中外建筑门窗幕墙热工计算标准体系的研究

马 扬

一、概述

目前，建筑节能已经成为全世界的共识，建筑门窗、幕墙作为围护结构节能的薄弱环节，成为建筑中最受关注的重点。80年代以来，实验室测试为我国获取建筑门窗热工性能的主要手段，而幕墙则一直采用简单的计算来评价，这种局面已经不能满足目前产品研发与实际工程的需要了。计算机模拟计算、评价门窗幕墙节能性能，在欧美等国家早已经广泛应用并得到社会的认可，已经形成了较为完善的标准体系。我国历经多年研究，国家行业标准《建筑门窗玻璃幕墙热工性能计算规程》（JGJ/T151-2008）（以下简称“JGJ/T151”）也终于在2009年5月颁布实施。现在欧盟、美国及我国等国家在玻璃光学热工性能计算、框传热二维有限元分析计算、门窗幕墙热工计算等均已经有了完善的标准体系和软件产品。

二、国外门窗幕墙热工计算标准体系

幕墙、门窗热工性能计算机模拟计算，在欧盟、美国、日本等已广泛应用。目前国外主要有两个标准体系：ISO（EN）标准体系；美国NFRC标准体系。

1.ISO （EN） 标准体系

由于ISO在建筑门窗幕墙热工计算标准主要引用欧盟 （EN）的技术标准，所以本文将ISO和EN标准归为一类。

ISO（EN）标准体系是一个较完整的体系，包含玻璃光学热工、框热工性能、门窗幕墙热工计算等一系列方法标准，如表1所示。

表1 ISO （EN）技术标准体系

2.美国NFRC标准体系

NFRC全称为 “美国国家门窗等级评定委员会”，是美国的门窗节能性能标识民间组织机构，依据ISO和美国标准编制了相应的门窗热工标准体系，如表2所示。

表2 NFRC技术标准体系

三、我国门窗幕墙热工计算标准体系

我国在研究、总结欧美国家相关技术标准的基础之上，结合我国的工程标准，由广东省建筑科学研究、中国建筑科学研究院等单位编制了国内首本门窗幕墙热工性能计算标准——《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 （JGJ/T 151-2008），并于2009年5月1日起实施。JGJ/T151对以下内容都给出了相应的计算方法：

1.玻璃光学热工性能计算；

2.框传热计算 （线传热系数法）；

3.门窗幕墙热工性能计算；

4.结露性能评价、计算；

5.遮阳系统计算；

6.通风空气间层传热计算；

7.计算边界条件。

四、国内外门窗幕墙热工性能计算标准体系对比

我国JGJ/T 151和美国NFRC标准体系在编制的过程中都参考和引用了ISO（EN）的计算方法，但由于各国工程实际情况等方面的不同，标准体系之间仍存在不少的差异，这些差异主要包括：计算边界条件；玻璃光学热工计算；框的传热计算；门窗幕墙热工计算。

1.计算边界条件

计算边界条件主要取决于各地的气候与气象参数，是门窗幕墙热工计算的基础，对门窗幕墙热工性能计算结果有巨大的影响，即使是同一款门窗幕墙产品，使用不同的计算边界条件，都会得出不同的热工性能，对于不同气候区的建筑的作用也是完全不同，甚至相反的。

计算边界条件包括两类：标准计算边界条件、工程实际计算边界条件。设计或评价建筑门窗、玻璃幕墙定型产品的热工性能时，应采用标准计算条件；在进行实际工程设计时，应根据相应的建筑设计或节能设计标准来确定工程实际计算边界条件。

所以确定标准的计算边界条件是门窗幕墙产品热工性能设计的前提，各标准体系的标准计算边界条件存在着较大的差别，如表3所示。

一般情况下，标准规定采用冬季条件计算门窗幕墙的传热系数，采用夏季条件计算门窗幕墙的遮阳系数。由表3可以发现：

表3 计算边界条件对比

（1）我国基本采用ISO标准体系，定义的边界条件与ISO标准基本一致，主要是冬、夏季室内温度、夏季室外温度、室内对流换热系数、太阳辐射照度全部一样，但美国NFRC体系存在差异，特别是室内对流换热系数采用美国ASHRAE的相关规定。

（2）三个标准体系规定的室内空气温度差别不大，这主要是因为建筑室内的设计温度一般比较接近。

（3）JGJ/T151的室外对流换热系数与ISO标准差别较大，尤其是对门窗边框及边框附近边缘（63.5mm以内）的室外对流换热系数做了特别规定，一方面是由于我国所处气候区域与欧洲有差别，另一方面也是考虑为了与我国其它建筑工程标准，特别是 《民用建筑热工设计规范》、 《建筑门窗保温性能检测与分级标准》等相关标准相互协调，更符合我国的工程实际情况。

