P13热工计算.docx

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P13热工计算

13.建筑幕墙系统热工计算

1计算引用的规范、标准及资料2

2计算中采用的部分条件参数及规定2

2.1计算所采纳的部分参数2

2.2规范DB33/1036-2007《公共建筑节能设计标准》3

3幕墙系统结构基本参数4

3.1地区参数：

4

3.2建筑参数：

4

3.3环境参数4

3.4单元参数4

3.5框传热系数相关参数4

4玻璃的传热系数U值的计算5

4.1计算基础及依据5

4.2室外表面换热系数5

4.3室内表面换热系数6

4.4多层玻璃系统材料的固体热阻6

4.5多层玻璃系统内部气体间层的热阻6

5幕墙系统框的传热系数U值的计算8

5.1框的传热系数Uf8

5.2幕墙框与玻璃结合处的线传热系数ψ12

6幕墙系统整体的传热系数U值12

7太阳光透射比及遮阳系数计算13

7.1太阳光总透射比gt13

7.2幕墙系统计算单元的遮阳系数14

7.3幕墙系统计算单元可见光透射比计算15

8结露计算15

8.1水表面的饱和水蒸气压计算15

8.2在空气相对湿度f下，空气的水蒸气压计算16

8.3空气的结露点温度计算16

8.4幕墙系统玻璃内表面的计算温度16

8.5结露性能评价16

11计算引用的规范、标准及资料

《建筑幕墙》GB/T21086-2007

《民用建筑热工设计规范》GB50176-93

《公共建筑节能设计标准》DB33/1036-2007

《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2010

《居住建筑节能设计标准意见稿》[建标2006-46号]

