中外建筑門窗幕墻熱工計算標準體系的研究

馬 揚

一、概述

目前，建筑節能已經成為全世界的共識，建筑門窗、幕墻作為圍護結構節能的薄弱環節，成為建筑中最受關注的重點。80年代以來，實驗室測試為我國獲取建筑門窗熱工性能的主要手段，而幕墻則一直采用簡單的計算來評價，這種局面已經不能滿足目前產品研發與實際工程的需要了。計算機模擬計算、評價門窗幕墻節能性能，在歐美等國家早已經廣泛應用并得到社會的認可，已經形成了較為完善的標準體系。我國歷經多年研究，國家行業標準《建筑門窗玻璃幕墻熱工性能計算規程》（JGJ/T151-2008）（以下簡稱“JGJ/T151”）也終于在2009年5月頒布實施。現在歐盟、美國及我國等國家在玻璃光學熱工性能計算、框傳熱二維有限元分析計算、門窗幕墻熱工計算等均已經有了完善的標準體系和軟件產品。

二、國外門窗幕墻熱工計算標準體系

幕墻、門窗熱工性能計算機模擬計算，在歐盟、美國、日本等已廣泛應用。目前國外主要有兩個標準體系：ISO（EN）標準體系；美國NFRC標準體系。

1.ISO （EN） 標準體系

由于ISO在建筑門窗幕墻熱工計算標準主要引用歐盟 （EN）的技術標準，所以本文將ISO和EN標準歸為一類。

ISO（EN）標準體系是一個較完整的體系，包含玻璃光學熱工、框熱工性能、門窗幕墻熱工計算等一系列方法標準，如表1所示。

表1 ISO （EN）技術標準體系

2.美國NFRC標準體系

NFRC全稱為 “美國國家門窗等級評定委員會”，是美國的門窗節能性能標識民間組織機構，依據ISO和美國標準編制了相應的門窗熱工標準體系，如表2所示。

表2 NFRC技術標準體系

三、我國門窗幕墻熱工計算標準體系

我國在研究、總結歐美國家相關技術標準的基礎之上，結合我國的工程標準，由廣東省建筑科學研究、中國建筑科學研究院等單位編制了國內首本門窗幕墻熱工性能計算標準——《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》 （JGJ/T 151-2008），并于2009年5月1日起實施。JGJ/T151對以下內容都給出了相應的計算方法：

1.玻璃光學熱工性能計算；

2.框傳熱計算 （線傳熱系數法）；

3.門窗幕墻熱工性能計算；

4.結露性能評價、計算；

5.遮陽系統計算；

6.通風空氣間層傳熱計算；

7.計算邊界條件。

四、國內外門窗幕墻熱工性能計算標準體系對比

我國JGJ/T 151和美國NFRC標準體系在編制的過程中都參考和引用了ISO（EN）的計算方法，但由于各國工程實際情況等方面的不同，標準體系之間仍存在不少的差異，這些差異主要包括：計算邊界條件；玻璃光學熱工計算；框的傳熱計算；門窗幕墻熱工計算。

1.計算邊界條件

計算邊界條件主要取決于各地的氣候與氣象參數，是門窗幕墻熱工計算的基礎，對門窗幕墻熱工性能計算結果有巨大的影響，即使是同一款門窗幕墻產品，使用不同的計算邊界條件，都會得出不同的熱工性能，對于不同氣候區的建筑的作用也是完全不同，甚至相反的。

計算邊界條件包括兩類：標準計算邊界條件、工程實際計算邊界條件。設計或評價建筑門窗、玻璃幕墻定型產品的熱工性能時，應采用標準計算條件；在進行實際工程設計時，應根據相應的建筑設計或節能設計標準來確定工程實際計算邊界條件。

所以確定標準的計算邊界條件是門窗幕墻產品熱工性能設計的前提，各標準體系的標準計算邊界條件存在著較大的差別，如表3所示。

一般情況下，標準規定采用冬季條件計算門窗幕墻的傳熱系數，采用夏季條件計算門窗幕墻的遮陽系數。由表3可以發現：

表3 計算邊界條件對比

（1）我國基本采用ISO標準體系，定義的邊界條件與ISO標準基本一致，主要是冬、夏季室內溫度、夏季室外溫度、室內對流換熱系數、太陽輻射照度全部一樣，但美國NFRC體系存在差異，特別是室內對流換熱系數采用美國ASHRAE的相關規定。

