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基于LBNL系列軟件的建筑外窗熱工性能分析與數(shù)值模擬

來源:2016年會論文集  作者:彭洋 沈佑竹 董軍 金鑫南 尤其學(xué)  日期:2016-4-13
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  提要:基于數(shù)值模擬計算建筑外窗熱工性能具有重要現(xiàn)實意義。首先歸納總結(jié)了國內(nèi)外建筑外窗熱工性能數(shù)值計算標準相應(yīng)計算方法和邊界條件,分析了不同標準的異同。在此基礎(chǔ)上,采用基于美國標準的美國勞倫斯伯克利國家實驗室建筑外窗熱工性能計算軟件,并編制補充電子計算表格,提出了滿足我國《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》計算方法、系數(shù)取值和邊界條件的建筑外窗熱工性能計算流程。所建議的計算流程簡便易行,可供廣大建筑外窗研發(fā)人員及研究者計算建筑外窗熱工性能計算時參考。
  關(guān)鍵詞:建筑外窗,傳熱系數(shù),遮陽系數(shù),數(shù)值模擬

  式中,ge為玻璃邊緣區(qū)域的太陽光總透射比,其余符號含義與式(2)和式(4)相同。對比式(4)和式(5)可知兩個公式的區(qū)別在于是否考慮玻璃邊緣區(qū)域的太陽輻射熱量。美NFRC標準體系中規(guī)定ge等于gg,而Ae加上Agc等于Ag,因此式(4)和式(5)在本質(zhì)上相同。楊仕超經(jīng)過計算對比發(fā)現(xiàn)相同條件下兩個公式的相差甚小。

  歐洲ISO標準體系、美國NFRC標準體系以及我國規(guī)程采用相同的方法計算玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比,即積分和迭代的方法。我國規(guī)程計算玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比時,所采用的標準太陽光譜為ISO 9845-1的第五類標準光譜,即直射與散射光譜,這與歐洲ISO標準體系相一致。美國NFRC標準體系則采用ISO 9845-1中的第二類直射光譜作為標準太陽光譜。直射與散射光譜的各波段的平均分光照度值均比只有直射光譜大。因此我國規(guī)程與歐洲ISO標準體系得到玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比大于美國NFRC標準體系的計算結(jié)果[3]。

  歐洲ISO標準體系、美國NFRC標準體系以及我國規(guī)程采用相同的方法計算窗框的太陽光總透射比:

  式中Uf為窗框的傳熱系數(shù),αf為窗框表面太陽輻射吸收系數(shù),hout為室外表面換熱系數(shù),Af為窗框投影面積,Asurf為窗框外表面面積。我國規(guī)程中窗框表面太陽輻射吸收系數(shù)取0.4,而美國NFRC標準體系中窗框表面的太陽輻射系數(shù)取0.3。

  綜上所述,不同標準間的遮陽系數(shù)計算方法本質(zhì)上是相同的,不同在于系數(shù)的不同取值,如標準太陽光譜和窗框表面太陽輻射系數(shù)。

  采用軟件計算玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比時,需要的邊界條件為室內(nèi)外對流換熱系數(shù)。采用軟件計算窗框太陽光總透射比時,軟件所需的邊界條件為室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外對流換熱系數(shù)和太陽輻射照度。表2中給出了中美歐三種標準中計算邊界條件。

  遮陽系數(shù)計算邊界條件存在明顯差異,這種差異造成不同標準計算得到的遮陽系數(shù)并不相同。此種差異不僅與邊界條件差異有關(guān),也與公式系數(shù)取值不同有關(guān)。玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比通常遠大于窗框的太陽光總透射比,加之玻璃系統(tǒng)的面積也是窗框面積的數(shù)倍到數(shù)十倍,外窗的太陽光總透射決定于玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比。整窗的太陽光總透射比由以面積為權(quán)函數(shù)的數(shù)學(xué)公式計算得到,整窗的太陽光總透射比必然小于玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比,但兩者之間的差異不大。

  4 基于LBNL系列軟件的外窗熱工性能計算流程

  從前文的論述中可以看出以美國NFRC標準體系為基礎(chǔ)的LBNL系列免費軟件計算得到的外窗熱工性能參數(shù)并不能滿足我國規(guī)程的要求,主要有四方面原因:(1)窗框傳熱系數(shù)計算方法不同,(2)邊界條件不同,(3)標準太陽光譜不同,(4)窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規(guī)定的標準窗型[3]。以上不足使得LBNL軟件無法用于《鋁合金門窗》[8]規(guī)定的型式檢驗典型試件熱工性能計算中,也不能用于新型建筑外窗研發(fā)中。

  基于LBNL系列軟件的熱傳導(dǎo)和玻璃光學(xué)熱工計算功能模塊,結(jié)合我國規(guī)程的計算方法,在LBNL系列軟件無法滿足計算要求的環(huán)節(jié)用Excel計算表格等作為替換,制定了傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)計算流程。該流程滿足我國規(guī)程的要求。同時還可結(jié)合Excel軟件或者MATLAB軟件的二次開發(fā)功能,實現(xiàn)全計算流程的自動化。

  前文指出LNBL系列軟件傳熱系數(shù)計算方法玻璃邊緣區(qū)域計算理論。傳熱系數(shù)計算中可以考慮采用LNBL系列軟件中的二維熱傳導(dǎo)模擬計算模塊THERM進行窗框傳熱分析,在此基礎(chǔ)上按照我國規(guī)范的計算公式得到窗框傳熱系數(shù)及玻璃邊緣區(qū)域線系數(shù)。采用LNBL系列軟件中的一維熱傳導(dǎo)模擬計算模塊WINDOW計算得到玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。按照式(1)以及整窗各部件截面面積最終獲得整窗傳熱系數(shù)。

