铝塑复合板幕墙等常规非透明幕墙形式。

从热工性能方面去考虑，非透明幕墙没有采光的要求，并且可以在其后方做保温隔热措施，可以有效实现对主体结构的保温连续，有效控制相关热桥现象，利于室内保温。

参考文献：
[1]刘志海.玻璃幕墙与建筑节能[J].墙材革新与建筑节能，2003（10）.
[2]杨仕超.中外建筑门窗幕墙热工计算标准体系[C]第16届全国铝门窗幕墙行业年会论文集，北京：中国建筑工业出版社，2010：243-252.
[3]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2010.。