玻璃幕墻因其美觀、大方、通透性好等特點(diǎn)在高層建筑中被大面積使用。北京、上海等地建成或在建的高層建筑中，有多座采用了玻璃幕墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如 CCTV央視大樓、上海金茂大廈、上海中心大廈等。

　　摘 要：在研究玻璃幕墻熱傳遞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論，以中空玻璃為例建立了玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算模型;基于二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法，采用三節(jié)點(diǎn)三角形單元對(duì)二維溫度場(chǎng)進(jìn)行了離散，推導(dǎo)了單元熱傳導(dǎo)矩陣和溫度載荷列陣，并推導(dǎo)了熱對(duì)流、熱流密度、輻射以及各種邊界條件耦合作用下對(duì)單元熱傳導(dǎo)矩陣和溫度載荷列陣的修正公式，建立了玻璃幕墻框及附加線傳熱系數(shù)計(jì)算模型。利用Visual C++和ObjectARX對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算軟件TJCW，并通過(guò)算例與LBNL系列軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所編軟件的正確性和有效性。最后對(duì)某工程實(shí)例中玻璃幕墻傳熱系數(shù)進(jìn)行了節(jié)能驗(yàn)算。研究結(jié)果表明：建立的傳熱系數(shù)計(jì)算模型能夠正確的計(jì)算玻璃幕墻傳熱系數(shù)，基于該計(jì)算模型開(kāi)發(fā)出的軟件能夠應(yīng)用于實(shí)際工程的節(jié)能分析和計(jì)算中。

　　關(guān)鍵詞：幕墻論文發(fā)表,建筑節(jié)能,玻璃幕墻,傳熱系數(shù),有限單元法,穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑能耗在中國(guó)社會(huì)總能耗中所占比例越來(lái)越大，預(yù)計(jì)到2020年將會(huì)達(dá)到35% [1]，建筑節(jié)能變得至關(guān)重要。玻璃幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是建筑物熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍的部位，也是建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)[2]，其熱工性能尤其是傳熱系數(shù)的大小直接影響建筑能耗。

　　雷 克，等：玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算方法及工程應(yīng)用

　　玻璃幕墻構(gòu)造復(fù)雜，所以其內(nèi)部傳熱過(guò)程十分復(fù)雜。在中國(guó)，一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)獲得傳熱系數(shù)[3]。然而由于環(huán)境、人為因素等擾量過(guò)多，故一般較難獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬計(jì)算熱傳導(dǎo)具有不受時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境的限制，且花費(fèi)很小等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)準(zhǔn)確分析和計(jì)算玻璃幕墻傳熱系數(shù)變的十分必要。歐盟、美國(guó)等針對(duì)玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算的研究已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十年[49]，并形成了相對(duì)健全的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系和計(jì)算軟件，如美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)開(kāi)發(fā)的THERM和 WINDOW系列軟件。目前其他國(guó)家關(guān)于玻璃幕墻熱工性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)體系主要有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系，ISO(EN)標(biāo)準(zhǔn)體系和美國(guó)NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系[10]。 ISO(EN)標(biāo)準(zhǔn)體系是包含了玻璃系統(tǒng)光學(xué)熱工、框熱工性能、門(mén)窗幕墻熱工計(jì)算等方法的標(biāo)準(zhǔn)體系，其中ISO 10599[11]是其體系中的一部分。美國(guó)的NFRC標(biāo)準(zhǔn)體系依據(jù)ISO和美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制了相應(yīng)的門(mén)窗熱工標(biāo)準(zhǔn)體系，包括NFRC100[12]和 NFRC200[13]等計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)在參考國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，頒布了《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》(JGJ/T 151-2008)[14]，包括門(mén)窗、幕墻熱工性能計(jì)算，玻璃光學(xué)計(jì)算和結(jié)露性能評(píng)價(jià)等，并規(guī)定了在幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)計(jì)算玻璃系統(tǒng)、幕墻框的傳熱系數(shù)和玻璃鑲嵌部位的線傳熱系數(shù)，然后按照各部分面積加權(quán)平均的方法計(jì)算出玻璃幕墻整體傳熱系數(shù)。

　　本文在研究玻璃幕墻熱傳導(dǎo)理論的基礎(chǔ)上，分別建立了玻璃系統(tǒng)和幕墻框、線傳熱系數(shù)計(jì)算模型。利用Visual C++和ObjectARX對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了適用于中國(guó)規(guī)程的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算軟件TJCW。研究結(jié)果表明：建立的傳熱系數(shù)計(jì)算模型能夠正確的計(jì)算玻璃幕墻傳熱系數(shù)，基于該計(jì)算模型開(kāi)發(fā)出的軟件能夠應(yīng)用于實(shí)際工程的節(jié)能分析和計(jì)算中。

