齊俊峰 蔡功全

摘要：隨著人們對能源需求的認(rèn)識，門窗幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)也得到空前的重視。本文站在設(shè)計(jì)者的角度上簡要闡述了國內(nèi)外現(xiàn)行主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范之間的差異。

關(guān)鍵詞：幕墻；熱工計(jì)算；節(jié)能設(shè)計(jì)

中圖分類號： TU201 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

前言

隨著社會的進(jìn)步，科技的發(fā)展，人類對能源的需求在不斷的擴(kuò)大，而能源的再生能力與對能源需求的矛盾也在不斷的激化，如今人類早已認(rèn)識到這一點(diǎn)，于是在尋求新能源的同時(shí)也在不斷地改善對傳統(tǒng)能源的利用，從而研發(fā)出可以減少能源浪費(fèi)的新技術(shù)。

建筑幕墻與門窗在中國盛行也有近30年，而如今中國也是是名副其實(shí)的建筑門窗幕墻生產(chǎn)和使用大國。但在其華麗的外表下，其造成大量能源浪費(fèi)卻一直為人們所詬病。為此國務(wù)院于2007年6月下發(fā)了《節(jié)能減排綜合性工作方案》，明確提出了“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20％左右，主要污染物排放總量減少10％的約束性指標(biāo)。2007年10月28日第十屆全國人民代表大會常務(wù)委員會第三十次會議修訂《中華人民共和國節(jié)約能源法》（主席令第七十七號）將建筑節(jié)能提升至與工業(yè)節(jié)能、交通運(yùn)輸節(jié)能相等的高度。由此在高樓大廈林立的今天，門窗幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)不斷的被人重視，并得以發(fā)展，本文從門窗幕墻傳熱性能設(shè)計(jì)角度淺談中外門窗幕墻主要幾個(gè)熱工標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。

總述

幕墻、門窗熱工性能計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，在歐盟、美國、日本等已廣泛應(yīng)用并得到社會的認(rèn)可。目前國外主要有兩種典型標(biāo)準(zhǔn)體系：ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系以及美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系。其中NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系是由美國的民間組織機(jī)構(gòu)全稱為美國國家門窗等級評定委員會，依據(jù)ISO和美國標(biāo)準(zhǔn)編制了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，采用玻璃邊緣影響區(qū)傳熱系數(shù)法。而ISO建筑門窗幕墻熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)主要引用歐盟（EN）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用線傳熱系數(shù)法。國內(nèi)的熱工計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏向于ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系也采用的線傳熱系數(shù)法，但在邊界條件的設(shè)定上有所差別，更接近我國的實(shí)際情況。以下是三種體系現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)：

類別 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系 ISO（EN）標(biāo)準(zhǔn)體系 NRFC標(biāo)準(zhǔn)體系

幕墻熱工計(jì)算 JGJ/T 151 EN 13947 無

門窗熱工計(jì)算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-1 NFRC 100

NFRC 200

框熱傳導(dǎo)計(jì)算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-2 NFRC 100

NFRC 200

玻璃光學(xué)熱工計(jì)算 JGJ/T 151 ISO 9050 NFRC 300

邊界條件對比

計(jì)算邊界條件主要取決于各地的氣候與氣象參數(shù)，是門窗幕墻熱工計(jì)算的基礎(chǔ)，對門窗幕墻熱工性能計(jì)算結(jié)果有巨大的影響。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)規(guī)范規(guī)定設(shè)計(jì)建筑門窗、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)來確定工程實(shí)際計(jì)算邊界條件。但實(shí)際中，大部分工程不能提供實(shí)際邊界條件，仍然采用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡管如此，仍大幅提高了現(xiàn)代建筑的節(jié)能性能。通過下面表格我們可以明顯看出三種體系的差別：

標(biāo)準(zhǔn)體系類型計(jì)算邊界條件參數(shù) ISO（EN） 美國NFRC 我國標(biāo)準(zhǔn)體系：

冬季 室內(nèi)空氣溫度Tin（℃） 20 21 20

室外空氣溫度Tout（℃） 0 -18 -20

室內(nèi)對流換熱系數(shù)hc,in W/(m2K) 3.6 ASHRAE/NFRC 3.6

室外對流換熱系數(shù)hc,out [W/(m2K)] 20 26 16

門窗邊框的室外對流換熱系數(shù)hc,out [W/(m2K)] / / 8

邊框附近玻璃邊緣（63.5mm以內(nèi)）的室外對流換熱系數(shù)hc,out [W/(m2K)] / / 12

太陽輻射照度Is （W/m2） 300 0 300

因夏季邊界條件用于計(jì)算遮陽系數(shù)等參數(shù)，不在本文討論范圍內(nèi)，故不列出

對比中，我們可以看出由于地區(qū)的不同，溫度亦不相同，但是溫度的差別對產(chǎn)品本身的傳熱系數(shù)影響不大，影響最大的是室內(nèi)外對流換熱系數(shù)，其中國標(biāo)多出門窗邊框的室外對流換熱系數(shù)和邊框附近玻璃邊緣（63.5mm以內(nèi)）的室外對流換熱系數(shù)兩項(xiàng)，也是國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)最大的區(qū)別，而美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)中室內(nèi)對流換熱系數(shù)是隨著面材變化而變化的，實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們通常采用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室專門針對NFRC標(biāo)準(zhǔn)推出的系列軟件Therm及Window結(jié)合來確定其室內(nèi)對流換熱系數(shù)，同時(shí)三種體系在計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，太陽輻射照度Is 取0來進(jìn)行計(jì)算。

