建筑工程管理建筑幕墙热工计算.docx
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建筑工程管理建筑幕墙热工计算
第三章建筑门窗玻璃幕墙热工计算
一、整樘窗热工性能计算
窗由多个部分组成，窗框、玻璃（或其它面板）等部分的光学性能和传热特性各不一样，在计算整窗的传热系数、遮阳系数以及可见光透射比时，应采用各部分的相应数值按面积进行加权平均计算。
窗玻璃（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（ψ）表达，简称“线传热系数”，应按照本章“框的传热计算”进行计算。
窗框的传热系数、太阳能总透射比按照本章“框的传热计算”进行计算。
窗玻璃的传热系数、太阳能总透射比、可见光透射比按照本章“玻璃光学热工性能计算”进行计算。
（一）整樘窗几何描述
整樘窗应根据框截面的不同对窗框进行分类，每个不同类型窗框截面均应计算框传热系数、线传热系数。
不同类型窗框相交部分的传热系数可采用邻近框中较高的传热系数代替。
1、窗面积划分
窗在进行热工计算时应按图3-1进行面积划分：
（1）窗框的投影面积Af：
从室内、外两侧分别投影，得到的可视框投影面积中的较大值，简称“窗框面积”；
（2）玻璃的投影面积Ag（或其它镶嵌板的投影面积Ap）：
指从室内、外侧可见玻璃（或其它镶嵌板）边缘围合面积的较小值，简称“玻璃面积”；
（3）整樘窗的总投影面积At：
窗框面积Af与窗玻璃面积Ag（或其它镶嵌板的面积Ap）之和，简称“窗面积”。
2、窗玻璃区域周长划分
玻璃和框结合处的线传热系数对应的边缘长度lψ应为框与玻璃室内、外接缝长度的较大值，见图3-2所示。
（二）整樘窗传热系数计算
整樘窗的传热系数Ut采用下式计算：
（3-1）
式中：
Ut——整樘窗的传热系数［W/（m2·K）］；
Ag——窗玻璃（或者其它镶嵌板）面积（m2）；
Af——窗框面积（m2）；
At——整樘窗面积（m2）；
lψ——玻璃区域（或者其它镶嵌板区域）的边缘长度（m）；
Ug——窗玻璃（或者其它镶嵌板）的传热系数［W/（m2·K）］，按本章“玻璃光学热工性能计算”计算；
Uf——窗框的传热系数［W/（m2·K）］，按本章“框的传热计算”计算；
ψ——窗框和窗玻璃（或者其它镶嵌板）之间的线传热系数［W/（m2·K）］，按本章“框的传热计算”计算。
（三）整樘窗遮阳系数计算
整樘窗的遮阳系数是指：
在给定条件下，外窗的太阳能总透射比与相同条件下相同面积的标准玻璃（3mm厚透明玻璃）的太阳能总透射比的比值。
整樘窗的遮阳系数SC应采用下式计算：
（3-2）
式中：
SC——整樘窗的遮阳系数；
gt——整樘窗的太阳能总透射比。
上式中整樘窗的太阳能总透射比gt应采用下式计算：
（3-3）
式中：
gt——整樘窗的太阳能总透射比；
Ag——窗玻璃（或者其它镶嵌板）面积（m2）；
Af——窗框面积（m2）；
gg——窗玻璃区域（或者其它镶嵌板）太阳能总透射比，按本章“玻璃光学热工性能计算”进行计算；
gf——窗框太阳能总透射比；
At——整樘窗面积（m2）。
（四）整樘窗可见光透射比计算
整樘窗的可见光透射比是指：
采用人眼视见函数进行加权，标准光源透过门窗成为室内的可见光通量与投射到门窗上的可见光通量的比值。
整樘窗的可见光透射比应采用下式计算：
（3-4）
式中：
τt——整樘窗的可见光透射比；
τv——窗玻璃（或者其它镶嵌板）的可见光透射比，按本章“玻璃光学热工性能计算”进行计算；
Ag——窗玻璃（或者其它镶嵌板）面积（m2）；
At——整樘窗面积（m2）。
二、玻璃光学热工性能计算
（一）单层玻璃的光学热工性能计算
1、单层玻璃（包括其它透明材料，下同）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300nm～2500nm波长范围，不同波长段的间隔应满足如下间隔要求：
（1）波长300～400nm，间隔不超过5nm；
（2）波长400～1000nm，间隔不超过10nm；
（3）波长1000～2500nm，间隔不超过50nm。
2、单片玻璃的可见光透射比τV应按下式计算：
（3-5）
式中：
D（λ）λ——光源D65的相对光谱功率分布，见附录A；
τ（λ）——玻璃透射比的光谱；
V（λ）——人眼的视见函数，见附录A。
3、单片玻璃的可见光反射比ρV应按下式计算：
（3-6）
式中：
ρ（λ）——玻璃反射比的光谱。
4、单片玻璃的太阳能直接透射比τS应按下式计算：
（3-7）
式中：
