玻璃幕墙传热系数计算方法及工程应用
时间：2020-12-30 12:01:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：在研究玻璃幕墙热传递特点的基础上，基于一维稳态热传导理论，以中空玻璃为例建立了玻璃系统传热系数计算模型；基于二维稳态热传导理论和有限单元法，采用三节点三角形单元对二维温度场进行了离散，推导了单元热传导矩阵和温度载荷列阵，并推导了热对流、热流密度、辐射以及各种边界条件耦合作用下对单元热传导矩阵和温度载荷列阵的修正公式，建立了玻璃幕墙框及附加线传热系数计算模型。利用Visual C++和ObjectARX对AutoCAD进行了二次开发，研发了玻璃幕墙传热系数计算软件TJCW，并通过算例与LBNL系列软件计算结果进行比较，验证了所编软件的正确性和有效性。最后对某工程实例中玻璃幕墙传热系数进行了节能验算。研究结果表明：建立的传热系数计算模型能够正确的计算玻璃幕墙传热系数，基于该计算模型开发出的软件能够应用于实际工程的节能分析和计算中。
关键词：建筑节能；玻璃幕墙；传热系数；有限单元法；稳态热传导
中图分类号：TU111.19 文献标志码：A
文章编号：16744764（2013）02006607
玻璃幕墙因其美观、大方、通透性好等特点在高层建筑中被大面积使用。北京、上海等地建成或在建的高层建筑中，有多座采用了玻璃幕墙作为外围护结构，如CCTV央视大楼、上海金茂大厦、上海中心大厦等。随着社会经济的发展，建筑能耗在中国社会总能耗中所占比例越来越大，预计到2020年将会达到35%[1]，建筑节能变得至关重要。玻璃幕墙作为建筑的外围护结构，是建筑物热交换、热传导最活跃的部位，也是建筑节能的薄弱环节[2]，其热工性能尤其是传热系数的大小直接影响建筑能耗。
雷 克，等：玻璃幕墙传热系数计算方法及工程应用
玻璃幕墙构造复杂，所以其内部传热过程十分复杂。在中国，一般通过实验室测试或现场检测获得传热系数[3]。然而由于环境、人为因素等扰量过多，故一般较难获取准确的数据。数值模拟计算热传导具有不受时间、地点和环境的限制，且花费很小等优点，因此，采用数值计算的方法来准确分析和计算玻璃幕墙传热系数变的十分必要。欧盟、美国等针对玻璃幕墙传热系数计算的研究已经发展了数十年[49]，并形成了相对健全的计算标准体系和计算软件，如美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）开发的THERM和WINDOW系列软件。目前其他国家关于玻璃幕墙热工性能计算标准体系主要有2个标准体系，ISO（EN）标准体系和美国NFRC标准体系[10]。ISO（EN）标准体系是包含了玻璃系统光学热工、框热工性能、门窗幕墙热工计算等方法的标准体系，其中ISO 10599[11]是其体系中的一部分。美国的NFRC标准体系依据ISO和美国相关标准编制了相应的门窗热工标准体系，包括NFRC100[12]和NFRC200[13]等计算标准。中国在参考国外相关标准的基础上，颁布了《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》（JGJ/T 151-2008）[14]，包括门窗、幕墙热工性能计算，玻璃光学计算和结露性能评价等，并规定了在幕墙传热系数计算时，首先应计算玻璃系统、幕墙框的传热系数和玻璃镶嵌部位的线传热系数，然后按照各部分面积加权平均的方法计算出玻璃幕墙整体传热系数。
本文在研究玻璃幕墙热传导理论的基础上，分别建立了玻璃系统和幕墙框、线传热系数计算模型。利用Visual C++和ObjectARX对AutoCAD进行了二次开发，研发了适用于中国规程的玻璃幕墙传热系数计算软件TJCW。研究结果表明：建立的传热系数计算模型能够正确的计算玻璃幕墙传热系数，基于该计算模型开发出的软件能够应用于实际工程的节能分析和计算中。
1 玻璃系统传热系数计算模型
以一维热传导理论为基础建立玻璃系统热系数的计算模型，并基于以下几点假设：
1）固体材料的热属性不随温度变化而变化。
2）忽略室内外环境的空气渗漏。
3）忽略空腔中气体辐射的影响。
中空玻璃是目前在玻璃幕墙中应用比较广泛的玻璃系统，以双层中空玻璃为例，建立玻璃系统传热系数计算模型。双层中空玻璃由与室内接触的玻璃板1、空气间层和与室外接触的玻璃板2组成，如图1所示。其热能的传递过程可以分为以下5部分，分别对该5个过程建立热能方程，如式（1）～（5）所示。
当传热过程处于稳态时，根据能量守恒定律，上述5个部分的热流量必相等。由于各表面的温度值未知，计算时首先根据“温差等分”原则假设各表面的温度值，然后计算出5个传热过程的热流量，再用热流量的平均值反算出各个界面的温度值。通过多次迭代计算，直到结果收敛，便可求得各个表面的温度值和热流量，从而求出玻璃系统的传热系数。
2 幕墙框、线传热系数计算模型
2.1 热传导方程及单元热传导矩阵
幕墙框由型材、空腔和隔热胶条等材料构成。由于幕墙框截面形状及内部变温条件的复杂性，依靠传统的解析法很难获得传热系数精确解。因此，以二维稳态热传导理论和有限单元法为基础建立其传热系数计算模型，同时基于与玻璃系统传热系数计算模型相同的3点假设。
2.2 对流传热、热流密度边界
当幕墙框表面与环境进行对流传热时，传热系数为h，流体温度为Tf。对单元热传导矩阵和温度载荷列阵修正如式（10）和（11）所示，其中lij、ljk、lki分别表示三角形单元的各边长。
2.3 辐射传热边界
计算辐射传热时，所研究对象必须是包含所有参与辐射传热的表面在内的一个封闭腔[16]。封闭腔是由多个灰体表面组成的封闭系统。最简单的封闭腔就是两块无限接近的平行平板。当幕墙框表面与外界环境直接进行辐射传热，不考虑框表面自身辐射影响时，可看作2块无限接近的平行平板间的辐射传热，则辐射热流密度q为：
当幕墙框表面自身材料进行辐射传热或空腔内部辐射传热时，应看做由多个表面组成的封闭腔的辐射传热，需把由该表面向空间各个表面发出的辐射能与空间各个表面投入到该表面的辐射能包括进去[16]。假设封闭腔内有N个表面，各表面平均温度值分别为T1T2…TN，发射率分别为ε1ε2…εN，则各表面的有效辐射组成列阵J、黑体辐射列阵Q和有效辐射角系数矩阵[F]分别如式（14）～（16）所示。
