式中，ge為玻璃邊緣區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)可知兩個公式的區別在于是否考慮玻璃邊緣區域的太陽輻射熱量。美NFRC標準體系中規定ge等于gg，而Ae加上Agc等于Ag，因此式(4)和式(5)在本質上相同。楊仕超經過計算對比發現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程采用相同的方法計算玻璃系統的太陽光總透射比，即積分和迭代的方法。我國規程計算玻璃系統太陽光總透射比時，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。因此我國規程與歐洲ISO標準體系得到玻璃系統的太陽光總透射比大于美國NFRC標準體系的計算結果[3]。
歐洲ISO標準體系、美國NFRC標準體系以及我國規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，αf為窗框表面太陽輻射吸收系數，hout為室外表面換熱系數，Af為窗框投影面積，Asurf為窗框外表面面積。我國規程中窗框表面太陽輻射吸收系數取0.4，而美國NFRC標準體系中窗框表面的太陽輻射系數取0.3。
綜上所述，不同標準間的遮陽系數計算方法本質上是相同的，不同在于系數的不同取值，如標準太陽光譜和窗框表面太陽輻射系數。
采用軟件計算玻璃系統太陽光總透射比時，需要的邊界條件為室內外對流換熱系數。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外溫度、室內外對流換熱系數和太陽輻射照度。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并不相同。此種差異不僅與邊界條件差異有關，也與公式系數取值不同有關。玻璃系統的太陽光總透射比通常遠大于窗框的太陽光總透射比，加之玻璃系統的面積也是窗框面積的數倍到數十倍，外窗的太陽光總透射決定于玻璃系統的太陽光總透射比。整窗的太陽光總透射比由以面積為權函數的數學公式計算得到，整窗的太陽光總透射比必然小于玻璃系統的太陽光總透射比，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標準體系為基礎的LBNL系列免費軟件計算得到的外窗熱工性能參數并不能滿足我國規程的要求，主要有四方面原因：(1)窗框傳熱系數計算方法不同，(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不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規定的標準窗型[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中。
基于LBNL系列軟件的熱傳導和玻璃光學熱工計算功能模塊，結合我國規程的計算方法，在LBNL系列軟件無法滿足計算要求的環節用Excel計算表格等作為替換，制定了傳熱系數和遮陽系數計算流程。該流程滿足我國規程的要求。同時還可結合Excel軟件或者MATLAB軟件的二次開發功能，實現全計算流程的自動化。
前文指出LNBL系列軟件傳熱系數計算方法玻璃邊緣區域計算理論。傳熱系數計算中可以考慮采用LNBL系列軟件中的二維熱傳導模擬計算模塊THERM進行窗框傳熱分析，在此基礎上按照我國規范的計算公式得到窗框傳熱系數及玻璃邊緣區域線系數。采用LNBL系列軟件中的一維熱傳導模擬計算模塊WINDOW計算得到玻璃系統的傳熱系數。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。
具體計算流程如下：
(1)采用WINDOW模塊和我國規程的邊界條件計算得到玻璃系統的傳熱系數Ug。
(2)在THERM模塊中建立包含導熱系數為0.03W/(m∙K)、長度為200mm的等厚絕熱板代窗框計算模型，采用THERM模塊和我國規程的邊界條件計算得窗框傳熱系數Ufr。
(3)將等厚絕熱板替換為玻璃系統建立新的窗框計算模型，采用THERM模塊和我國規程的邊界條件計算得窗框傳熱系數Uf和玻璃邊緣區域傳熱系數Ue。
(4)按照下式計算得玻璃邊緣區域線傳熱系數ψ
式中bf為窗框寬度，be為玻璃邊緣區域寬度，be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ψ、Ufr和Ug，結合整窗各部件截面面積，按照式(1)計算得整窗傳熱系數Ut。
由于不同標準的遮陽系數計算方法本質上是一致的，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不同。可以考慮采用LNBL系列軟件中的玻璃光學熱工計算模塊Optics計算得到單片玻璃的光學熱工參數，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]與我國規程相同。由此計算得到的單片玻璃光學熱工性能滿足我國規程的要求。窗框的太陽光總透射比我國規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據導入Optics模塊，計算標準選擇為ISO 9050，計算得到單片玻璃的光學熱工參數。
(2)將上一步得到單片玻璃光學熱工參數導入WINDOW模塊中，按照我國規程的邊界條件計算得到玻璃系統太陽光總透射比gg。
(3)采用THERM模塊和我國規程的邊界條件計算出窗框的傳熱系數Ufr。
(4)按照式(6)和我國規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gt。
(6)根據公式(3)計算得到整窗的遮陽系數SC。
5 小結
近來，系統門窗的興起以及建筑門窗節能性能標識的大力推廣，數值模擬計算重要性越發顯著。目前國內具有較大用戶群體的數值模擬計算軟件為LBNL系列軟件。該系列軟件依據美國NFRC標準體系開發，而美國NFRC標準體系與我國規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不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規定的標準窗型。造成LBNL系列軟件計算結果無法滿足我國規程的要求，也不能用于新型建筑外窗的研發中。
基于LBNL系列軟件的數值模擬計算功能模塊，以及電子計算表格，按照我國規程計算方法、系數取值和邊界條件，提出了滿足我國規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
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