中外建筑門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系的研究

馬 揚(yáng)

一、概述

目前，建筑節(jié)能已經(jīng)成為全世界的共識(shí)，建筑門(mén)窗、幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，成為建筑中最受關(guān)注的重點(diǎn)。80年代以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試為我國(guó)獲取建筑門(mén)窗熱工性能的主要手段，而幕墻則一直采用簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)評(píng)價(jià)，這種局面已經(jīng)不能滿足目前產(chǎn)品研發(fā)與實(shí)際工程的需要了。計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算、評(píng)價(jià)門(mén)窗幕墻節(jié)能性能，在歐美等國(guó)家早已經(jīng)廣泛應(yīng)用并得到社會(huì)的認(rèn)可，已經(jīng)形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。我國(guó)歷經(jīng)多年研究，國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工性能計(jì)算規(guī)程》（JGJ/T151-2008）（以下簡(jiǎn)稱“JGJ/T151”）也終于在2009年5月頒布實(shí)施?，F(xiàn)在歐盟、美國(guó)及我國(guó)等國(guó)家在玻璃光學(xué)熱工性能計(jì)算、框傳熱二維有限元分析計(jì)算、門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算等均已經(jīng)有了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和軟件產(chǎn)品。

二、國(guó)外門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系

幕墻、門(mén)窗熱工性能計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，在歐盟、美國(guó)、日本等已廣泛應(yīng)用。目前國(guó)外主要有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系：ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系；美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.ISO （EN） 標(biāo)準(zhǔn)體系

由于ISO在建筑門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)主要引用歐盟 （EN）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，所以本文將ISO和EN標(biāo)準(zhǔn)歸為一類。

ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系是一個(gè)較完整的體系，包含玻璃光學(xué)熱工、框熱工性能、門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算等一系列方法標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 ISO （EN）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

2.美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系

NFRC全稱為 “美國(guó)國(guó)家門(mén)窗等級(jí)評(píng)定委員會(huì)”，是美國(guó)的門(mén)窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)民間組織機(jī)構(gòu)，依據(jù)ISO和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)編制了相應(yīng)的門(mén)窗熱工標(biāo)準(zhǔn)體系，如表2所示。

表2 NFRC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

三、我國(guó)門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系

我國(guó)在研究、總結(jié)歐美國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合我國(guó)的工程標(biāo)準(zhǔn)，由廣東省建筑科學(xué)研究、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等單位編制了國(guó)內(nèi)首本門(mén)窗幕墻熱工性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)——《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》 （JGJ/T 151-2008），并于2009年5月1日起實(shí)施。JGJ/T151對(duì)以下內(nèi)容都給出了相應(yīng)的計(jì)算方法：

1.玻璃光學(xué)熱工性能計(jì)算；

2.框傳熱計(jì)算 （線傳熱系數(shù)法）；

3.門(mén)窗幕墻熱工性能計(jì)算；

4.結(jié)露性能評(píng)價(jià)、計(jì)算；

5.遮陽(yáng)系統(tǒng)計(jì)算；

6.通風(fēng)空氣間層傳熱計(jì)算；

7.計(jì)算邊界條件。

四、國(guó)內(nèi)外門(mén)窗幕墻熱工性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)比

我國(guó)JGJ/T 151和美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系在編制的過(guò)程中都參考和引用了ISO（EN）的計(jì)算方法，但由于各國(guó)工程實(shí)際情況等方面的不同，標(biāo)準(zhǔn)體系之間仍存在不少的差異，這些差異主要包括：計(jì)算邊界條件；玻璃光學(xué)熱工計(jì)算；框的傳熱計(jì)算；門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算。

1.計(jì)算邊界條件

計(jì)算邊界條件主要取決于各地的氣候與氣象參數(shù)，是門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)門(mén)窗幕墻熱工性能計(jì)算結(jié)果有巨大的影響，即使是同一款門(mén)窗幕墻產(chǎn)品，使用不同的計(jì)算邊界條件，都會(huì)得出不同的熱工性能，對(duì)于不同氣候區(qū)的建筑的作用也是完全不同，甚至相反的。

計(jì)算邊界條件包括兩類：標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算邊界條件、工程實(shí)際計(jì)算邊界條件。設(shè)計(jì)或評(píng)價(jià)建筑門(mén)窗、玻璃幕墻定型產(chǎn)品的熱工性能時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件；在進(jìn)行實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的建筑設(shè)計(jì)或節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定工程實(shí)際計(jì)算邊界條件。

所以確定標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算邊界條件是門(mén)窗幕墻產(chǎn)品熱工性能設(shè)計(jì)的前提，各標(biāo)準(zhǔn)體系的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算邊界條件存在著較大的差別，如表3所示。

