建筑幕墙热工计算.docx
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1、编号:时间:2021年x月x日书山有路勤为径,学海无涯苦作舟页码:第68页 共28页第三章 建筑门窗玻璃幕墙热工计算一、整樘窗热工性能计算窗由多个部分组成,窗框、玻璃(或其它面板)等部分的光学性能和传热特性各不一样,在计算整窗的传热系数、遮阳系数以及可见光透射比时,应采用各部分的相应数值按面积进行加权平均计算。窗玻璃(或者其它镶嵌板)边缘与窗框的组合传热效应所产生的附加传热以附加线传热系数()表达,简称“线传热系数”,应按照本章“框的传热计算”进行计算。窗框的传热系数、太阳能总透射比按照本章“框的传热计算”进行计算。窗玻璃的传热系数、太阳能总透射比、可见光透射比按照本章“玻璃光学热工性能计算”
2、进行计算。(一)整樘窗几何描述整樘窗应根据框截面的不同对窗框进行分类,每个不同类型窗框截面均应计算框传热系数、线传热系数。不同类型窗框相交部分的传热系数可采用邻近框中较高的传热系数代替。图3-1 窗各部件面积划分示图1、窗面积划分窗在进行热工计算时应按图3-1进行面积划分:(1)窗框的投影面积Af:从室内、外两侧分别投影,得到的可视框投影面积中的较大值,简称“窗框面积”;(2)玻璃的投影面积Ag(或其它镶嵌板的投影面积Ap):指从室内、外侧可见玻璃(或其它镶嵌板)边缘围合面积的较小值,简称“玻璃面积”;(3)整樘窗的总投影面积At:窗框面积Af与窗玻璃面积Ag(或其它镶嵌板的面积Ap)之和,简
3、称“窗面积”。2、窗玻璃区域周长划分玻璃和框结合处的线传热系数对应的边缘长度l应为框与玻璃室内、外接缝长度的较大值,见图3-2所示。图3-2 窗玻璃区域周长示图(二)整樘窗传热系数计算整樘窗的传热系数Ut采用下式计算: (3-1)式中:Ut整樘窗的传热系数W/(m2K);Ag窗玻璃(或者其它镶嵌板)面积(m2);Af窗框面积(m2);At整樘窗面积(m2);l玻璃区域(或者其它镶嵌板区域)的边缘长度(m);Ug窗玻璃(或者其它镶嵌板)的传热系数W/(m2K),按本章“玻璃光学热工性能计算”计算;Uf窗框的传热系数W/(m2K),按本章“框的传热计算”计算;窗框和窗玻璃(或者其它镶嵌板)之间的线
4、传热系数W/(m2K),按本章“框的传热计算”计算。(三)整樘窗遮阳系数计算整樘窗的遮阳系数是指:在给定条件下,外窗的太阳能总透射比与相同条件下相同面积的标准玻璃(3mm厚透明玻璃)的太阳能总透射比的比值。整樘窗的遮阳系数SC应采用下式计算: (3-2)式中:SC整樘窗的遮阳系数;gt整樘窗的太阳能总透射比。上式中整樘窗的太阳能总透射比gt应采用下式计算: (3-3)式中:gt整樘窗的太阳能总透射比;Ag窗玻璃(或者其它镶嵌板)面积(m2);Af窗框面积(m2);gg窗玻璃区域(或者其它镶嵌板)太阳能总透射比,按本章“玻璃光学热工性能计算”进行计算;gf窗框太阳能总透射比;At整樘窗面积(m2
5、)。(四)整樘窗可见光透射比计算整樘窗的可见光透射比是指:采用人眼视见函数进行加权,标准光源透过门窗成为室内的可见光通量与投射到门窗上的可见光通量的比值。整樘窗的可见光透射比应采用下式计算: (3-4)式中:t整樘窗的可见光透射比;v窗玻璃(或者其它镶嵌板)的可见光透射比,按本章“玻璃光学热工性能计算”进行计算;Ag窗玻璃(或者其它镶嵌板)面积(m2);At整樘窗面积(m2)。二、玻璃光学热工性能计算(一)单层玻璃的光学热工性能计算1、单层玻璃(包括其它透明材料,下同)的光学、热工性能应根据单片玻璃的测定光谱数据进行计算。单片玻璃的光谱数据应包括透射率、前反射率和后反射率,并至少包括300nm
6、2500nm波长范围,不同波长段的间隔应满足如下间隔要求:(1)波长300400nm,间隔不超过5nm;(2)波长4001000nm,间隔不超过10nm;(3)波长10002500nm,间隔不超过50nm。2、单片玻璃的可见光透射比V应按下式计算: (3-5)式中:D()光源D65的相对光谱功率分布,见附录A;()玻璃透射比的光谱;V()人眼的视见函数,见附录A。3、单片玻璃的可见光反射比V应按下式计算: (3-6)式中:()玻璃反射比的光谱。4、单片玻璃的太阳能直接透射比S应按下式计算: (3-7)式中:()玻璃透射比的光谱;S()标准太阳光谱,见附录A。5、单片玻璃的太阳能直接反射比S应按