面材傳熱系數(shù)計(jì)算對比

對于各處溫度恒定，長寬均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的面材，我們通?？梢圆捎脽嶙韫竭M(jìn)行計(jì)算，利用歐姆定律的原則，將每層不同材料的熱阻串連，再利用公式計(jì)算得出復(fù)合面材的傳熱系數(shù)，規(guī)范中所列公式我們可以看到，這種情況下，面材的傳熱系數(shù)只跟內(nèi)外對流換熱系數(shù)相關(guān)，前面我們已經(jīng)在邊界條件中對比過室內(nèi)外對流換熱系數(shù)，此處不再重復(fù)。

對于玻璃面材，由于各種性能膜的加入，相對比較復(fù)雜，理論上ISO 9050和JGJ/T151采用ISO 9845-1第5類標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，NFRC 300 采用ISO 9845-1第2類標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。但實(shí)際中，幕墻生產(chǎn)廠家從玻璃廠家拿到的數(shù)據(jù)大部分是玻璃廠家用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的軟件Window計(jì)算得出的結(jié)果，并不是用光譜數(shù)據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，大部分廠家的大部分產(chǎn)品都會被勞倫斯數(shù)據(jù)庫測試并作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收錄。在此，筆者認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果用于美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算是比較接近實(shí)際的，但是用于國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算會有一定的誤差。

國標(biāo)在計(jì)算玻璃傳熱系數(shù)時(shí)室內(nèi)環(huán)境表面發(fā)射率采用0.9，而美國NFRC則采用1.0，從上圖可以看出，兩種光譜的差異還是比較大的，因此當(dāng)采用國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，幕墻生產(chǎn)廠家還是應(yīng)該注意玻璃廠家給出的玻璃性能是基于那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)得出的結(jié)果，避免產(chǎn)生較大的誤差，造成能源的浪費(fèi)。

框傳熱系數(shù)計(jì)算對比

對于框的計(jì)算，也就是節(jié)點(diǎn)斷面的計(jì)算，由于材料傳熱系數(shù)差異巨大，造成相交區(qū)域傳熱系數(shù)較為復(fù)雜，三種計(jì)算體系，均認(rèn)定一個(gè)影響區(qū)。

國標(biāo)及ISO標(biāo)準(zhǔn)均認(rèn)為影響區(qū)是相交的一條線，采用方法叫線傳熱系數(shù)計(jì)算理論，即計(jì)算框傳熱時(shí)應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)很小的板材替代實(shí)際的玻璃或其他鑲嵌板，板材的厚度與實(shí)際板材厚度相等，嵌入深度按照實(shí)際尺寸嵌入，利用二維有限元軟件兩次建模分別計(jì)算得出面材被代替前后框截面投影范圍內(nèi)的傳熱系數(shù)，然后推導(dǎo)出影響區(qū)的傳熱系數(shù)即線傳熱系數(shù)。

美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為玻璃邊緣63.5mm以內(nèi)區(qū)域作為影響區(qū)，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。利用二維有限元軟件分別得出框截面投影范圍內(nèi)的傳熱系數(shù)和影響區(qū)內(nèi)的傳熱系數(shù)。由于有專門軟件的支持，算法還是比較簡便的。

名稱 NFRC體系 ISO(EN)體系

Uf/值

W/(m2K) 邊緣區(qū)域Ueg值

W/(m2K) 熱流總量qw

（W/m2） Uf值W/(m2K) 線傳熱系數(shù)ψ

W/(mK) 熱流總量qw

（W/m2）

節(jié)點(diǎn)1 3.23 2.05 0.462 2.80 0.07 0.469

節(jié)點(diǎn)2 3.85 2.22 0.777 3.06 0.081 0.775

從上述表中的對比結(jié)果中可以看出，同樣的節(jié)點(diǎn)，用兩種方法計(jì)算得出的傳熱系數(shù)有較大的差異，但是兩種算法得出的熱流總量是一致的，就是說兩種計(jì)算方法的結(jié)果都是可靠的，相互印證的，但是評價(jià)產(chǎn)品性能是卻不能單看個(gè)體的傳熱系數(shù)，而應(yīng)該結(jié)合實(shí)際計(jì)算方法去考慮產(chǎn)品的性能，這也是被很多廠家所忽略的。

結(jié)束語

雖然國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，算法等不盡相同，但是得出的結(jié)果都能評價(jià)出門窗幕墻產(chǎn)品的性能，但是要注意的是，計(jì)算與評價(jià)需要采用同一套體系才能得到準(zhǔn)確完整的評價(jià)。作為設(shè)計(jì)者，我們應(yīng)該了解各種不同規(guī)定的相同與不同之處，這樣不僅能保證構(gòu)造的合理性，還能最大限度的避免能源的浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》

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[3] ISO 10077-2:2000-12; Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance. Part 2: Numerical method for frames.

[4] ISO 15099:2003; Thermal performance of window, doors and shading devices-Detailed calculations.