雷克(1985-), 男, 博士生, 主要从事建筑钢结构与建筑节能研究, (E-mail)
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。
The heat conduction characteristic of glass curtain wall was investigated. Based on one-dimensional steady heat conduction theory, the numerical calculation model of glass system thermal transmittance was set up by using insulating glass as an example. Based on two-dimensional steady heat conduction theory and finite element method, both the thermal transfer matrix and temperature load array of 3-DOFs triangular element were derived. Then the revised formulas about the heat transfer matrix and temperature load array under the boundary conditions of constant heat flux, heat convective, radiation and coupled of them were also derived. Then the numerical calculation models of glass curtain wall frame and linear thermal transmittance were set up. The program TJCW based on the Visual C++ and ObjectARX was developed for calculating the thermal transmittance of glass curtain wall and was validated by contrast with the results calculated by thermal software LBNL. Finally, TJCW program was used to calculate and check the thermal transmittance of glass curtain wall in a practical project. The results indicate that the thermal transmittance of glass curtain wall can be calculated correctly by adopting the presented model, and the program based on this model can be used in energy conservation calculation and analysis in the actual projects.
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%[
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[
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。
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
中空玻璃一维热传导计算模型
热能由室内通过热对流与热辐射传递给玻璃板1的内表面。
玻璃板1内表面通过热传导将热能传递给外表面。
玻璃板1外表面与玻璃板2内表面之间通过热辐射和气体层的热对流进行热传递。
玻璃板2内表面通过热传导将热量传递给外表面。
玻璃板2通过热对流与热辐射将热量传递给室外。
式(1)~(5)中:
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。
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。
二维的稳态热传导微分方程为:[
边界条件为:
式(6)中:
采用三节点三角形单元对温度场进行离散,每个节点仅有一个温度自由度。利用加权余量的伽辽金法得到热传导微分方程和边界条件的等效积分式的矩阵形式,如式(7)。
二维稳态热传导的有限元求解格式可写为:
式(8)中:{
根据不同的环境边界条件,需分别对热传导矩阵[
当幕墙框表面与环境进行对流传热时,传热系数为
当幕墙框表面与环境之间的热流密度
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[
式中:
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[
式(16)中
在计算辐射传热时,由于单元参与辐射换热边的平均温度未知,需要首先进行假设,然后更新节点温度,不断迭代直到收敛。为便于结果收敛,本文计算时将T4进行泰勒展开并取展开式的前两项,在迭代过程中采用二分法加快收敛。辐射传热边界对[
幕墙框表面与环境通过对流、热流密度及辐射等方式进行热传递。各种条件共同作用时,对[
基于上文建立的玻璃幕墙传热系数计算模型,以AutoCAD为开发平台,运用ObjectARX和Visual C++等开发工具,研发了适用于中国规程[
软件有限元程序计算流程图及主界面图
玻璃幕墙截面尺寸图
材料热工性能表
材料名称 | 导热系数/(W·m-1·K-1) | 表面发射率 |
铝合金 | 160.00 | 0.9 |
浮法玻璃 | 1.00 | 0.9 |
聚氨酯密封胶 | 0.25 | 0.9 |
聚酰胺尼龙66%+ 25%玻璃纤维 | 0.30 | 0.9 |
硅酮结构胶 | 0.35 | 0.9 |
计算边界条件分为室内、室外和绝缘边界,其中上、下表面分别定义为室内和室外边界,两侧为绝缘边界。由于环境条件对温度场和传热系数影响较大,设置3种工况,每种工况的边界条件如
各工况下的边界条件
工况 | 边界类型 | 换热系数/(W·m-2· K-1) | 环境温度/℃ | 辐射温度/℃ | 辐射热流密度/(W·m-2) |
1 | 室内边界 | 5 | 20 | 20 | 0 |
室外边界 | 16 | -20 | -20 | 300 | |
2 | 室内边界 | 4 | 25 | 25 | 0 |
室外边界 | 16 | 40 | 40 | 300 | |
3 | 室内边界 | 3.6 | 15 | 15 | 100 |
室外边界 | 25 | -10 | -10 | 0 |
对比验证结果
工况 | 计算参数 | ||||
框截面传热系数/(W·m-2·K-1) | 玻璃系统传热系数/(W·m-2·K-1) | ||||
1 | LBNL | 12.801 1 | -0.987 5 | 2.33 | 2.813 |
TJCW | 12.913 9 | -0.975 5 | 2.31 | 2.810 | |
2 | LBNL | 48.964 0 | 34.397 3 | 7.98 | 3.227 |
TJCW | 49.223 4 | 34.672 9 | 7.89 | 3.224 | |