7、下式计算: (3-8)式中:()玻璃反射比的光谱。6、单片玻璃的太阳能总透射比,按照下式计算: (3-9)式中:hin玻璃室内表面换热系数;hout玻璃室外表面换热系数;As单片玻璃的太阳辐射吸收系数。单片玻璃的太阳辐射吸收系数As应按下式计算: (3-10)式中:s单片玻璃的太阳能直接透射比;s单片玻璃的太阳能直接反射比。7、单片玻璃的遮阳系数SCcg应按下式计算: (3-11)(二)多层玻璃的光学热工性能计算1、太阳光透过多层玻璃系统可归纳为图3-3所示模型。图3-3 玻璃层的吸收率和太阳光透射比图3-4 多层玻璃体系中太阳辐射热的分析图中表示一个具有n层玻璃的系统,系统分为n1个气体间层
8、,最外面为室外环境i=1,内层为室内环境i=n+1。对波长,系统的光学分析应考虑在第i-1层和第i层玻璃之间辐射能量和,角标“+”和“-”分别表示辐射流向室外和向室内,如图3- 4所示。可设定室外只有太阳辐射,室外和室内环境的反射率为零。当i=1时: (3-12) (3-13)当i=n+1时: (3-14) (3-15)当i=2n时: i2至n (3-16) i2至n (3-17)应利用解线性方程组的方法计算所有各个气体层的I-i()和I+i()值,传向室内的直接透射比应由下式计算: (3-18)反射到室外的直接反射比应由下式计算: (3-19)应确定太阳辐射被每层玻璃吸收的部分,这一量值以在
9、第i层的吸收率Ai()表示,采用下式计算: (3-20)2、对整个太阳光谱进行数值积分,得到第i层玻璃吸收的太阳辐射热流密度Si。 (3-21) (3-22)式中:太阳辐射照射到玻璃系统时第i层玻璃的吸收率。3、多层玻璃的可见光透射比的计算应采用式(3-5)计算,可见光反射比的计算应采用式(3-6)计算。4、多层玻璃的太阳能直接透射比应采用式(3-7)计算,太阳能直接反射比应采用式(3-8)计算。(三)玻璃气体间层的热传递图3-5 第层玻璃的能量平衡1、玻璃间气体层的能量平衡如图3-5所示,可用基本的关系式表达如下: (3-23)式中:Tf,i第i层玻璃前表面温度(K);Tb,i-1第i-1层
10、玻璃后表面温度(K);Jf,i第i层玻璃前表面辐射热(W/m2);Jb,i-1第i-1层玻璃后表面辐射热(W/m2);在每一层气体间层中,应采用以下方程: (3-24) (3-25) (3-26) (3-27)式中:tg,i第i层玻璃的厚度;b,i第i层后表面半球发射率;f,i第i层前表面半球发射率;g,i第i层玻璃的导热系数(W/mK)。在计算传热系数时,应令太阳辐射IS=0,在每层材料均为玻璃的系统中可采用如下热平衡方程计算气体间层的传热: (3-28)式中:hr,i第i层气体层的辐射换热系数,由(3-43)式给出。2、玻璃层间气体间层的对流换热系数可由无量纲的努谢尔特数确定: (3-29
11、)式中:dg,i玻璃间层气体间层i的厚度;g,i所充气体的导热系数;Nui通过倾斜气体间层传热的实验结果所计算的值,Nui为雷利数Raj、气体间层高厚比和空腔倾角的函数。注:在计算高厚比大的空腔时应考虑玻璃会发生弯曲现象对厚度的增加和减少,发生弯曲的原因包括:空腔平均温度、空气湿度含量的变化、干燥剂对氮气的吸收、充氮气过程中由于海拔高度和天气变化造成压力的改变等因素。3、玻璃层间气体间层的雷利数(Rayleigh)可表示为: (3-30)可将填充气体作理想气体处理,气体热膨胀系数为: (3-31)式中:填充气体的平均温度(K)。第层气体间层的高厚比为: (3-32)式中:H气体间层顶到底的距离
12、,通常应和窗的透光区高度相同。4、在定量计算通过玻璃气体间层的对流热传递时,计算应对应于特定的倾角值或范围。对于倾角,以下计算假设空腔从室内加热(即Tf,iTb,i-1);若实际上室外温度高于室内(Tf,iTb,i-1),则要将倾角以180-代替。空腔的努谢尔特数Nui应由以下计算公式确定:(1)气体间层倾角 060 且 (3-33)式中:。(2)气体间层倾角 =60 (3-34)式中:(3)气体间层倾角6090对于倾角在之间的气体间层,对式(3-34)和(3-35)?的结果之间作线性插值。这些公式在且范围内是有效的。(4)垂直气体间层 (3-35) 5104 Ra 104 Ra 5104 R