（2）三個標準體系規定的室內空氣溫度差別不大，這主要是因為建筑室內的設計溫度一般比較接近。

（3）JGJ/T151的室外對流換熱系數與ISO標準差別較大，尤其是對門窗邊框及邊框附近邊緣（63.5mm以內）的室外對流換熱系數做了特別規定，一方面是由于我國所處氣候區域與歐洲有差別，另一方面也是考慮為了與我國其它建筑工程標準，特別是 《民用建筑熱工設計規范》、 《建筑門窗保溫性能檢測與分級標準》等相關標準相互協調，更符合我國的工程實際情況。

2.玻璃光學熱工計算

玻璃是門窗、幕墻最重要的組成部分，也是門窗、幕墻熱工性能優劣的關鍵。由表1、表2可知ISO（EN）、NFRC標準體系中計算玻璃光學熱工性能的標準分別為ISO10599、ISO9050、NFRC 300，其中ISO9050是玻璃光學性能的計算標準，而ISO10599更為全面，兼顧玻璃光學和熱工計算兩方面。美國的NFRC300與我國JGJ/T151中的玻璃光學熱工計算方法都是以這兩個ISO標準為基礎建立起來的。

圖1 玻璃系統傳熱計算模型

單片玻璃的太陽光直接透射比τS應按下式計算：

式中：τ（λ）——玻璃透射比的光譜；

S（λ）——標準太陽光譜。

ISO （EN）、NFRC、JGJ/T151計算玻璃光學熱工性能所采用的計算方法基本相同，如公式 （1）所示，均是采用積分和迭代的方法求解，但所引用的標準太陽光譜有較大的差別。ISO9050和JGJ/T151采用ISO9845-1的Table1中第5列標準太陽光譜數據 （直射+散射），美國 NFRC300采用ISO9845-1的Table1中第2列標準太陽光譜數據（直射）。由于ISO9050和JGJ/T151采用標準太陽光譜數據包括直射和散射部分，各波段的平均分光照度值均比只有直射部分的第2列標準光譜大，見圖2。這兩列標準之間的差異主要是由于天空散射部分造成的，見圖3。

圖2 標準太陽光譜對比

圖3 天空散射光譜分布

由于自然界的天空必然同時是存在著直射和散射兩部分太陽輻射，同時考慮這兩部分對玻璃的影響是合理的，也正是基于這種考慮，我國的JGJ/T 151在制定的時候，就采用了ISO標準體系的相關規定。

由于ISO （EN）、JGJ/T151與NFRC光學性能時引用不同的標準光譜數據，在計算玻璃光學熱工性能時會造成較大的差異。作者分別采用依據JGJ/T151和美國NFRC標準開發的粵建科MQMC軟件和LBNL軟件計算玻璃光學熱工性能，進行對比，結果如表4所示。

表4 玻璃系統光學熱工性能參數計算結果對比

通過表中數據對比，不難發現：標準太陽光譜數據的不同對遮陽系數影響很大，尤其是Low-E玻璃，最大差異達13%。

我國JGJ/T151標準發布實施之前，國內很多玻璃生產企業一直沿用美國的標準體系，JGJ/T 151實施以后，已經被我國的 《建筑節能工程施工質量驗收規范》引用，不少玻璃企業還沒有認識到這個問題，仍采用國外的技術標準和計算軟件，存在著玻璃產品設計與工程驗收標準不一致而導致工程項目無法通過驗收的隱患，這個問題應引起國內玻璃企業的重視。

3.框傳熱計算

門窗、幕墻框的傳熱非常復雜，尤其是玻璃鑲嵌部位，有多種材料結合而成，又存在空腔，同時存在著熱傳導、對流換熱與輻射換熱等多種傳熱方式。一般我們可以把框的傳熱近似看作二維傳熱，但是對于玻璃鑲嵌部位，做二維近似就存在著一定的偏差。ISO（EN）、JGJ/T151與NFRC標準體系在框傳熱計算時均要求采用二維有限元分析的方法，但對于玻璃鑲嵌部位的傳熱計算，JGJ/T151采用了與ISO（EN）相同的方法，都是采用線傳熱系數計算理論，而NFRC標準則采用的是ISO 15099的代替方法——玻璃邊緣區域計算理論。

線傳熱系數計算理論計算框傳熱時應用一塊導熱系數λ=0.03（ISO1077-2λ=0.035）的板材替代實際的玻璃 （或其他鑲嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照實際尺寸，可見部分的板材寬度bp不應小于200mm （ISO1077-2為190mm），如圖4、圖5所示。通過二維有限元傳熱分析，分別得到玻璃被替代前后框節點的傳熱情況，從而計算得到框本身的傳熱系數、玻璃鑲嵌部位的線傳熱系數。