　　1 玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算模型

　　以一維熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)建立玻璃系統(tǒng)熱系數(shù)的計(jì)算模型，并基于以下幾點(diǎn)假設(shè)：

　　1)固體材料的熱屬性不隨溫度變化而變化。

　　2)忽略室內(nèi)外環(huán)境的空氣滲漏。

　　3)忽略空腔中氣體輻射的影響。

　　中空玻璃是目前在玻璃幕墻中應(yīng)用比較廣泛的玻璃系統(tǒng)，以雙層中空玻璃為例，建立玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算模型。雙層中空玻璃由與室內(nèi)接觸的玻璃板1、空氣間層和與室外接觸的玻璃板2組成，如圖1所示。其熱能的傳遞過(guò)程可以分為以下5部分，分別對(duì)該5個(gè)過(guò)程建立熱能方程，如式(1)～(5)所示。

　　當(dāng)傳熱過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，上述5個(gè)部分的熱流量必相等。由于各表面的溫度值未知，計(jì)算時(shí)首先根據(jù)“溫差等分”原則假設(shè)各表面的溫度值，然后計(jì)算出5個(gè)傳熱過(guò)程的熱流量，再用熱流量的平均值反算出各個(gè)界面的溫度值。通過(guò)多次迭代計(jì)算，直到結(jié)果收斂，便可求得各個(gè)表面的溫度值和熱流量，從而求出玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。

　　2 幕墻框、線傳熱系數(shù)計(jì)算模型

　　2.1 熱傳導(dǎo)方程及單元熱傳導(dǎo)矩陣

　　幕墻框由型材、空腔和隔熱膠條等材料構(gòu)成。由于幕墻框截面形狀及內(nèi)部變溫條件的復(fù)雜性，依靠傳統(tǒng)的解析法很難獲得傳熱系數(shù)精確解。因此，以二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法為基礎(chǔ)建立其傳熱系數(shù)計(jì)算模型，同時(shí)基于與玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算模型相同的3點(diǎn)假設(shè)。

　　2.2 對(duì)流傳熱、熱流密度邊界

　　當(dāng)幕墻框表面與環(huán)境進(jìn)行對(duì)流傳熱時(shí)，傳熱系數(shù)為h，流體溫度為T(mén)f。對(duì)單元熱傳導(dǎo)矩陣和溫度載荷列陣修正如式(10)和(11)所示，其中l(wèi)ij、ljk、lki分別表示三角形單元的各邊長(zhǎng)。

　　2.3 輻射傳熱邊界

　　計(jì)算輻射傳熱時(shí)，所研究對(duì)象必須是包含所有參與輻射傳熱的表面在內(nèi)的一個(gè)封閉腔[16]。封閉腔是由多個(gè)灰體表面組成的封閉系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的封閉腔就是兩塊無(wú)限接近的平行平板。當(dāng)幕墻框表面與外界環(huán)境直接進(jìn)行輻射傳熱，不考慮框表面自身輻射影響時(shí)，可看作2塊無(wú)限接近的平行平板間的輻射傳熱，則輻射熱流密度q為：

　　當(dāng)幕墻框表面自身材料進(jìn)行輻射傳熱或空腔內(nèi)部輻射傳熱時(shí)，應(yīng)看做由多個(gè)表面組成的封閉腔的輻射傳熱，需把由該表面向空間各個(gè)表面發(fā)出的輻射能與空間各個(gè)表面投入到該表面的輻射能包括進(jìn)去[16]。假設(shè)封閉腔內(nèi)有N個(gè)表面，各表面平均溫度值分別為T(mén)1T2…TN，發(fā)射率分別為 ε1ε2…εN，則各表面的有效輻射組成列陣J、黑體輻射列陣Q和有效輻射角系數(shù)矩陣[F]分別如式(14)～(16)所示。 　　式(16)中Fi，j為表面i對(duì)表面j的輻射角系數(shù)，計(jì)算時(shí)首先采用“隱藏線”算法確定兩個(gè)表面是否“可見(jiàn)”，然后根據(jù)“交叉線”算法[16]求得輻射角系數(shù)。求解方程組[F][J]=[Q]，得到各表面的有效輻射J。各表面的凈輻射的熱流密度列陣為q，計(jì)算公式如式(17)。

　　q=ε11-ε1(σT41-J1)ε21-ε2(σT42-J2)…εN1-εN(σT4N-JN)T(17)