13、a 104 (5)气体间层倾角90到180面向下的气体间层应用下式公式: (3-36)式中:由式(3-35)给出的垂直气体间层的努谢尔特数。5、填充气体的密度应用理想气体定律计算: (3-37)式中:P气体压力,标准状态下P=101300 Pa; 气体密度(kg/m3);Tm气体的温度,标准状态下Tm=293 K;气体常数J/(kmolK)。定压比热容cp、运动粘度、导热系数是温度的线性函数,应采用附录B?给出的公式和气体的相关系数计算。6、混合气体的密度、导热系数、粘度和比热容是各成分相应性质的函数:(1)摩尔质量 (3-38)式中:是混合气体中某一气体成分的摩尔数。(2)密度 (3-39)
14、(3)比热容 (3-40)式中:(4)粘度 (3-41)式中:(5)导热系数 (3-42)式中:单原子气体的导热系数多原子气体由于内能的散发所产生的附加能量运动。 应按以下步骤求取:计算: 计算:式中:第层填充气体的导热系数。用计算用计算7、远红外辐射透射比为“0”的玻璃(或其它板材),气体间层两侧玻璃的辐射换热系数hr可采用下式计算: (3-43)式中:斯蒂芬-波尔兹曼常数;1、2气体间层中的两个玻璃表面在平均绝对温度Tm下的半球发射率;Tm气体间层中两个表面的平均绝对温度(K)。(四)玻璃系统的热工参数计算1、计算玻璃系统的传热系数时,可采用简单的模拟环境条件:仅包括室内外温差,没有太阳辐
15、射。 (3-44)计算传热系数时应设定没有太阳辐射: (3-45)式中:(Is=0)没有计算太阳辐射热作用,通过门窗传向室内的净热流(W/m2);室外环境温度;室内环境温度。玻璃的总传热阻Rt应为各层玻璃、气体间层、内外表面换热阻之和: (3-46)式中:Rg,i第i层玻璃的固体热阻,由下式计算: (3-47)第一层气体间层为室外,最后一层气体间层(n+1)为室内,第i层气体间层的热阻为: (3-48)式中:、第i层气体间层的外表面和内表面温度;qi第i层气体间层的热流密度,根据本章中“玻璃气体间层的热传递”部分的规定算出。环境温度应是周围空气温度Tair和平均辐射温度Trm的加权平均值,采用
16、下式计算: (3-49)式中:和应根据相应的边界条件计算确定。2、玻璃系统的遮阳系数:各层玻璃室外侧方向的热阻用下式计算: (3-50)式中:Rg,i第i层玻璃的固体热阻;Rg,k第k层玻璃的固体热阻;Rk第k层气体间层的热阻。各层玻璃向室内的二次传热用下式计算: (3-51)玻璃系统的太阳能总透射比应按下式计算: (3-52)玻璃系统的遮阳系数按式(3-11)计算。三、框的传热计算框的传热计算可采用Therm5.0进行计算。Therm5.0是一个专门针对窗框计算的二维有限元传热计算软件,有窗框计算的各种材料库和环境库,应用前应将我国的标准计算条件输入“边界条件库”,材料参数输入到“材料库”中
17、。采用Therm5.0进行窗框节点模拟计算时,应遵循以下原则:(1)常用材料的物理性能参数按表3-1确定;(2)各种材料外轮廓线可用折线近似代替实际的曲线,且应避免出现小于45度的锐角;(3)一般型材空腔内表面的小凹槽与小凸起可适当简化,但跨越玻璃(或其它镶板)室内外型材的小凹槽与小凸起不可做简化;(4)一般可不考虑窗锁、窗执手及固定螺栓、螺钉的热桥影响,但如果锁跨越玻璃两侧,且截面积比较大时,应考虑热桥影响;(5)隔热型材的隔热材料(如隔热条、填充的发泡剂等)的尺寸必须与实际完全相符,不可做简化;(6)各种材料的搭接应完全,不可出现缺口,尤其是隔热材料、密封材料与窗型材之间;(7)铝合金扣板
18、与其它型材的接触应为线接触(在二维计算中为点接触),所以接触处的长度不可做简化和修改;各类密封胶条、密封胶与型材之间应为面接触;(8)封闭空腔内填充材料类型应选择“Frame Cavity NFRC 100-2001”。(一)材料物理性能参数1、常用材料的导热系数固体材料的相关参数选用表3-1中的数据。表3-1 常用材料的导热系数用途材料密度(kg/m3)导热系数(W/m.K)窗框铜8900380铝(铝合金)2800160黄铜8400120铁780050不锈钢790017建筑钢材785058.2PVC13900.17硬木7000.18软木(常用于建筑构件中)5000.13玻璃钢(UP树脂)19
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