《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008

《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009

《玻璃幕墙光学性能》GB/T18091-2000

《建筑玻璃可见光、透射比等以及有关窗玻璃参数的测定》GB/T2680-94

《建筑节能工程施工质量验收规范》GB50411-2007

《居住建筑节能检测标准》JGJ/T132-2009

《公共建筑节能改造技术规范》JGJ176-2009

《公共建筑节能检测标准》JGJ/T177-2009

《既有居住建筑节能改造技术规程》JGJ129-2000

《节能建筑评价标准》GB/T50668-2011

《建筑幕墙工程技术规范》DGJ08-56-2012

12计算中采用的部分条件参数及规定

12.1计算所采纳的部分参数

按《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008采用

（1）冬季标准计算条件应为：

室内空气温度：

Tin=20℃；

室外空气温度：

Tout=-20℃；

室内对流换热系数：

hc,in=3.6W/（m2·K）；

室外对流换热系数：

hc,out=16W/（m2·K）；

室内平均辐射温度：

Trm,in=Tin

室外平均辐射温度：

Trm,out=Tout

太阳辐射照度：

Is=300W/m2；

（2）夏季标准计算条件应为：

室内空气温度：

Tin=25℃；

室外空气温度：

Tout=30℃；

室内对流换热系数：

hc,in=2.5W/（m2·K）；

室外对流换热系数：

hc,out=16W/（m2·K）；

室内平均辐射温度：

Trm,in=Tin

室外平均辐射温度：

Trm,out=Tout

太阳辐射照度：

Is=500W/m2；

（3）计算传热系数应采用冬季标准计算条件，并取Is=0W/m2；

（4）计算遮阳系数、太阳光总透射比应采用夏季标准计算条件；

（5）结露性能计算的标准边界条件应为：

室内环境温度：

20℃；

室内环境湿度：

30%，60%；

室外环境温度：

0℃，-10℃，-20℃

（6）框的太阳光总透射比gf应采用下列边界条件：

qin=α·Is

α：

框表面太阳辐射吸收系数；

Is：

太阳辐射照度（W/m2）；

qin：

框吸收的太阳辐射热（W/m2）；

12.2规范DB33/1036-2007《公共建筑节能设计标准》的部分规定

（1）结构所在的建筑气候分区应该按下面表格取用。

表4.2.1主要城市所处气候分区

气候分区

代表性城市

严寒地区A区

海伦、博克图、伊春、呼玛、海拉尔、满洲里、齐齐哈尔、富锦、哈尔滨、牡丹江、克拉玛依、佳木斯、安达

严寒地区B区

长春、乌鲁木齐、延吉、通辽、通化、四平、呼和浩特、抚顺、大柴旦、沈阳、大同、本溪、阜新、哈密、鞍山、张家口、

酒泉、伊宁、吐鲁番、西宁、银川、丹东

寒冷地区

兰州、太原、唐山、阿坝、喀什、北京、天津、大连、阳泉、

平凉、石家庄、德州、晋城、天水、西安、拉萨、康定、济南、青岛、安阳、郑州、洛阳、宝鸡、徐州

夏热冬冷地区

南京、蚌埠、盐城、南通、合肥、安庆、九江、武汉、黄石、岳阳、汉中、安康、上海、杭州、宁波、宜昌、长沙、南昌、株洲、零陵、赣州、韶关、桂林、重庆、达县、万州、涪陵、南充、宜宾、成都、贵阳、遵义、凯里、绵阳

夏热冬暖地区

福州、莆田、龙岩、梅州、兴宁、英德、河池、柳州、贺州、泉州、厦门、广州、深圳、湛江、汕头、海口、南宁、北海、梧州

甲类建筑维护结构传热系数和遮阳系数限值

表4.2.1-1夏热冬冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值

围护结构部位

传热系数KW/（m2·K）

屋面

≤0.70

外墙（包括非透明幕墙）

≤1.0

底面接触室外空气的架空或外挑楼板

≤1.0

外窗（包括透明幕墙）

传热系数KW/（m2·K）

遮阳系数SC

（东、南、西向/北向）

单一朝向外窗（包括透明幕墙）

窗墙面积比≤0.2

≤3.3

—

0.2＜窗墙面积比≤0.3

≤2.5

≤0.40/—

0.3＜窗墙面积比≤0.4

≤2.1

≤0.35/0.40

0.4＜窗墙面积比≤0.5

≤2

≤0.32/0.0.4

0.5＜窗墙面积比≤0.7

≤1.8

≤0.28/0.35

屋顶透明部分

≤2.0

≤0.28

注:

有外遮阳时,遮阳系数=玻璃的遮阳系数外遮阳的遮阳系数；无外遮阳时，遮阳系数=玻璃的遮阳系数。

13幕墙系统结构基本参数

13.1地区参数：

杭州，地区类别属于夏热冬冷地区；

13.2建筑参数：

建筑物长度：

248m；

建筑物宽度：

166m；

建筑物高度：

25.7m；

建筑物朝向：

东；

建筑物体形系数：

0.059；

建筑物窗墙比：

0.28；

计算项目类型：

幕墙系统；

13.3环境参数

建筑物采用空气调节系统：

13.4单元参数

中空玻璃：

6+12（中空层）+6（mm）；

外片：

普通玻璃；

内片：

LOW-E镀膜；

中空气体间层气体：

空气；

幕墙系统的面积：

A=33.12m2；

幕墙系统玻璃的面积：

Ag=30.65m2；

幕墙系统框的面积：

Af=2.475m2；

幕墙系统框的总表面面积：

Asurf=4.95m2；

玻璃区域的总周长：

lψ=47.36m；

幕墙系统角度：

θ=90度；

计算单元高度：

H=4140mm；

13.5框传热系数相关参数

Ad,i=0.365m2

Ad,e=0.115m2

Af,i=0.065m2

Af,e=0.065m2

14玻璃的传热系数U值的计算

玻璃传热分析简图如下：

14.1计算基础及依据

计算玻璃的传热系数U值，依据《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008进行计算。

U值是表征玻璃传热的参数。

表示热量通过玻璃中心部位而不考虑边缘效应，稳态条件下，玻璃两表面在单位环境温度差条件时，通过单位面积的热量。

U值的单位是W/（m2·K）。

　按规范6.4.1规定，计算玻璃的传热系数应该采用下面的公式：

Ug=1/Rt6.4.1-2[JGJ/T151-2008]

