基于LBNL系列软件的建筑外窗热工性能分析与数值模拟

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　　1 概述

　　建筑外窗热工性能获取方法有两种：试验测试和数值模拟计算，两者具有不可替代的地位，也互为补充。数值模拟计算具有不受时间地点和环境的限制、花费小等优点。外窗概念设计和初步设计阶段采用数值模拟计算对外窗热工性能进行预测和优化，将大大节约研发成本，缩短研发周期。近来系统门窗的兴起[1]以及建筑门窗节能性能标识的大力推广[2]，凸显了基于数值模拟计算的外窗热工性能评估的重要意义。因此采用数值计算的方法来准确分析和预测外窗的热工性能显得十分必要。

　　欧美国家经过数十年发展，外窗热工性能数值模拟计算的理论体系与技术手段相对健全，包括(1)美国国家门窗等级评定委员会(National Fenestration Rating Council，NFRC)标准体系及劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL)开发的Optics、THERM和WINDOW系列配套软件，(2)欧洲ISO标准体系及

　　BISCO等系列配套软件。LBNL系列软件由于权威性和免费使用，在国内有较大的用户群体，欧洲软件需付费加之侧重窗框型材（词条“型材”由行业大百科提供）的分析，使用用户较少。我国于2009年5月颁布了第一部门窗幕墙热工性能数值模拟计算规程JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(以下简称为我国规程)。广东省建筑科学研究院研发配套数值模拟计算软件粤建科MQMC“建筑幕墙门窗热工性能计算软件”，目前该软件存在网格划分质量和自适应性差等不足，现仍在不断发展和完善中。一套免费、操作方便、可靠性有保证的数值计算软件，正是当前研究的重点。

　　外窗的热工性能数值模拟计算包括传热系数和遮阳系数的计算。本文分别从传热系数和遮阳系数两方面入手，梳理国内外外窗热工计算规程的异同，说明不同软件间的隔阂来源于规范的差别。在此基础上，结合LNBL免费软件提出满足我国规程的外窗热工性能数值模拟计算流程。该流程可供外窗研发人员及研究者参考。

　　2 传热系数

　　传热系数为外窗内外两侧环境温度差为1℃时，通过单位面积的热量，代表外窗阻止热量损失的能力，数值越低，外窗的保温性能越好。我国规程与美国NFRC标准体系所采用的传热系数计算方法和边界条件上都有差异。我国规程与欧洲ISO标准体系采用的传热系数计算方法相同，但边界条件间存在一定差异。以下从计算方法和边界条件两方面分别论述。

　　欧洲ISO标准体系和我国规程采用玻璃边缘线传热理论计算整窗的传热系数，公式为：

　　式中U_t、U_g、U_fr分别为整窗、玻璃和窗框传热系数，A_g、A_f、A_t分别为玻璃、窗框和整窗面积， 为玻璃边缘长度，ψ窗框与窗玻璃间的线传热系数。美国NFRC标准体系中，整窗传热系数计算方法采用玻璃边缘区域理论，公式为：

　　式中U_e、U_fr分别为玻璃边缘区域和窗框传热系数，A_gc为玻璃中心区域面积，A_e为玻璃边缘区域面积，其他符号含义与式(1)相同。

　　式(1)和式(2)中，玻璃系统的传热系数由一维热传导模型计算得到，框部分的传热系数则由二维热传导模型计算得到。对比式(1)和式(2)可知，两种计算方法主要的差异是玻璃边缘处传热计算方法的不同。欧洲ISO标准体系和我国规程计算玻璃边缘区域传热时候都采用线传热系数计算理论，北美NFRC标准体系则采用玻璃边缘区域计算理论。另外式(1)中窗框传热系数计算时需要用一块绝热板代替玻璃系统，我国规程中绝热板长度为200mm，导热系数为0.3W/(m∙K)，而欧洲ISO标准体系中绝热板长度为190mm，导热（词条“导热”由行业大百科提供）系数为0.35W/(m∙K)，并不一致。Blanusa等[6]通过理论分析指出相同条件下式(1)和式(2)计算结果间差异可以忽略不计，这与杨仕超等[3]的结论相同。

　　采用一维热传导模型计算玻璃系统传热系数时，软件所需的边界条件为室内外温度。采用二维热传导模型计算窗框传热系数时，软件所需的边界条件为室内外温度、室内外对流换热系数和太阳辐射照度。表1中给出了中美欧三种标准中计算边界条件。

　　各国的气候条件不同，造成表1中不同标准的边界条件间存在明显差异，带来了不同国家外窗产品构造和用材间巨大的不同。相同的外窗产品，依据不同标准计算得到的传热系数明显不一致。美国NFRC标准体系计算出的结果通常大于欧洲ISO标准体系和计算的结果。欧洲ISO标准体系与我国规程的计算方法和边界条件间基本一致，计算得到的传热系数间差异应较小。因此，我国规程计算得到的传热系数小于美国NFRC标准体系的计算结果。

　　3 遮阳系数

　　遮阳系数为在给定条件下，外窗的太阳光总透射比（词条“太阳光总透射比”由行业大百科提供）与相同条件下相同面积的3mm厚透明玻璃的太阳光总透射比的比值，代表外窗阻止太阳辐射穿过的能力，其数值越低，代表外窗的隔热性能越好。我国规程与欧洲ISO标准体系都采用遮阳系数，美国NFRC标准体系参与太阳光总透射比(也称为太阳得热系数（词条“太阳得热系数”由行业大百科提供）)代表外窗的隔热性能。遮阳系数来源于太阳光总透射比。我国建筑节能设计的标准中主要依据遮阳系数值作为节能设计指标，因此该系数更多的应用于描述我国产品的隔热效果。我国规程与美国NFRC标准体系所采用的太阳总透射比计算方法和边界条件上存在一定差异。我国规程与欧洲ISO标准体系采用的遮阳系数计算方法相同，但边界条件间存在一定差异。以下从计算方法和边界条件两方面分别论述。

　　欧洲ISO标准体系和我国规程中遮阳系数计算公式如下：

　　式中SC为遮阳系数，gt为太阳光总透射比。欧洲ISO标准体系和我国规程中太阳光总透射比计算公式如下：

　　式中gg、gf分别为玻璃和窗框的太阳光总透射比，其余符号含义与式(1)相同。美国NFRC标准体系中太阳光总透射比的计算公式如下：

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