  具體計算流程如下:

  (1)采用WINDOW模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得到玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)Ug。

  (2)在THERM模塊中建立包含導(dǎo)熱系數(shù)為0.03W/(m∙K)、長度為200mm的等厚絕熱板代窗框計算模型,采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得窗框傳熱系數(shù)Ufr。

  (3)將等厚絕熱板替換為玻璃系統(tǒng)建立新的窗框計算模型,采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得窗框傳熱系數(shù)Uf和玻璃邊緣區(qū)域傳熱系數(shù)Ue。

  (4)按照下式計算得玻璃邊緣區(qū)域線傳熱系數(shù)ψ

  式中bf為窗框?qū)挾龋琤e為玻璃邊緣區(qū)域?qū)挾龋琤e可取THERM模塊中的默認值,即63.5mm,其余符號與式(1)和式(2)相同。

  (5)基于前四步計算得到的傳熱系數(shù)ψ、Ufr和Ug,結(jié)合整窗各部件截面面積,按照式(1)計算得整窗傳熱系數(shù)Ut。

  由于不同標準的遮陽系數(shù)計算方法本質(zhì)上是一致的,差別在于LBNL標準軟件選用的標準太陽光譜和窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。可以考慮采用LNBL系列軟件中的玻璃光學(xué)熱工計算模塊Optics計算得到單片玻璃的光學(xué)熱工參數(shù),該模塊計算中可以選擇不同的計算標準,其中ISO 9050標準所用的標準太陽光譜[9]與我國規(guī)程相同。由此計算得到的單片玻璃光學(xué)熱工性能滿足我國規(guī)程的要求。窗框的太陽光總透射比我國規(guī)范的計算公式計算得到。按照式(4)以及整窗各部件截面面積最終獲得整窗太陽光總透射比。

  具體計算流程如下:

  (1)將已知的單片玻璃光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入Optics模塊,計算標準選擇為ISO 9050,計算得到單片玻璃的光學(xué)熱工參數(shù)。

  (2)將上一步得到單片玻璃光學(xué)熱工參數(shù)導(dǎo)入WINDOW模塊中,按照我國規(guī)程的邊界條件計算得到玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比gg。

  (3)采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算出窗框的傳熱系數(shù)Ufr。

  (4)按照式(6)和我國規(guī)程的邊界條件計算出窗框的太陽光總透射比gf。

  (5)基于前四步得到的太陽光總透射比gg和gf,結(jié)合整窗各部件截面面積,按照式(4)計算得到整窗的太陽得熱系數(shù)gt。

  (6)根據(jù)公式(3)計算得到整窗的遮陽系數(shù)SC。

  5 小結(jié)

  近來,系統(tǒng)門窗的興起以及建筑門窗節(jié)能性能標識的大力推廣,數(shù)值模擬計算重要性越發(fā)顯著。目前國內(nèi)具有較大用戶群體的數(shù)值模擬計算軟件為LBNL系列軟件。該系列軟件依據(jù)美國NFRC標準體系開發(fā),而美國NFRC標準體系與我國規(guī)程的計算方法和邊界條件間存在顯著差異,主要有四方面原因:(1)窗框傳熱系數(shù)計算方法不同,(2)邊界條件不同,(3)標準太陽光譜不同,(4)窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規(guī)定的標準窗型。造成LBNL系列軟件計算結(jié)果無法滿足我國規(guī)程的要求,也不能用于新型建筑外窗的研發(fā)中。

  基于LBNL系列軟件的數(shù)值模擬計算功能模塊,以及電子計算表格,按照我國規(guī)程計算方法、系數(shù)取值和邊界條件,提出了滿足我國規(guī)程要求的建筑外窗熱工性能計算流程。所建議的計算流程簡便易行,可供廣大建筑外窗研發(fā)人員及研究者計算建筑外窗熱工性能計算時參考。

  參考文獻

  [1] 鄧小鷗,劉延. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會開展對系統(tǒng)門窗企業(yè)調(diào)研 [J]. 中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2014,8:28-30.

  [2] 李瑋. 天津市建筑門窗節(jié)能性能標識配置方案的探討 [J]. 門窗,2015,1:9-11.

  [3] 楊仕超,楊華秋,馬揚. 中外建筑門窗幕墻熱工性能計算軟件介紹及計算對比 [DB/OL]. 點擊查看 http://www.yjksoft.com/Research?type=2,2010.

  [4] 馬揚,楊仕超,楊華秋. 中外建筑門窗幕墻熱工計算標準體系 [DB/OL]. 點擊查看 http://www.yjksoft.com/Research?type=2,2010.

  [5] JGJ/T 151-2008. 建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程 [S]. 北京,中國建筑工業(yè)出版社,2009.

  [6] 劉濤. 基于有限單元法的玻璃幕墻熱工性能的分析和設(shè)計 [D]. 上海,同濟大學(xué),2010.

  [7] P. Blanusa, W. P. Goss, H. Roth et. al. Comparison between ASHRAE and ISO thermal transmittance calculation methods [J]. Energy and Buildings, 2007, 39: 374–384.

  [8] GB/T 8487-2008. 鋁合金門窗 [S]. 北京,中國標準出版社,2009.

  [9] Standards for Solar Optical Properties of Specular Materials [DB/OL]. 點擊查看 http://windowoptics.lbl.gov/data/standards/solar,2010.

  [10] 王麗麗,孫詩兵,王洪濤,萬成龍. 窗框?qū)φ陉栂禂?shù)的影響研究 [J]. 節(jié)能技術(shù),2014,2:159-161.

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