τ（λ）——玻璃透射比的光谱；
S（λ）——标准太阳光谱，见附录A。
5、单片玻璃的太阳能直接反射比ρS应按下式计算：
（3-8）
式中：
ρ（λ）——玻璃反射比的光谱。
6、单片玻璃的太阳能总透射比，按照下式计算：
（3-9）
式中：
hin——玻璃室内表面换热系数；
hout——玻璃室外表面换热系数；
As——单片玻璃的太阳辐射吸收系数。
单片玻璃的太阳辐射吸收系数As应按下式计算：
（3-10）
式中：
τs——单片玻璃的太阳能直接透射比；
ρs——单片玻璃的太阳能直接反射比。
7、单片玻璃的遮阳系数SCcg应按下式计算：
（3-11）
（二）多层玻璃的光学热工性能计算
1、太阳光透过多层玻璃系统可归纳为图3-3所示模型。
图中表示一个具有n层玻璃的系统，系统分为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。
对波长λ，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，角标“+”和“-”分别表示辐射流向室外和向室内，如图3-4所示。
可设定室外只有太阳辐射，室外和室内环境的反射率为零。
当i=1时：
（3-12）
（3-13）
当i=n+1时：
（3-14）
（3-15）
当i=2～n时：
i＝2至n（3-16）
i＝2至n（3-17）
应利用解线性方程组的方法计算所有各个气体层的I-i（λ）和I+i（λ）值，传向室内的直接透射比应由下式计算：
（3-18）
反射到室外的直接反射比应由下式计算：
（3-19）
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（λ）表示，采用下式计算：
（3-20）
2、对整个太阳光谱进行数值积分，得到第i层玻璃吸收的太阳辐射热流密度Si。
（3-21）
（3-22）
式中：
——太阳辐射照射到玻璃系统时第i层玻璃的吸收率。
3、多层玻璃的可见光透射比的计算应采用式（3-5）计算，可见光反射比的计算应采用式（3-6）计算。
4、多层玻璃的太阳能直接透射比应采用式（3-7）计算，太阳能直接反射比应采用式（3-8）计算。
（三）玻璃气体间层的热传递
1、玻璃间气体层的能量平衡如图3-5所示，可用基本的关系式表达如下：
（3-23）
式中：
Tf,i——第i层玻璃前表面温度（K）；
Tb,i-1——第i-1层玻璃后表面温度（K）；
Jf,i——第i层玻璃前表面辐射热（W/m2）；
Jb,i-1——第i-1层玻璃后表面辐射热（W/m2）；
在每一层气体间层中，应采用以下方程：
（3-24）
（3-25）
（3-26）
（3-27）
式中：
tg,i——第i层玻璃的厚度；
εb,i——第i层后表面半球发射率；
εf,i——第i层前表面半球发射率；
λg,i——第i层玻璃的导热系数（W/m•K）。
在计算传热系数时，应令太阳辐射IS=0，在每层材料均为玻璃的系统中可采用如下热平衡方程计算气体间层的传热：
（3-28）
式中：
hr,i——第i层气体层的辐射换热系数，由（3-43）式给出。
2、玻璃层间气体间层的对流换热系数可由无量纲的努谢尔特数确定：
（3-29）
式中：
dg,i——玻璃间层气体间层i的厚度；
λg,i——所充气体的导热系数；
Nui——通过倾斜气体间层传热的实验结果所计算的值，Nui为雷利数Raj、气体间层高厚比和空腔倾角θ的函数。
注：
在计算高厚比大的空腔时应考虑玻璃会发生弯曲现象对厚度的增加和减少，发生弯曲的原因包括：
空腔平均温度、空气湿度含量的变化、干燥剂对氮气的吸收、充氮气过程中由于海拔高度和天气变化造成压力的改变等因素。
3、玻璃层间气体间层的雷利数（Rayleigh）可表示为：
（3-30）
可将填充气体作理想气体处理，气体热膨胀系数为：
（3-31）
式中：
——填充气体的平均温度（K）。
第层气体间层的高厚比为：
（3-32）
式中：
H——气体间层顶到底的距离，通常应和窗的透光区高度相同。
4、在定量计算通过玻璃气体间层的对流热传递时，计算应对应于特定的倾角θ值或范围。
对于倾角θ，以下计算假设空腔从室内加热（即Tf,i＞Tb,i-1）；若实际上室外温度高于室内（Tf,i＜Tb,i-1），则要将倾角以180°-θ代替θ。
空腔的努谢尔特数Nui应由以下计算公式确定：
（1）气体间层倾角0≤θ＜60°
且（3-33）
式中：
。
（2）气体间层倾角θ=60°
（3-34）
式中：
（3）气体间层倾角60°＜θ＜90°
对于倾角在之间的气体间层，对式（3-34）和（3-35）?
