淺談中外門窗幕墻主要熱工計算標(biāo)準(zhǔn)之間的差異

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)計也得到空前的重視。本文站在設(shè)計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；熱工計算；節(jié)能設(shè)計

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，于是在尋求新能源的同時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)計角度淺談中外門窗幕墻主要幾個熱工標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。

總述

幕墻、門窗熱工性能計算機(jī)模擬計算，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

幕墻熱工計算 JGJ/T 151 EN 13947 無

門窗熱工計算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-1 NFRC 100

NFRC 200

框熱傳導(dǎo)計算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-2 NFRC 100

NFRC 200

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

邊界條件對比

計算邊界條件主要取決于各地的氣候與氣象參數(shù)，是門窗幕墻熱工計算的基礎(chǔ)，對門窗幕墻熱工性能計算結(jié)果有巨大的影響。計算邊界條件包括兩類：標(biāo)準(zhǔn)計算邊界條件、工程實際計算邊界條件。設(shè)計規(guī)范規(guī)定設(shè)計建筑門窗、玻璃幕墻定型產(chǎn)品的熱工性能時，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計算條件；在進(jìn)行實際工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的建筑設(shè)計或節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來確定工程實際計算邊界條件。但實際中，大部分工程不能提供實際邊界條件，仍然采用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件進(jìn)行設(shè)計，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，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，實際設(shè)計中，我們通常采用美國勞倫斯伯克利國家實驗室專門針對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)，同時三種體系在計算傳熱系數(shù)時，太陽輻射照度Is 取0來進(jìn)行計算。

面材傳熱系數(shù)計算對比

對于各處溫度恒定，長寬均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的面材，我們通常可以采用熱阻公式進(jìn)行計算，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)行計算。但實際中，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驗室開發(fā)的軟件Window計算得出的結(jié)果，并不是用光譜數(shù)據(jù)理論計算的結(jié)果，大部分廠家的大部分產(chǎn)品都會被勞倫斯數(shù)據(jù)庫測試并作為實驗數(shù)據(jù)收錄。在此，筆者認(rèn)為該計算結(jié)果用于美國NFRC標(biāo)準(zhǔn)計算是比較接近實際的，但是用于國標(biāo)與ISO標(biāo)準(zhǔn)計算會有一定的誤差。

國標(biāo)在計算玻璃傳熱系數(shù)時室內(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)計算時，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。

框傳熱系數(shù)計算對比

對于框的計算，也就是節(jié)點斷面的計算，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，三種計算體系，均認(rèn)定一個影響區(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)計算理論，即計算框傳熱時應(yīng)用一塊導(dǎo)熱系數(shù)很小的板材替代實際的玻璃或其他鑲嵌板，板材的厚度與實際板材厚度相等，嵌入深度按照實際尺寸嵌入，利用二維有限元軟件兩次建模分別計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1 3.23 2.05 0.462 2.80 0.07 0.469

節(jié)點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，用兩種方法計算得出的傳熱系數(shù)有較大的差異，但是兩種算法得出的熱流總量是一致的，就是說兩種計算方法的結(jié)果都是可靠的，相互印證的，但是評價產(chǎn)品性能是卻不能單看個體的傳熱系數(shù)，而應(yīng)該結(jié)合實際計算方法去考慮產(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)果都能評價出門窗幕墻產(chǎn)品的性能，但是要注意的是，計算與評價需要采用同一套體系才能得到準(zhǔn)確完整的評價。作為設(shè)計者，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。

參考文獻(xiàn)

[1] JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(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.