2.玻璃光学热工计算

玻璃是门窗、幕墙最重要的组成部分，也是门窗、幕墙热工性能优劣的关键。由表1、表2可知ISO（EN）、NFRC标准体系中计算玻璃光学热工性能的标准分别为ISO10599、ISO9050、NFRC 300，其中ISO9050是玻璃光学性能的计算标准，而ISO10599更为全面，兼顾玻璃光学和热工计算两方面。美国的NFRC300与我国JGJ/T151中的玻璃光学热工计算方法都是以这两个ISO标准为基础建立起来的。

图1 玻璃系统传热计算模型

单片玻璃的太阳光直接透射比τS应按下式计算：

式中：τ（λ）——玻璃透射比的光谱；

S（λ）——标准太阳光谱。

ISO （EN）、NFRC、JGJ/T151计算玻璃光学热工性能所采用的计算方法基本相同，如公式 （1）所示，均是采用积分和迭代的方法求解，但所引用的标准太阳光谱有较大的差别。ISO9050和JGJ/T151采用ISO9845-1的Table1中第5列标准太阳光谱数据 （直射+散射），美国 NFRC300采用ISO9845-1的Table1中第2列标准太阳光谱数据（直射）。由于ISO9050和JGJ/T151采用标准太阳光谱数据包括直射和散射部分，各波段的平均分光照度值均比只有直射部分的第2列标准光谱大，见图2。这两列标准之间的差异主要是由于天空散射部分造成的，见图3。

图2 标准太阳光谱对比

图3 天空散射光谱分布

由于自然界的天空必然同时是存在着直射和散射两部分太阳辐射，同时考虑这两部分对玻璃的影响是合理的，也正是基于这种考虑，我国的JGJ/T 151在制定的时候，就采用了ISO标准体系的相关规定。

由于ISO （EN）、JGJ/T151与NFRC光学性能时引用不同的标准光谱数据，在计算玻璃光学热工性能时会造成较大的差异。作者分别采用依据JGJ/T151和美国NFRC标准开发的粤建科MQMC软件和LBNL软件计算玻璃光学热工性能，进行对比，结果如表4所示。

表4 玻璃系统光学热工性能参数计算结果对比

通过表中数据对比，不难发现：标准太阳光谱数据的不同对遮阳系数影响很大，尤其是Low-E玻璃，最大差异达13%。

我国JGJ/T151标准发布实施之前，国内很多玻璃生产企业一直沿用美国的标准体系，JGJ/T 151实施以后，已经被我国的 《建筑节能工程施工质量验收规范》引用，不少玻璃企业还没有认识到这个问题，仍采用国外的技术标准和计算软件，存在着玻璃产品设计与工程验收标准不一致而导致工程项目无法通过验收的隐患，这个问题应引起国内玻璃企业的重视。

3.框传热计算

门窗、幕墙框的传热非常复杂，尤其是玻璃镶嵌部位，有多种材料结合而成，又存在空腔，同时存在着热传导、对流换热与辐射换热等多种传热方式。一般我们可以把框的传热近似看作二维传热，但是对于玻璃镶嵌部位，做二维近似就存在着一定的偏差。ISO（EN）、JGJ/T151与NFRC标准体系在框传热计算时均要求采用二维有限元分析的方法，但对于玻璃镶嵌部位的传热计算，JGJ/T151采用了与ISO（EN）相同的方法，都是采用线传热系数计算理论，而NFRC标准则采用的是ISO 15099的代替方法——玻璃边缘区域计算理论。

线传热系数计算理论计算框传热时应用一块导热系数λ=0.03（ISO1077-2λ=0.035）的板材替代实际的玻璃 （或其他镶嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照实际尺寸，可见部分的板材宽度bp不应小于200mm （ISO1077-2为190mm），如图4、图5所示。通过二维有限元传热分析，分别得到玻璃被替代前后框节点的传热情况，从而计算得到框本身的传热系数、玻璃镶嵌部位的线传热系数。

玻璃边缘区域计算理论计算框传热时，则是把玻璃边缘 （63.5mm以内）区域作为特殊区域，如图6所示。该区域内的传热系数并不是玻璃系统本身的传热系数，而是考虑了玻璃镶嵌部位的三维传热的影响。该套理论是基于玻璃系统建立的，对于非透明面板却无法确定边缘区域的范围尺寸，也就不适用了。

图4 框传热系数计算模型

图5 框线传热系数计算模型

图6 玻璃边缘统计方法计算模型

线传热系数理论可以得到框本身的传热系数，便于评价框的热工性能。同时，该套理论也被幕墙热工计算标准prEN13947采用，对于计算非透明幕墙非常便利，这一点却是玻璃边缘区域计算理论所不具备的。正是考虑到这些方面，我国的JGJ/T151采用了线传热系数计算理论。