3 | LBNL | 13.561 8 | -7.819 1 | 5.75 | 2.786 |
TJCW | 13.571 7 | -7.717 1 | 5.56 | 2.783 |
采用所编制的软件对上海某公共建筑玻璃幕墙进行节能验算。该工程一楼大厅一侧采用单元式玻璃幕墙,该侧窗墙面积比为0.25。每个分格宽1 200 mm,高1 000 mm,幕墙整体尺寸如
玻璃幕墙整体尺寸图
幕墙立柱和横梁截面图
按照
幕墙立柱截面单元划分
幕墙立柱截面温度场云图
立柱节点截面最高温度:10.99℃; 立柱节点截面最低温度:1.81℃
横梁节点见面最低温度:11.92℃; 横梁节点截面最高温度:-0.81℃
立柱节点传热系数:
立柱节点:
玻璃系统的传热系数:
由各部分传热系数计算结果可得,幕墙框传热系数比玻璃系统大,可见若要降低单幅玻璃幕墙传热系数,不但要采用节能性能好的玻璃系统,同时也应该提高幕墙框的保温隔热性能,降低其传热系数。由立柱截面温度场云图可知,在幕墙框空腔内部以及与玻璃系统接触的部位,温度梯度变化不大。玻璃系统内部温度梯度变化较大。
按各部分面积加权平均的方法计算整幅幕墙的传热系数为3.50,如式(19)所示。
参照《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)[
在研究玻璃幕墙热传递特点的基础上,基于稳态热传导理论和有限单元法,建立了玻璃幕墙传热系数的计算模型,研发了计算软件,并采用所编制软件对某工程实例中玻璃幕墙传热系数进行了节能验算,得出如下主要结论:
1) 基于一维稳态热传导理论,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,建立了各种边界条件下玻璃幕墙框及附加线传热系数计算模型。经算例对比验证,计算结果与LBNL研发的热工软件计算结果基本一致,证明了所建立的计算模型具有一定的正确性。
2) 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,可以应用在实际工程节能分析和计算中。
3) 相比其他国家热工软件,所编软件适应于中国规范,同时良好地继承了AutoCAD的强大功能,可直接选择材料填充模型区域,不需描绘底图,大大缩减了建模时间,为玻璃幕墙节能分析计算提供了方便快捷的工具,并将促进建筑节能事业的发展。
Hong T Z. A close look at the China design standard for energy efficiency of public buildings[J]. Energy and Buildings, 2009, 41(2):426-435.
刘骁.玻璃幕墙的节能与环保[J].建筑技术, 2009, 40(12):1127-1129.
Liu X.Energy-saving and environmental protection of glass curtain wall[J].Architecture Technology, 2009, 40(12):1127-1129.
李雨桐, 卜增文, 刘俊跃, 等.玻璃幕墙传热系数现场检测的研究[J].山东建筑工程学院学报, 2004, 19(4):54-58.
Li Y T, Pu Z W, Liu J Y, et al.Research on field-testing method of heat transfer coefficient of glass curtain wall[J].Journal of Shandong University of Architecture and Engineering, 2004, 19(12):54-58.
Ismail K A R, Henrquez J R.U-values optical and thermal coefficients of composite glass systems[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 1998, 52(1/2):155-182.
Larsson U, Moshfegh B, Sandberg M.Thermal analysis of super insulated windows numerical and experimental investigations[J].Enery and Building, 1999, 29(2):121-128.
Ismail K A R, Henrquez J R.Two-dimensional model for the double glass naturally ventilated window[J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(3/4):461-475.
Fissore A, Fonseca N.Experimental study of the thermal balance of a window, design description[J].Building and Environment, 2007, 42(9):3309-3321.
Seung Y S, June S Y, Bo K K.Insulation plan of aluminum curtain wall-fastening unit for high-rise residential complex[J].Building and Environment, 2007, 42(7):1310-1317.
Sang T N, Kang S K, Jin S J.Simulation and mock-up tests of the thermal performance of curtain walls[J].Energy and Buildings, 2008, 40(7):1135-1144.
杨仕超. 中外建筑门窗幕墙热工计算标准体系[C]//第16届全国铝门窗幕墙行业年会论文集, 北京: 中国建筑工业出版社, 2010: 243-252.
ISO 15099 Thermal performance of windows, doors and shading devices-detailed calculations[S].International Organization for Standardization, 2003.
NFRC 100 Procedure for determining fenestration product U-factors[S].National Fenestration Rating Council, 2004.
NFRC 200 Procedure for determining fenestration product solar heat gain coefficient and visible transmittance at normal incidence[S]. National Fenestration Rating Council, 2004.
JGJ/T 151-2008建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社, 2010.
杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2010.
GB 50189-2005公共建筑节能设计标准[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.