　　在計(jì)算輻射傳熱時(shí)，由于單元參與輻射換熱邊的平均溫度未知，需要首先進(jìn)行假設(shè)，然后更新節(jié)點(diǎn)溫度，不斷迭代直到收斂。為便于結(jié)果收斂，本文計(jì)算時(shí)將T4 進(jìn)行泰勒展開(kāi)并取展開(kāi)式的前兩項(xiàng)，在迭代過(guò)程中采用二分法加快收斂。輻射傳熱邊界對(duì)K無(wú)修正，對(duì)P的修正如式(12)所示。

　　2.4 對(duì)流、熱流密度和輻射邊界條件耦合

　　幕墻框表面與環(huán)境通過(guò)對(duì)流、熱流密度及輻射等方式進(jìn)行熱傳遞。各種條件共同作用時(shí)，對(duì)K修正同式(10)，對(duì)P修正分別如式(18)、(19)和(20)所示，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，Tf為流體溫度，q為熱流密度，qr為輻射熱流密度，lij、ljk、lki分別表示三角形單元的各邊長(zhǎng)。

　　3 復(fù)雜截面玻璃幕墻熱傳導(dǎo)計(jì)算的軟件研發(fā)

　　3.1 軟件開(kāi)發(fā)

　　基于上文建立的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算模型，以AutoCAD為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用ObjectARX和Visual C++等開(kāi)發(fā)工具，研發(fā)了適用于中國(guó)規(guī)程[14]的玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算的軟件TJCW。建模方面可以很好的繼承AutoCAD的強(qiáng)大功能，能直接選擇材料填充“回”形區(qū)域。計(jì)算方面可實(shí)現(xiàn)各種環(huán)境邊界條件下的玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算，復(fù)雜截面玻璃幕墻溫度場(chǎng)和傳熱系數(shù)計(jì)算等功能，后處理可實(shí)現(xiàn)繪制模型等溫線、溫度云圖和熱流矢量圖等功能。圖2為軟件有限元程序計(jì)算流程圖及軟件主界面。

　　3.2 軟件對(duì)比驗(yàn)證

　　圖3為某玻璃幕墻截面尺寸圖，單位為mm。模型中材料包括鋁合金、浮法玻璃、聚氨酯密封膠、聚酰胺尼龍66%+25%玻璃纖維和硅酮結(jié)構(gòu)膠，封閉空腔中所填充的氣體為空氣。材料的導(dǎo)熱系數(shù)和表面發(fā)射率如表1所示。

　　計(jì)算邊界條件分為室內(nèi)、室外和絕緣邊界，其中上、下表面分別定義為室內(nèi)和室外邊界，兩側(cè)為絕緣邊界。由于環(huán)境條件對(duì)溫度場(chǎng)和傳熱系數(shù)影響較大，設(shè)置3種工況，每種工況的邊界條件如表2所示。分別計(jì)算每種工況下截面最大溫度值和最小溫度值，以及截面和玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，并與LBNL開(kāi)發(fā)的THERM和 WINDOW系列軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可知，計(jì)算結(jié)果與LBNL系列軟件計(jì)算結(jié)果相差在2%以內(nèi)，表明開(kāi)發(fā)出的軟件較為合理。

　　4 工程實(shí)例分析

　　采用所編制的軟件對(duì)上海某公共建筑玻璃幕墻進(jìn)行節(jié)能驗(yàn)算。該工程一樓大廳一側(cè)采用單元式玻璃幕墻，該側(cè)窗墻面積比為0.25。每個(gè)分格寬1 200 mm，高1 000 mm，幕墻整體尺寸如圖4所示。框型材為鋁合金構(gòu)造，立柱和橫梁截面尺寸如圖5所示。玻璃系統(tǒng)采用(6+12A+6)mm的LowE中空玻璃，室外為 LowE玻璃，室內(nèi)為普通透明玻璃。計(jì)算邊界條件為規(guī)程[14]中規(guī)定的冬季標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件，室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度均為20℃，室外空氣溫度和平均輻射溫度均為-20℃。室內(nèi)和室外對(duì)流換熱系數(shù)分別為3.6、16 W/(m2・K)，太陽(yáng)輻射照度為300 W/m2。