而玻璃系统的传热阻Rt应为各层玻璃、气体间层、内外表面换热阻之和，应该下面计算公式采用：

Rt=1/hout+∑Ri+∑Rg,i+1/hin6.4.1-3[JGJ/T151-2008]

Rg,i=tg,i/λg,ii=1～n6.4.1-4[JGJ/T151-2008]

Ri=（Tf,i-Tb,i-1）/qii=2～n6.4.1-5[JGJ/T151-2008]

qi=hc,i（Tf,i-Tb,i-1）+hr,i（Tf,i-Tb,i-1）6.3.1-6[JGJ/T151-2008]

式中：

Rg,i：

第i层玻璃的固体热阻（m2·K/W）；

　Ri：

第i层气体间层的热阻（m2·K/W）；

Tf,i、Tb,i-1：

第i层气体间层的外表面和内表面的温度（K）；

qi：

第i层气体间层的热流密度。

14.2室外表面换热系数

外表面的换热系数应按如下公式计算：

hout=hr,out+hc,out参10.4.1-2[JGJ/T151-2008]

式中：

hout：

玻璃外表面的换热系数；

hr,out：

玻璃外表面的辐射换热系数；

hc,out：

玻璃外表面的对流换热系数，按规范取16W/（m2·K）；

hr,out=3.9εs,out/0.83710.3.5-3[JGJ/T151-2008]

式中：

εs,out：

玻璃外表面半球发射率；

hout=hr,out+hc,out

=3.9×0.837/0.837+16

=19.9W/（m2·K）

14.3室内表面换热系数

室内表面换热系数hin可用下式表达：

hin=hr,in+hc,in参10.4.1-2[JGJ/T151-2008]

上式中：

hr,in：

辐射导热系数；

hc,in：

对流导热系数；

　hr,in=4.4εs/0.83710.3.4-4[JGJ/T151-2008]

εs：

玻璃表面校正发射率，由厂家给出；

本处玻璃是LOW-E镀膜，膜面在第3面，按上面的约定，其εs取值为0.837，带入，得：

hr,in=4.4εs/0.837

=4.4×0.837/0.837

=4.4W/（m2·K）

按规范：

hc,in的值冬季取是3.6W/（m2·K），夏季取2.5W/（m2·K）。

对于通常情况下的玻璃表面辐射和自由对流：

冬季：

hin=hr,in+hc,in

=4.4+3.6

=8W/（m2·K）

夏季：

hin=hr,in+hc,in

=4.4+2.5

=6.9W/（m2·K）

14.4多层玻璃系统材料的固体热阻

Rg,i=tg,i/λg,i6.4.1-4[JGJ/T151-2008]

tg,i：

第i层固体材料的的厚度；

λg,i：

第i层固体材料的导热系数，玻璃取l.00W/m·K；

∑Rg,i=6/1000+6/1000

=0.012m2·K/W

14.5多层玻璃系统内部气体间层的热阻

（1）玻璃中空气体间层两侧玻璃的辐射换热系数：

hr=4σ（1/ε1+1/ε2-1）-1×Tm36.3.7[JGJ/T151-2008]

式中：

σ：

斯蒂芬－玻尔兹曼常数，取σ=5.67×10-8W/（m2·K）；

ε1、ε2：

气体间层中两表面在平均绝对温度Tm下的半球发射率：

ε1=0.837，ε2=0.15；

Tm：

气体间层两表面的平均绝对温度（K），取Tm=273K；

hr=4σ（1/ε1+1/ε2-1）-1×Tm3

=4×5.67×10-8×（1/0.837+1/0.15-1）-1×2733

=0.673W/（m2·K）

（2）玻璃中空气体间层两侧玻璃的对流换热系数：

hc,i=Nui×（λg,i/dg,i）6.3.2[JGJ/T151-2008]