?
的结果之间作线性插值。
这些公式在且范围内是有效的。
（4）垂直气体间层
（3-35）
5×104104Ra≤104
（5）气体间层倾角90°到180°
面向下的气体间层应用下式公式：
（3-36）
式中：
——由式（3-35）给出的垂直气体间层的努谢尔特数。
5、填充气体的密度应用理想气体定律计算：
（3-37）
式中：
P——气体压力，标准状态下P=101300Pa；
ρ——气体密度（kg/m3）；
Tm——气体的温度，标准状态下Tm=293K；
——气体常数［J/（kmol·K）］。
定压比热容cp、运动粘度μ、导热系数λ是温度的线性函数，应采用附录B？
？
给出的公式和气体的相关系数计算。
6、混合气体的密度、导热系数、粘度和比热容是各成分相应性质的函数：
（1）摩尔质量
（3-38）
式中：
是混合气体中某一气体成分的摩尔数。
（2）密度
（3-39）
（3）比热容
（3-40）
式中：
（4）粘度
（3-41）
式中：
（5）导热系数
（3-42）
式中：
——单原子气体的导热系数
——多原子气体由于内能的散发所产生的附加能量运动。
应按以下步骤求取：
①计算：
②计算：
式中：
——第层填充气体的导热系数。
③用计算
④用计算
⑤
7、远红外辐射透射比为“0”的玻璃（或其它板材），气体间层两侧玻璃的辐射换热系数hr可采用下式计算：
（3-43）
式中：
σ——斯蒂芬-波尔兹曼常数；
ε1、ε2——气体间层中的两个玻璃表面在平均绝对温度Tm下的半球发射率；
Tm——气体间层中两个表面的平均绝对温度（K）。
（四）玻璃系统的热工参数计算
1、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。
（3-44）
计算传热系数时应设定没有太阳辐射：
（3-45）
式中：
（Is=0）——没有计算太阳辐射热作用，通过门窗传向室内的净热流（W/m2）；
——室外环境温度；
——室内环境温度。
玻璃的总传热阻Rt应为各层玻璃、气体间层、内外表面换热阻之和：
（3-46）
式中：
Rg,i——第i层玻璃的固体热阻，由下式计算：
（3-47）
第一层气体间层为室外，最后一层气体间层（n+1）为室内，第i层气体间层的热阻为：
（3-48）
式中：
、——第i层气体间层的外表面和内表面温度；
qi——第i层气体间层的热流密度，根据本章中“玻璃气体间层的热传递”部分的规定算出。
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，采用下式计算：
（3-49）
式中：
和应根据相应的边界条件计算确定。
2、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：
（3-50）
式中：
Rg,i——第i层玻璃的固体热阻；
Rg,k——第k层玻璃的固体热阻；
Rk——第k层气体间层的热阻。
各层玻璃向室内的二次传热用下式计算：
（3-51）
玻璃系统的太阳能总透射比应按下式计算：
（3-52）
玻璃系统的遮阳系数按式（3-11）计算。
三、框的传热计算
框的传热计算可采用Therm5.0进行计算。
Therm5.0是一个专门针对窗框计算的二维有限元传热计算软件，有窗框计算的各种材料库和环境库，应用前应将我国的标准计算条件输入“边界条件库”，材料参数输入到“材料库”中。
采用Therm5.0进行窗框节点模拟计算时，应遵循以下原则：
（1）常用材料的物理性能参数按表3-1确定；
（2）各种材料外轮廓线可用折线近似代替实际的曲线，且应避免出现小于45度的锐角；
（3）一般型材空腔内表面的小凹槽与小凸起可适当简化，但跨越玻璃（或其它镶板）室内外型材的小凹槽与小凸起不可做简化；
（4）一般可不考虑窗锁、窗执手及固定螺栓、螺钉的热桥影响，但如果锁跨越玻璃两侧，且截面积比较大时，应考虑热桥影响；
（5）隔热型材的隔热材料（如隔热条、填充的发泡剂等）的尺寸必须与实际完全相符，不可做简化；
（6）各种材料的搭接应完全，不可出现缺口，尤其是隔热材料、密封材料与窗型材之间；
（7）铝合金扣板与其它型材的接触应为线接触（在二维计算中为点接触），所以接触处的长度不可做简化和修改；各类密封胶条、密封胶与型材之间应为面接触；
（8）封闭空腔内填充材料类型应选择“FrameCavityNFRC100-2001”。
（一）材料物理性能参数
1、常用材料的导热系数
固体材料的相关参数选用表3-1中的数据。
表3-1常用材料的导热系数
用途
材料
密度（kg/m3）
导热系数（W/mK）
窗框
铜
8900
380
铝（铝合金）
2800
160
黄铜