　　按照?qǐng)D5所示橫梁和立柱尺寸圖，建立計(jì)算模型，并填充材料。將立柱節(jié)點(diǎn)上表面設(shè)為室內(nèi)邊界，下表面設(shè)為室外邊界。將橫梁節(jié)點(diǎn)左表面設(shè)為室內(nèi)邊界，右表面設(shè)為室外邊界，兩側(cè)設(shè)為絕緣邊界。采用三角形單元對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，立柱和橫梁截面分別有6 579個(gè)和4 864個(gè)單元，立柱節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分如圖6所示。分別計(jì)算立柱節(jié)點(diǎn)和橫梁節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布，框傳熱系數(shù)和附加線傳熱系數(shù)以及玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下。立柱節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)云圖如圖7所示。

　　立柱節(jié)點(diǎn)截面最高溫度：10.99℃ ;立柱節(jié)點(diǎn)截面最低溫度：1.81℃

　　橫梁節(jié)點(diǎn)見(jiàn)面最低溫度：11.92℃ ;橫梁節(jié)點(diǎn)截面最高溫度：-0.81℃

　　立柱節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)：Uf=8.40 W/(m2・K);橫梁節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)：Uf=7.92 W/(m2・K)

　　立柱節(jié)點(diǎn)：ψ=0.567 W/(m2・K);橫梁節(jié)點(diǎn)：ψ=0.071 W/(m2・K)

　　玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)：Ug=1.896 W/(m2・K)

　　由各部分傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果可得，幕墻框傳熱系數(shù)比玻璃系統(tǒng)大，可見(jiàn)若要降低單幅玻璃幕墻傳熱系數(shù)，不但要采用節(jié)能性能好的玻璃系統(tǒng)，同時(shí)也應(yīng)該提高幕墻框的保溫隔熱性能，降低其傳熱系數(shù)。由立柱截面溫度場(chǎng)云圖可知，在幕墻框空腔內(nèi)部以及與玻璃系統(tǒng)接觸的部位，溫度梯度變化不大。玻璃系統(tǒng)內(nèi)部溫度梯度變化較大。

　　按各部分面積加權(quán)平均的方法計(jì)算整幅幕墻的傳熱系數(shù)為3.50，如式(19)所示。

　　5 結(jié) 論

　　在研究玻璃幕墻熱傳遞特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法，建立了玻璃幕墻傳熱系數(shù)的計(jì)算模型，研發(fā)了計(jì)算軟件，并采用所編制軟件對(duì)某工程實(shí)例中玻璃幕墻傳熱系數(shù)進(jìn)行了節(jié)能驗(yàn)算，得出如下主要結(jié)論：

　　1)基于一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論，建立了玻璃系統(tǒng)傳熱系數(shù)計(jì)算模型;基于二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)理論和有限單元法，建立了各種邊界條件下玻璃幕墻框及附加線傳熱系數(shù)計(jì)算模型。經(jīng)算例對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與LBNL研發(fā)的熱工軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了所建立的計(jì)算模型具有一定的正確性。

　　2)利用Visual C++和ObjectARX對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研發(fā)了玻璃幕墻傳熱系數(shù)計(jì)算軟件TJCW，可以應(yīng)用在實(shí)際工程節(jié)能分析和計(jì)算中。

　　3)相比其他國(guó)家熱工軟件，所編軟件適應(yīng)于中國(guó)規(guī)范，同時(shí)良好地繼承了AutoCAD的強(qiáng)大功能，可直接選擇材料填充模型區(qū)域，不需描繪底圖，大大縮減了建模時(shí)間，為玻璃幕墻節(jié)能分析計(jì)算提供了方便快捷的工具，并將促進(jìn)建筑節(jié)能事業(yè)的發(fā)展。 　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Hong T Z. A close look at the China design standard for energy efficiency of public buildings [J]. Energy and Buildings，2009，41(2)：426435.

　　[2]劉驍.玻璃幕墻的節(jié)能與環(huán)保[J].建筑技術(shù)，2009，40(12)：11271129.

　　Liu X.Energysaving and environmental protection of glass curtain wall [J].Architecture Technology，2009，40(12)：11271129.

　　[3]李雨桐，卜增文，劉俊躍，等.玻璃幕墻傳熱系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的研究[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(4)：5458.

　　Li Y T，Pu Z W，Liu J Y，et al.Research on fieldtesting method of heat transfer coefficient of glass curtain wall [J].Journal of Shandong University of Architecture and Engineering，2004，19(12)：5458.

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