式中：

Nui：

努谢尔特数，是瑞利数Raj、气体气体间层高厚比和气体间层倾角θ的函数；

λg,i：

所充气体的导热系数W/（m·K）；

dg,i：

气体间层的厚度；

瑞利数Ra的计算：

Ra=γ2d3GβcpΔT/μλ6.3.3-1[JGJ/T151-2008]

β=1/Tm6.3.3-2[JGJ/T151-2008]

Ag,i=H/dg,i6.3.3-3[JGJ/T151-2008]

式中：

Ra：

瑞利（Rayleigh）数；

γ：

气体密度（kg/m3）；

G：

重力加速度，取9.8m/s2；

cp：

常压下气体比热容（J/（kg·K））；

μ：

常压下的气体黏度（kg/（m·s））；

λ：

常压下气体的导热系数（W/（m·K））；

ΔT：

气体间层前后玻璃表面的温度差（K）；

β：

将填充气体作为理想气体处理时的气体热膨胀系数；

Tm：

填充气体的平均温度（K）；

H：

气体间层顶底距离，取幕墙系统透光区域高度（m）；

Ag,i：

气体间层的高厚比；

dg,i：

气体间层的厚度；

β=1/Tm

=1/273

=0.00366

Ag,i=H/dg,i

=4140/12

=345

Ra=γ2d3GβcpΔT/μλ

=1.29332×（12/1000）3×9.8×0.00366×1006.1034×3/0.00001722/0.0241

=753.986

空腔的努谢尔特数应该按下面的公式计算：

1）气体间层倾角0≤θ＜60°

Nu=1+1.44[1-1708/Racosθ]×[1-1708sin1.6（1.8θ）/Racosθ]

+[（Racosθ/5830）1/3-1]×6.3.4-1[JGJ/T151-2008]

Ra<105，Ag,i>20

式中：

函数[x]×表示为：

[x]×=（x+|x|）/2

2）气体间层倾角θ=60°

Nu=（Nu1,Nu2）max6.3.4-2[JGJ/T151-2008]

式中：

Nu1=[1+（0.0936Ra0.314/（1+GN））7]1/7

Nu2=（0.104+0.175/Ag,i）Ra0.283

GN=0.5/（[1+（Ra/3160）20.6]）0.1

3）气体间层倾角60°＜θ＜90°

按公式6.3.4-2和6.3.4-3做线性插值：

4）θ=90°

Nu=（Nu1,Nu2）max6.3.4-3[JGJ/T151-2008]

Nu1=0.0673838Ra1/3Ra>5×104

Nu1=0.028154Ra0.4134104＜Ra≤5×104

Nu1=1+1.7596678×10-10Ra2.2984755Ra≤104

Nu2=0.242（Ra/Ag,i）0.272

本计算中θ=90度，带入上面公式，得：

Nu=1.0007

代入6.3.2，得

hc,i=Nui×（λg,i/dg,i）

=1.0007×（0.0241/（12/1000））

=2.01W/（m2·K）

公式6.4.1-5及6.3.1-6两项合并，对于两片中空玻璃，则：

Ri=1/（hc,i+hr,i）

=1/（2.01+0.673）

=0.373（m2·K/W）

代入6.4.1-3，得：

冬季玻璃U值为：

Rt=1/hout+∑Ri+∑Rg,i+1/hin

=1/19.9+0.373+0.012+1/8

=0.56（m2·K/W）

U1=1/Rt

=1.786W/（m2·K）

15幕墙系统框的传热系数U值的计算

15.1框的传热系数Uf

在计算框的传热系数时，按照《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008的规定，可以通过输入数据，用二维有限单元法进行数字计算，得到框的传热系数。

也可以采用该规范附录B提供的方法计算框的传热系数，本计算中采用的是后者，以下关于框的传热系统的说明均来自《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008附录B，其图表索引号同样是该规范中的图表号！