8400
120
铁
7800
50
不锈钢
7900
17
建筑钢材
7850
58.2
PVC
1390
0.17
硬木
700
0.18
软木（常用于建筑构件中）
500
0.13
玻璃钢（UP树脂）
1900
0.40
透明材料
建筑玻璃
2500
1.0
PMMA（有机玻璃）
1180
0.18
聚碳酸脂
1200
0.20
隔热
聚冼氨（尼龙）
1150
0.25
尼龙66+25%玻璃纤维
1450
0.30
高密度聚乙烯HD
980
0.50
低密度聚乙烯LD
920
0.33
固体聚丙烯
910
0.22
带有25%玻璃纤维的聚丙烯
1200
0.25
PU（聚亚氨脂树脂）
1200
0.25
刚性PVC
1390
0.17
防水
氯丁橡胶（PCP）
1240
0.23
密封条
EPDM（三元乙丙）
1150
0.25
纯硅胶
1200
0.35
柔性PVC
1200
0.14
聚酯马海毛
---
0.14
柔性人造橡胶泡末
60～80
0.05
密封剂
PU（刚性聚氨酯）
1200
0.25
固体/热融异丁烯
1200
0.24
聚硫胶
1700
0.40
纯硅胶
1200
0.35
聚异丁烯
930
0.20
聚脂树脂
1400
0.19
硅胶（干燥剂）
720
0.13
分子筛
650～750
0.10
低密度硅胶泡沫
750
0.12
中密度硅胶泡沫
820
0.17
2、固体材料的表面发射率值
对远红外线不透明镀膜表面的标准发射率εn应在接近正入射状况下利用红外谱仪测出其谱线的反射曲线，并应按照下列步骤计算出来：
（1）按照表3-2给出的30个波长值，测定相应的反射系数Rn（λi）曲线，取其数学平均值，得到283K温度下的常规反射系数。
（3-53）
（2）在283K温度下的标准发射率按下式计算：
（3-54）
表3-2用于测定283K下标准反射率Rn的波长（单位；μm）
序号
波长
序号
波长
1
5.5
16
14.8
2
6.7
17
15.6
3
7.4
18
16.3
4
8.1
19
17.2
5
8.6
20
18.1
6
9.2
21
19.2
7
9.7
22
20.3
8
10.2
23
21.7
9
10.7
24
23.3
10
11.3
25
25.2
11
11.8
26
27.7
12
12.4
27
30.9
13
12.9
28
35.7
14
13.5
29
43.9
15
14.2
30
50.0
3）校正发射率ε的确定：
用表3-3给出的系数乘以标准发射率εn即得出校正发射率ε。
表3-3校正发射率与标准发射率之间的关系εn
标准发射率εn
系数ε/εn
0.03
1.22
0.05
1.18
0.1
1.14
0.2
1.10
0.3
1.06
0.4
1.03
0.5
1.00
0.6
0.98
0.7
0.96
0.8
0.95
0.89
0.94
注：
其它值可以通过线性插值或外推获得。
（二）门窗截面类型划分
为了使得计算更加简便，在两条框相交处的传热不作三维传热现象考虑，简化为其中的一条框来处理，且忽略建筑与窗框的热桥效应，窗框与墙相接边界应做绝热处理。
如图3-6所示的窗，应计算1-1、2-2、3-3、4-4、5-5、6-6六个框段的框传热系数和对应的框和玻璃接缝线传热系数。
两条框相交部分简化为其中的一条框来处理。
计算1-1、2-2、4-4截面的二维传热时，与墙面相接的边界作为绝热边界处理。
计算3-3、5-5、6-6截面的二维传热时，与相邻框相接的边界作为绝热边界处理。
图3-6平开窗的几何分段图3-7推拉窗几何分段
如图3-7所示的推拉窗，应计算1-1、2-2、3-3、4-4、5-5五个框的框传热系数和对应的框和玻璃接缝线传热系数。
两扇窗框叠加部分5-5作为一个截面进行计算。
一个框两边均有玻璃的情况，可以分别附加框两边的附加线传热系数。
如图3-8所示窗框两边均有玻璃，框的传热系数为框两侧均镶嵌保温材料[导热系数λ=0.03W/（m·K）]时的传热系数，框1-1和2-2的宽度可以分别是框宽度的1/2。
框1-1和2-2的附加线传热系数可分别将其换成玻璃进行计算。
如果对称，则两边的附加线传热系数应该是相同的。
（三）框的传热系数和线传热系数
在图3-6？
？
所示的框截面中，用一块导热系数λ=0.03W/（m·K）的板材替代实际的玻璃（或其它镶嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照实际尺寸，可见板宽应不小于190mm。
按照本章“计算边界条件”规定的室内外标准计算条件下，用Therm5.0软件进行模拟计算，可以得出框的传热系数Uf。