作者采用粤建科MQMC和LBNL软件二维有限元分析计算两个典型框节点的传热情况，计算结果如表5所示。可以发现两种非法计算出的热流总量基本一致，即传热过程分析的理论均是正确的，JGJ/T151、ISO(EN)体系定义的Uf可作为窗框的传热系数，用于评价窗框的热工性能，并且此方法与 《建筑外窗保温性能分级及其检测方法》 （GB 8484-2008）中所提及的窗框传热系数测试方法的原理一致。

表5 框传热计算结果分析对比

4.门窗幕墙热工性能计算

由于ISO （EN）、JGJ/T 151、NFRC标准体系采用的框传热计算理论的差别，也必然导致整窗的热工计算的差异。ISO （EN）、JGJ/T 151规定整窗的传热系数应按公式 （2）计算，NFRC规定整窗的传热系数应按公式 （3）计算。

式中：

Ut——整樘窗的传热系数；

Ag——窗玻璃 （或者其他镶嵌板）面积 （m2）；

Af——窗框面积 （m2）；

At——窗面积 （m2）；

lψ——玻璃区域 （或者其他镶嵌板区域）的边缘长度 （m）；

Ug——窗玻璃 （或者其他镶嵌板）的传热系数；

Uf——窗框的传热系数；

ψ——窗框和窗玻璃 （或者其他镶嵌板）之间的线传热系数。

式中：

Ut——整樘窗的传热系数；

Ac——窗玻璃中部区域面积 （m2）；

Ae——窗玻璃边缘区域面积 （m2）；

Af——窗框面积 （m2）；

At——窗面积 （m2）；

Ucg——窗玻璃中部区域的传热系数 [W/(m2·K)]；

Ueg——窗玻璃边缘区域的传热系数 W/(m2·K)；

Ufr——窗框的传热系数W/(m·K)。

我国JGJ/T151比NFRC更加完善，与ISO（EN）体系中的EN13947基本一致，规定了整幅幕墙按公式 （4）进行计算。

式中：

UCW——单幅幕墙的传热系数[W/(m2·K)]；

Ag——玻璃或透明面板面积 （m2）；

lg——玻璃或透明面板边缘长度 （m）；

Ug——玻璃或透明面板传热系数[W/(m2·K)]；

ψg——玻璃或透明面板边缘的线传热系数[W/(m·K)]；

Ap——非透明面板面积 （m2）；

lp——非透明面板边缘长度 （m）；

Up——非透明面板传热系数[W/(m2·K)]；

ψp——非透明面板边缘的线传热系数[W/(m·K)]；

Af——框面积 （m2）；

Uf——框的传热系数[W/(m2·K)]。

五、结论

目前国外主要有两种典型幕墙、门窗热工标准计算体系，即ISO（EN）标准体系与美国NFRC标准体系。广东省建筑科学研究院作为主编单位，在研究了ISO（EN）标准体系之后，主编了我国的门窗幕墙热工计算标准JGJ/T151。通过对比该三个标准体系，得到以下结论：

1.我国的JGJ/T151基本采用了ISO（EN）标准体系，规定了我国评价定型产品时的统一边界条件，与国外两个标准体系有一定差别，但与我国其它工程技术标准相协调，更符合我国实际情况。

2.美国NFRC标准体系只是针对门窗产品，主要针对门窗节能性能标识工作，不能满足幕墙热工计算的需要，具有局限性。

3.ISO （EN）、JGJ/T151和NFRC标准体系计算玻璃光学热工性能时计算方法基本相同，但在引用标准太阳光谱时有较大的差别。ISO（EN）、JGJ/T151合理的引用了ISO9845-1 Table1第5列标准光谱数据 （直射+散射），NFRC300却引用了第2列标准光谱数据 （直射），对玻璃的遮阳系数影响很大，尤其是Low-E玻璃。目前不少玻璃企业还没有认识到这个问题，仍采用国外的技术标准和计算软件，存在着玻璃产品设计与工程验收标准不一致而导致工程项目无法通过验收的隐患，这个问题应引起国内玻璃企业的高度重视。

4.ISO （EN）、JGJ/T151采用的线传热计算方法，便于计算、评价框的传热性能，也比边缘区域计算方法更适用于幕墙的热工性能计算。

综上所述，我国的行业标准 《建筑门窗玻璃幕墙热工性能计算规程》 （JGJ/T151-2008）融合了幕墙、门窗、玻璃、遮阳系统等相关的热工计算方法，体系全面，并且与此标准配套的粤建科MQMC软件也已经推出，可以满足我国门窗幕墙产品设计、工程设计的实际需要。

[1]JGJ/T 151-2008.建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].

[2]ISO 15099:2003.Thermal performance of windows,doors and shading devices-Detailed calculations[S].

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