本计算中给出的所有的数值全部是窗垂直安装的情况。

传热系数的数值包括了外框面积的影响。

计算传热系数的数值时取内表面换热系数hin=8.0W/m2·K和外表面换热系数hout=23W/m2·K。

框的传热系数Uf的数值可以通过下列程序获得：

1：

塑料窗框

表B.0.2带金属钢衬的塑料窗框的传热系数

窗框材料

窗框种类

Uf[W/（m2.K）]

聚氨酯

带有金属加强筋，型材壁厚的净厚度≥5mm

2.8

PVC腔体截面

从室内到室外为两腔结构，无金属加强筋

2.2

从室内到室外为两腔结构，带有金属加强筋

2.7

从室内到室外为三腔结构，无金属加强筋

2.0

2：

金属窗框

框的传热系数的数值可通过下面的步骤计算获得：

1）金属框Uf的传热系数公式为：

式中：

Ad.i,Ad,e,Af,i,Af,e——窗或幕墙各部件面积，m2；其定义如下图3.2.2、图4.2.2所示。

hi——框的内表面换热系数，W/m2K；

he——框的外表面换热系数，W/m2K；

Rf——框截面的热阻（隔热条的导热系数为0.2～0.3W/m.K），m2K/W。

2）金属窗框Rf的热阻通过下式获得：

没有隔热的金属框，Uf0=5.9W/（m2·K）；具有隔热的金属框，Uf0的数值可按图B.0.2-3中阴影区域上限的粗线选取，图B.0.2-4、B.0.2-5为两种不同的隔热金属框截面类型示意。

在表B.0.2-3中，带隔热条的金属窗框的适用的条件是：

（B.0.2-3）

其中：

d——热断桥对应的铝合金截面之间的最小距离；

bj——热断桥j的宽度;

bf——窗框的宽度。

在表B.0.2-3中，采用泡沫材料隔热金属框的适用的条件是：

（B.0.2-3）

其中：

d——热断桥对应的铝合金截面之间的最小距离；

bj——热断桥j的宽度;

bf——窗框的宽度。

图3.2.2窗各部件面积划分示意

图4.2.2幕墙各部件面积划分示意

图B.0.2-3带隔热的金属窗框的传热系数值

图B.0.2-4截面类型1（采用导热系数低于0.3W/m.K的隔热条）

图B.0.2-5截面类型2（采用导热系数低于0.2W/m.K的泡沫材料）

15.2幕墙框与玻璃结合处的线传热系数ψ

窗框与玻璃结合处的线传热系数ψ，主要描述了在窗框、玻璃和间隔层之间交互作用下附加的热传递，线性热传递传热系数ψ主要受间隔层材料传导率的影响。

在没有精确计算的情况下，可采用下表估算窗框与玻璃结合处的线传热系数ψ：

表B.0.3铝合金、钢（不包括不锈钢）中空玻璃的线传热系数ψ

窗框材料

双层或者三层未镀膜中空玻璃

ψ（W/m.K）

双层Low-E镀膜或三层（其中两片Low-E镀膜）中空玻璃

ψ（W/m.K）

木窗框和塑料窗框

0.04

0.06

带热断桥的金属窗框

0.06

0.08

没有断桥的金属窗框

0

0.02

对于塑钢型材，框的传热系数可直接按规范表B.0.2取值；

对于铝合金型材，需要按规范图B.0.2-3取Uf0，然后依次代入下面公式求Uf：

Rf=1/Uf0-0.17B.0.2-2[JGJ/T151-2008]

Uf=1/（Af,i/hiAd,i+Rf+Af,e/heAd,e）B.0.2-1[JGJ/T151-2008]

本结构采用断热铝合金型材型材，因此：

Uf=4.187W/（m2·K）[断热截面金属框间距d=20mm，Uf0=2.76]