一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用冬季條件計(jì)算門(mén)窗幕墻的傳熱系數(shù)，采用夏季條件計(jì)算門(mén)窗幕墻的遮陽(yáng)系數(shù)。由表3可以發(fā)現(xiàn)：

表3 計(jì)算邊界條件對(duì)比

（1）我國(guó)基本采用ISO標(biāo)準(zhǔn)體系，定義的邊界條件與ISO標(biāo)準(zhǔn)基本一致，主要是冬、夏季室內(nèi)溫度、夏季室外溫度、室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)、太陽(yáng)輻射照度全部一樣，但美國(guó)NFRC體系存在差異，特別是室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)采用美國(guó)ASHRAE的相關(guān)規(guī)定。

（2）三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)定的室內(nèi)空氣溫度差別不大，這主要是因?yàn)榻ㄖ覂?nèi)的設(shè)計(jì)溫度一般比較接近。

（3）JGJ/T151的室外對(duì)流換熱系數(shù)與ISO標(biāo)準(zhǔn)差別較大，尤其是對(duì)門(mén)窗邊框及邊框附近邊緣（63.5mm以內(nèi)）的室外對(duì)流換熱系數(shù)做了特別規(guī)定，一方面是由于我國(guó)所處氣候區(qū)域與歐洲有差別，另一方面也是考慮為了與我國(guó)其它建筑工程標(biāo)準(zhǔn)，特別是 《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》、 《建筑門(mén)窗保溫性能檢測(cè)與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)調(diào)，更符合我國(guó)的工程實(shí)際情況。

2.玻璃光學(xué)熱工計(jì)算

玻璃是門(mén)窗、幕墻最重要的組成部分，也是門(mén)窗、幕墻熱工性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。由表1、表2可知ISO（EN）、NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系中計(jì)算玻璃光學(xué)熱工性能的標(biāo)準(zhǔn)分別為ISO10599、ISO9050、NFRC 300，其中ISO9050是玻璃光學(xué)性能的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，而ISO10599更為全面，兼顧玻璃光學(xué)和熱工計(jì)算兩方面。美國(guó)的NFRC300與我國(guó)JGJ/T151中的玻璃光學(xué)熱工計(jì)算方法都是以這兩個(gè)ISO標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的。

圖1 玻璃系統(tǒng)傳熱計(jì)算模型

單片玻璃的太陽(yáng)光直接透射比τS應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：τ（λ）——玻璃透射比的光譜；

S（λ）——標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜。

ISO （EN）、NFRC、JGJ/T151計(jì)算玻璃光學(xué)熱工性能所采用的計(jì)算方法基本相同，如公式 （1）所示，均是采用積分和迭代的方法求解，但所引用的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜有較大的差別。ISO9050和JGJ/T151采用ISO9845-1的Table1中第5列標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù) （直射+散射），美國(guó) NFRC300采用ISO9845-1的Table1中第2列標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)（直射）。由于ISO9050和JGJ/T151采用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)包括直射和散射部分，各波段的平均分光照度值均比只有直射部分的第2列標(biāo)準(zhǔn)光譜大，見(jiàn)圖2。這兩列標(biāo)準(zhǔn)之間的差異主要是由于天空散射部分造成的，見(jiàn)圖3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜對(duì)比

圖3 天空散射光譜分布

由于自然界的天空必然同時(shí)是存在著直射和散射兩部分太陽(yáng)輻射，同時(shí)考慮這兩部分對(duì)玻璃的影響是合理的，也正是基于這種考慮，我國(guó)的JGJ/T 151在制定的時(shí)候，就采用了ISO標(biāo)準(zhǔn)體系的相關(guān)規(guī)定。

由于ISO （EN）、JGJ/T151與NFRC光學(xué)性能時(shí)引用不同的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)，在計(jì)算玻璃光學(xué)熱工性能時(shí)會(huì)造成較大的差異。作者分別采用依據(jù)JGJ/T151和美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的粵建科MQMC軟件和LBNL軟件計(jì)算玻璃光學(xué)熱工性能，進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 玻璃系統(tǒng)光學(xué)熱工性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過(guò)表中數(shù)據(jù)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)的不同對(duì)遮陽(yáng)系數(shù)影響很大，尤其是Low-E玻璃，最大差異達(dá)13%。

我國(guó)JGJ/T151標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布實(shí)施之前，國(guó)內(nèi)很多玻璃生產(chǎn)企業(yè)一直沿用美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系，JGJ/T 151實(shí)施以后，已經(jīng)被我國(guó)的 《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》引用，不少玻璃企業(yè)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，仍采用國(guó)外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算軟件，存在著玻璃產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致工程項(xiàng)目無(wú)法通過(guò)驗(yàn)收的隱患，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)引起國(guó)內(nèi)玻璃企業(yè)的重視。

