玻璃幕墙节能计算书.docx
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玻璃幕墙节能计算书
XXXXXXXXXX
外装饰结构热工性能
设计计算书
设计:
校对:
审核:
批准:
XXXXXXX工程有限公司
二〇一一年四月七日
建筑门窗玻璃幕墙热工设计计算书
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》GB50189-2005
《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》JGJ26-95
《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ134-2001
《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75-20031
《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》JGJ113-2003
《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
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GB50189-2005《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
(2)根据建筑所处城市的建筑气候分区,围护结构的热工性能应分别符合下面各表的相关规定。
表4.2.2-1严寒地区A区围护结构传热系数限值
围护结构部位
体型系数≤0.3
传热系数KW/(m2·K)
0.3<体型系数≤0.4
传热系数KW/(m2·K)
屋面
≤0.35
≤0.30
外墙(包括非透明幕墙)
≤0.45
≤0.40
底面接触室外空气的架空或外挑楼板
≤0.45
≤0.40
非采暖房间与采暖房间的隔墙或楼板
≤0.6
≤0.6
单一朝
向外窗
(包括透明幕墙)
窗墙面积比≤0.2.
≤3.0
≤2.7
0.2<窗墙面积比≤0.3
≤2.8
≤2.5
0.3<窗墙面积比≤0.4
≤2.5
≤2.2
0.4<窗墙面积比≤0.5
≤2.0
≤1.7
0.5<窗墙面积比≤0.7
≤1.7
≤1.5
屋顶透明部分
≤2.5
表4.2.2-2严寒地区B区围护结构传热系数限值
围护结构部位
体型系数≤0.3
传热系数KW/(m2·K)
0.3<体型系数≤0.4
传热系数KW/(m2·K)
屋面
≤0.45
≤0.35
外墙(包括非透明幕墙)
≤0.50
≤0.45
底面接触室外空气的架空或外挑楼板
≤0.50
≤0.45
非采暖房间与采暖房间的隔墙或楼板
≤0.8
≤0.8
单一朝
向外窗
(包括透明幕墙)
窗墙面积比≤0.2.
≤3.2
≤2.8
0.2<窗墙面积比≤0.3
≤2.9
≤2.5
0.3<窗墙面积比≤0.4
≤2.6
≤2.2
0.4<窗墙面积比≤0.5
≤2.1
≤1.8
0.5<窗墙面积比≤0.7
≤1.8
≤1.6
屋顶透明部分
≤2.6
表4.2.2-3寒冷地区围护结构传热系数和遮阳系数限值
围护结构部位
体型系数≤0.3
传热系数KW/(m2·K)
0.3<体型系数≤0.4
传热系数KW/(m2·K)
屋面
≤0.55
≤0.45
外墙(包括非透明幕墙)
≤0.60
≤0.50
底面接触室外空气的架空或外挑楼板
≤0.60
≤0.50
非采暖空调房间与采暖空调房间的隔墙或楼板
≤1.5
≤1.5
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)
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
≤3.5
—
≤3.0
—
0.2<窗墙面积比≤0.3
≤3.0
—
≤2.5
—
0.3<窗墙面积比≤0.4
≤2.7
≤0.70/—
≤2.3
≤0.70/—
0.4<窗墙面积比≤0.5
≤2.3
≤0.60/—
≤2.0
≤0.60/—
0.5<窗墙面积比≤0.7
≤2.0
≤0.50/—
≤1.8
≤0.50/—
屋顶透明部分
≤2.7
≤0.50
≤2.7
≤0.50
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。
表4.2.2-4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
≤4.7
—
0.2<窗墙面积比≤0.3
≤3.5
≤0.55/—
0.3<窗墙面积比≤0.4
≤3.0
≤0.50/0.60
0.4<窗墙面积比≤0.5
≤2.8
≤0.45/0.55
0.5<窗墙面积比≤0.7
≤2.5
≤0.40/0.50
屋顶透明部分
≤3.0
≤0.40
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。
表4.2.2-5夏热冬暖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
≤0.90
外墙(包括非透明幕墙)
≤1.5
底面接触室外空气的架空或外挑楼板
≤1.5
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
≤6.5
—
0.2<窗墙面积比≤0.3
≤4.7
≤0.50/0.60
0.3<窗墙面积比≤0.4
≤3.5
≤0.45/0.55
0.4<窗墙面积比≤0.5
≤3.0
≤0.40/0.50
0.5<窗墙面积比≤0.7
≤3.0
≤0.35/0.45
屋顶透明部分
≤3.5
≤0.35
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玻璃幕墙(门窗)结构基本参数
13.1地区参数:
XX,地区类别属于夏热冬冷地区;
13.2建筑参数:
建筑物长度:
78.5m;
建筑物宽度:
83m;
建筑物高度:
108m;
建筑物朝向:
南;
建筑物体形系数:
0.059;
建筑物窗墙比:
0.5;
计算项目类型:
门窗系统;
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:
LOW-E镀膜;
内片:
普通玻璃;
中空气体间层气体:
空气;
玻璃幕墙(门窗)的面积:
A=15000m2;
玻璃幕墙(门窗)玻璃的面积:
Ag=14000m2;
玻璃幕墙(门窗)框的面积:
Af=1000m2;
玻璃幕墙(门窗)框的总表面面积:
Asurf=1000m2;
玻璃区域的总周长:
lψ=400m;
幕墙角度:
θ=90度;
计算单元高度:
H=3700mm;
13.5框传热系数相关参数:
Ad,i=1.5m2
Ad,e=0.5m2
Af,i=1m2
Af,e=0.3m2
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Rf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;
本处玻璃是普通玻璃,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=0.1,ε2=0.837;
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×(1/0.1+1/0.837-1)-1×2733
=0.453W/(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,取窗或幕墙透光区域高度(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
=3700/12
=308.333
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+0.453)
=0.406(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+0.406+0.012+1/8
=0.593(m2·K/W)
U1=1/Rt
=1.686W/(m2·K)
15玻璃幕墙(门窗)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=3.318W/(m2·K)[Uf0=2.76]
ψ=0.06W/(m·K)
16玻璃幕墙(门窗)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