（四）线传热系数
框与玻璃系统（或其它镶嵌板）接缝的线传热系数ψ的计算应按照下述方法进行：
在图3-9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λ=0.03W/（m·K）的板材。
所得到的计算模型如图3-10所示。
在室内外标准计算条件下，用Therm软件进行模拟计算，可以得出玻璃边缘区域的传热系数Ueg、宽度beg，框的传热系数Uf’，则线传热系数ψ可按下式计算：
（3-55）
（五）热桥
门窗内的热桥可采用下列原则判断是否需要考虑热桥影响：
（1）若Fb≤1%，忽略热桥影响，如用于固定锁点等相关配件的螺钉；
（2）若1%＜Fb≤5%，且λb＞10•λn，使用上述计算方法；
（3）若Fb＞5%，必须使用上述计算方法。
可按下式计算热桥部位（例如螺栓、螺钉等部位）固体的当量导热系数。
（3-56）
式中：
S——热桥元件的面积（例如螺栓的面积）（m2）；
Ad——热桥元件的间距范围内材料的总面积（m2）；
——热桥材料导热系数[W/（m·K）]；
——无热桥材料时材料的导热系数[W/（m·K）]。
（六）敞口的空腔、槽的传热
1、小断面的沟槽
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空腔来处理（图3-11）。
在使用Therm5.0软件模拟计算窗框节点时，将此类沟槽与缝隙封闭起来，填充类型应选择“FrameCavitySlightlyVentilatedNFRC100-2001”。
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。
在使用Therm5.0软件模拟计算窗框节点时，将此类沟槽与缝隙封闭起来，填充类型应选择“FrameCavityNFRC100-2001”。
2、大断面的沟槽
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的空腔应作为通风良好的空腔来处理（图3-12）。
通风良好的空腔应将其整个表面视为暴露于外界环境中，表面换热系数hin和hout应按本章“计算边界条件”的规定确定。
（七）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：
（3-57）
式中：
；
αf——框表面太阳辐射吸收系数；
Uf——框的传热系数[W/（m2·K）]；
Asurf——框的外表面面积（m2）；
Af——框面积（m2）。
四、遮阳系统计算
（一）一般规定
1、遮阳系统计算仅适用于平行或近似平行于玻璃面的平板型遮阳装置。
2、遮阳可分为三种基本形式计算：
（1）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。
（2）外遮阳：
平行于玻璃面，位于玻璃系统的室外侧，与窗玻璃有紧密的热光接触。
（3）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处理。
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、反射和透过太阳辐射。
3、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，计算时应确定遮阳装置的光学性能、传热系数，并应依据遮阳装置材料的光学性能、几何形状和部位进行计算。
4、在计算门窗、幕墙的热工性能时，应该考虑窗和幕墙系统加入遮阳装置后导致的窗和幕墙系统的传热系数、遮阳系数、可见光透射比计算公式的改变。
（二）光学性能
1、在评价光学性能时，可按下列规定进行近似考虑：
被遮阳装置反射的或通过遮阳装置传入室内的太阳辐射分为未受干扰部分（镜面透过和反射）和散射部分，其中散射部分可近似于各向漫射。
2、应该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-直射的透过率；
直射-散射的透过率；
散射-散射的透过率；
直射-直射的反射率；
直射-散射的反射率；
散射-散射的反射率。
3、对于吸收，应表示成如下形式：
（3-58）
（3-59）
（三）遮阳百页的光学性能计算
1、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，应通过测试或计算得到所有玻璃、薄膜和遮阳层的光学参数值。
2、计算由平行板条构成
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