ψ=0.08W/（m·K）

16幕墙系统整体的传热系数U值

实际结构中需要考虑金属框及周边洞口的影响，并进行加权计算。

按JGJ/T151-2008规定：

对于整樘门窗结构：

Ut=（ΣAg·Ug+ΣAf·Uf+Σlψ·ψ）/At3.3.1[JGJ/T151-2008]

在上面的公式中：

Ut：

整樘窗的传热系数；

Ag：

窗玻璃面积；

Af：

窗框面积；

At：

窗面积；

lψ：

玻璃区域边缘长度；

Ug：

窗玻璃的传热系数；

Uf：

窗框的传热系数；

ψ：

窗框和窗玻璃间的线传热系数；

对于单幅幕墙结构：

UCW=（ΣAg·Ug+ΣAp·Up+ΣAf·Uf+Σlg·ψg+Σlp·ψp）/（Ag+Ap+Af）4.3.1[JGJ/T151-2008]

在上面的公式中：

UCW：

单幅幕墙的传热系数；

Ag：

玻璃或透明面板面积；

lg：

玻璃或透明面板边缘长度；

Ug：

玻璃或透明面板的传热系数；

ψg：

玻璃或透明面板的线传热系数；

Ap：

非透明面板面积；

lp：

非透明面板边缘长度；

Up：

非透明面板的传热系数；

ψp：

非透明面板的线传热系数；

Af：

框面积；

Uf：

框的传热系数；

本计算项目是幕墙系统：

U冬季=UCW=（ΣAg·Ug+ΣAp·Up+ΣAf·Uf+Σlg·ψg+Σlp·ψp）/（Ag+Ap+Af）

=（30.65×1.786+2.475×4.187+47.36×0.08）/33.12

=2.08W/（m2·K）

按规范DB33/1036-2007《公共建筑节能设计标准》的要求，本处的U值应该不大于2.5W/（m2·k），所以满足规范要求!

17太阳光透射比及遮阳系数计算

17.1太阳光总透射比gt

通过幕墙系统构件成为室内的热量的太阳辐射与投射到幕墙系统构件上的太阳辐射的比值。

成为室内热量的太阳辐射部分包括直接的太阳光透射得热和被构件吸收的太阳辐射再经传热进入室内的得热。

（1）框的太阳光总透射比gf

gf=αf·Uf/（Asurf/Af·hout）7.6.1[JGJ/T151-2008]

式中：

hout：

外表面换热系数W/（m2·K）；

αf：

框表面太阳辐射吸收系数，取0.6；

Uf：

框的传热系数W/（m2·K）；

Asurf：

框的外表面面积m2；

Af：

框面积m2；

gf=αf·Uf/（Asurf/Af·hout）

=0.6×4.187/（4.95/2.475×19.9）

=0.063

（2）幕墙系统玻璃区域太阳光总透射比

gg：

玻璃区域太阳光总透射比；

gg=0.3

（3）幕墙系统计算单元太阳光总透射比gt

按JGJ/T151-2008规定：

对于整樘门窗结构：

gt=（ΣAg×gg+ΣAf·gf）/At3.4.1[JGJ/T151-2008]

gt：

整樘窗的太阳光总透射比。

Ag：

玻璃板面积；

Af：

窗框面积；

gg：

窗玻璃区域太阳光总透射比；

gf：

窗框太阳光总透射比；

At：

窗面积；

对于单幅幕墙结构：

gCW=（ΣAg×gg+ΣAp·gp+ΣAf·gf）/A4.4.1[JGJ/T151-2008]

gCW：

单幅幕墙的太阳光总透射比。

Ag：

玻璃或透明面板面积；

gg：

玻璃或透明面板的太阳光总透射比；

Ap：

非透明面板面积；

gp：

非透明面板的太阳光总透射比；

Af：

框面积；

gf：

框太阳光总透射比；

A：

幕墙单元面积；

本计算项目是幕墙系统：

gCW=（ΣAg×gg+ΣAp·gp+ΣAf·gf）/A

=（30.65×0.3+2.475×0.063）/33.12

=0.282

17.2幕墙系