3.框傳熱計(jì)算

門(mén)窗、幕墻框的傳熱非常復(fù)雜，尤其是玻璃鑲嵌部位，有多種材料結(jié)合而成，又存在空腔，同時(shí)存在著熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱與輻射換熱等多種傳熱方式。一般我們可以把框的傳熱近似看作二維傳熱，但是對(duì)于玻璃鑲嵌部位，做二維近似就存在著一定的偏差。ISO（EN）、JGJ/T151與NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系在框傳熱計(jì)算時(shí)均要求采用二維有限元分析的方法，但對(duì)于玻璃鑲嵌部位的傳熱計(jì)算，JGJ/T151采用了與ISO（EN）相同的方法，都是采用線傳熱系數(shù)計(jì)算理論，而NFRC標(biāo)準(zhǔn)則采用的是ISO 15099的代替方法——玻璃邊緣區(qū)域計(jì)算理論。

線傳熱系數(shù)計(jì)算理論計(jì)算框傳熱時(shí)應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.03（ISO1077-2λ=0.035）的板材替代實(shí)際的玻璃 （或其他鑲嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照實(shí)際尺寸，可見(jiàn)部分的板材寬度bp不應(yīng)小于200mm （ISO1077-2為190mm），如圖4、圖5所示。通過(guò)二維有限元傳熱分析，分別得到玻璃被替代前后框節(jié)點(diǎn)的傳熱情況，從而計(jì)算得到框本身的傳熱系數(shù)、玻璃鑲嵌部位的線傳熱系數(shù)。

玻璃邊緣區(qū)域計(jì)算理論計(jì)算框傳熱時(shí)，則是把玻璃邊緣 （63.5mm以內(nèi)）區(qū)域作為特殊區(qū)域，如圖6所示。該區(qū)域內(nèi)的傳熱系數(shù)并不是玻璃系統(tǒng)本身的傳熱系數(shù)，而是考慮了玻璃鑲嵌部位的三維傳熱的影響。該套理論是基于玻璃系統(tǒng)建立的，對(duì)于非透明面板卻無(wú)法確定邊緣區(qū)域的范圍尺寸，也就不適用了。

圖4 框傳熱系數(shù)計(jì)算模型

圖5 框線傳熱系數(shù)計(jì)算模型

圖6 玻璃邊緣統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算模型

線傳熱系數(shù)理論可以得到框本身的傳熱系數(shù)，便于評(píng)價(jià)框的熱工性能。同時(shí)，該套理論也被幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)prEN13947采用，對(duì)于計(jì)算非透明幕墻非常便利，這一點(diǎn)卻是玻璃邊緣區(qū)域計(jì)算理論所不具備的。正是考慮到這些方面，我國(guó)的JGJ/T151采用了線傳熱系數(shù)計(jì)算理論。

作者采用粵建科MQMC和LBNL軟件二維有限元分析計(jì)算兩個(gè)典型框節(jié)點(diǎn)的傳熱情況，計(jì)算結(jié)果如表5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)兩種非法計(jì)算出的熱流總量基本一致，即傳熱過(guò)程分析的理論均是正確的，JGJ/T151、ISO(EN)體系定義的Uf可作為窗框的傳熱系數(shù)，用于評(píng)價(jià)窗框的熱工性能，并且此方法與 《建筑外窗保溫性能分級(jí)及其檢測(cè)方法》 （GB 8484-2008）中所提及的窗框傳熱系數(shù)測(cè)試方法的原理一致。

表5 框傳熱計(jì)算結(jié)果分析對(duì)比

4.門(mén)窗幕墻熱工性能計(jì)算

由于ISO （EN）、JGJ/T 151、NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系采用的框傳熱計(jì)算理論的差別，也必然導(dǎo)致整窗的熱工計(jì)算的差異。ISO （EN）、JGJ/T 151規(guī)定整窗的傳熱系數(shù)應(yīng)按公式 （2）計(jì)算，NFRC規(guī)定整窗的傳熱系數(shù)應(yīng)按公式 （3）計(jì)算。

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數(shù)；

Ag——窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）面積 （m2）；

Af——窗框面積 （m2）；

At——窗面積 （m2）；

lψ——玻璃區(qū)域 （或者其他鑲嵌板區(qū)域）的邊緣長(zhǎng)度 （m）；

Ug——窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）的傳熱系數(shù)；

Uf——窗框的傳熱系數(shù)；

ψ——窗框和窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）之間的線傳熱系數(shù)。

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數(shù)；

Ac——窗玻璃中部區(qū)域面積 （m2）；

Ae——窗玻璃邊緣區(qū)域面積 （m2）；

Af——窗框面積 （m2）；

At——窗面積 （m2）；

Ucg——窗玻璃中部區(qū)域的傳熱系數(shù) [W/(m2·K)]；

Ueg——窗玻璃邊緣區(qū)域的傳熱系數(shù) W/(m2·K)；

Ufr——窗框的傳熱系數(shù)W/(m·K)。

我國(guó)JGJ/T151比NFRC更加完善，與ISO（EN）體系中的EN13947基本一致，規(guī)定了整幅幕墻按公式 （4）進(jìn)行計(jì)算。

式中：

UCW——單幅幕墻的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；

Ag——玻璃或透明面板面積 （m2）；

lg——玻璃或透明面板邊緣長(zhǎng)度 （m）；

Ug——玻璃或透明面板傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；

ψg——玻璃或透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)[W/(m·K)]；

Ap——非透明面板面積 （m2）；

lp——非透明面板邊緣長(zhǎng)度 （m）；

Up——非透明面板傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]；

ψp——非透明面板邊緣的線傳熱系數(shù)[W/(m·K)]；

Af——框面積 （m2）；

Uf——框的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]。

五、結(jié)論

目前國(guó)外主要有兩種典型幕墻、門(mén)窗熱工標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算體系，即ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系與美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系。廣東省建筑科學(xué)研究院作為主編單位，在研究了ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系之后，主編了我國(guó)的門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T151。通過(guò)對(duì)比該三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系，得到以下結(jié)論：

1.我國(guó)的JGJ/T151基本采用了ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系，規(guī)定了我國(guó)評(píng)價(jià)定型產(chǎn)品時(shí)的統(tǒng)一邊界條件，與國(guó)外兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系有一定差別，但與我國(guó)其它工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，更符合我國(guó)實(shí)際情況。

2.美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系只是針對(duì)門(mén)窗產(chǎn)品，主要針對(duì)門(mén)窗節(jié)能性能標(biāo)識(shí)工作，不能滿足幕墻熱工計(jì)算的需要，具有局限性。

3.ISO （EN）、JGJ/T151和NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系計(jì)算玻璃光學(xué)熱工性能時(shí)計(jì)算方法基本相同，但在引用標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜時(shí)有較大的差別。ISO（EN）、JGJ/T151合理的引用了ISO9845-1 Table1第5列標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù) （直射+散射），NFRC300卻引用了第2列標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù) （直射），對(duì)玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)影響很大，尤其是Low-E玻璃。目前不少玻璃企業(yè)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，仍采用國(guó)外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算軟件，存在著玻璃產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不一致而導(dǎo)致工程項(xiàng)目無(wú)法通過(guò)驗(yàn)收的隱患，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)引起國(guó)內(nèi)玻璃企業(yè)的高度重視。

4.ISO （EN）、JGJ/T151采用的線傳熱計(jì)算方法，便于計(jì)算、評(píng)價(jià)框的傳熱性能，也比邊緣區(qū)域計(jì)算方法更適用于幕墻的熱工性能計(jì)算。

綜上所述，我國(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工性能計(jì)算規(guī)程》 （JGJ/T151-2008）融合了幕墻、門(mén)窗、玻璃、遮陽(yáng)系統(tǒng)等相關(guān)的熱工計(jì)算方法，體系全面，并且與此標(biāo)準(zhǔn)配套的粵建科MQMC軟件也已經(jīng)推出，可以滿足我國(guó)門(mén)窗幕墻產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)的實(shí)際需要。

[1]JGJ/T 151-2008.建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程[S].

[2]ISO 15099:2003.Thermal performance of windows,doors and shading devices-Detailed calculations[S].

[3]ISO 9050:2003.Glass in building-Determination of light transmittance,solar direct transmittance,total solar energy transmittance,ultraviolet transmittance and related glazing factors[S].

[4] ISO 9845-1:1992.Solar energy-Reference solar spectral irradiance at the ground at different receiving conditions-Part1:Direct normal and hemispherical solar irradiance for air mass 1.5[S].

[5]ISO 10077-1:2006.Thermal performance of windows,doors and shutters-Calculation of thermal transmittance-Part 1:General[S].

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[7] EN13947:2006. Thermal performance of curtain walling-Calculation of thermal transmittance[S].

[8] NFRC 100:2004. Procedure for Determining Fenestration Product U-Factors[S].

[9] NFRC 200:2004.Procedure for Determining Fenestration Product Solar Heat Gain Coefficient and Visible Transmittance at Normal Incidence[S].

[10]NFRC 300:2004.Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems[S].