玻璃邊緣區域計算理論計算框傳熱時，則是把玻璃邊緣 （63.5mm以內）區域作為特殊區域，如圖6所示。該區域內的傳熱系數并不是玻璃系統本身的傳熱系數，而是考慮了玻璃鑲嵌部位的三維傳熱的影響。該套理論是基于玻璃系統建立的，對于非透明面板卻無法確定邊緣區域的范圍尺寸，也就不適用了。

圖4 框傳熱系數計算模型

圖5 框線傳熱系數計算模型

圖6 玻璃邊緣統計方法計算模型

線傳熱系數理論可以得到框本身的傳熱系數，便于評價框的熱工性能。同時，該套理論也被幕墻熱工計算標準prEN13947采用，對于計算非透明幕墻非常便利，這一點卻是玻璃邊緣區域計算理論所不具備的。正是考慮到這些方面，我國的JGJ/T151采用了線傳熱系數計算理論。

作者采用粵建科MQMC和LBNL軟件二維有限元分析計算兩個典型框節點的傳熱情況，計算結果如表5所示?？梢园l現兩種非法計算出的熱流總量基本一致，即傳熱過程分析的理論均是正確的，JGJ/T151、ISO(EN)體系定義的Uf可作為窗框的傳熱系數，用于評價窗框的熱工性能，并且此方法與 《建筑外窗保溫性能分級及其檢測方法》 （GB 8484-2008）中所提及的窗框傳熱系數測試方法的原理一致。

表5 框傳熱計算結果分析對比

4.門窗幕墻熱工性能計算

由于ISO （EN）、JGJ/T 151、NFRC標準體系采用的框傳熱計算理論的差別，也必然導致整窗的熱工計算的差異。ISO （EN）、JGJ/T 151規定整窗的傳熱系數應按公式 （2）計算，NFRC規定整窗的傳熱系數應按公式 （3）計算。

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數；

Ag——窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）面積 （m2）；

Af——窗框面積 （m2）；

At——窗面積 （m2）；

lψ——玻璃區域 （或者其他鑲嵌板區域）的邊緣長度 （m）；

Ug——窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）的傳熱系數；

Uf——窗框的傳熱系數；

ψ——窗框和窗玻璃 （或者其他鑲嵌板）之間的線傳熱系數。

式中：

Ut——整樘窗的傳熱系數；

Ac——窗玻璃中部區域面積 （m2）；

Ae——窗玻璃邊緣區域面積 （m2）；

Af——窗框面積 （m2）；

At——窗面積 （m2）；

Ucg——窗玻璃中部區域的傳熱系數 [W/(m2·K)]；

Ueg——窗玻璃邊緣區域的傳熱系數 W/(m2·K)；

Ufr——窗框的傳熱系數W/(m·K)。

我國JGJ/T151比NFRC更加完善，與ISO（EN）體系中的EN13947基本一致，規定了整幅幕墻按公式 （4）進行計算。

式中：

UCW——單幅幕墻的傳熱系數[W/(m2·K)]；

Ag——玻璃或透明面板面積 （m2）；

lg——玻璃或透明面板邊緣長度 （m）；

Ug——玻璃或透明面板傳熱系數[W/(m2·K)]；

ψg——玻璃或透明面板邊緣的線傳熱系數[W/(m·K)]；

Ap——非透明面板面積 （m2）；

lp——非透明面板邊緣長度 （m）；

Up——非透明面板傳熱系數[W/(m2·K)]；

ψp——非透明面板邊緣的線傳熱系數[W/(m·K)]；

Af——框面積 （m2）；

Uf——框的傳熱系數[W/(m2·K)]。

五、結論

目前國外主要有兩種典型幕墻、門窗熱工標準計算體系，即ISO（EN）標準體系與美國NFRC標準體系。廣東省建筑科學研究院作為主編單位，在研究了ISO（EN）標準體系之后，主編了我國的門窗幕墻熱工計算標準JGJ/T151。通過對比該三個標準體系，得到以下結論：

1.我國的JGJ/T151基本采用了ISO（EN）標準體系，規定了我國評價定型產品時的統一邊界條件，與國外兩個標準體系有一定差別，但與我國其它工程技術標準相協調，更符合我國實際情況。

2.美國NFRC標準體系只是針對門窗產品，主要針對門窗節能性能標識工作，不能滿足幕墻熱工計算的需要，具有局限性。

3.ISO （EN）、JGJ/T151和NFRC標準體系計算玻璃光學熱工性能時計算方法基本相同，但在引用標準太陽光譜時有較大的差別。ISO（EN）、JGJ/T151合理的引用了ISO9845-1 Table1第5列標準光譜數據 （直射+散射），NFRC300卻引用了第2列標準光譜數據 （直射），對玻璃的遮陽系數影響很大，尤其是Low-E玻璃。目前不少玻璃企業還沒有認識到這個問題，仍采用國外的技術標準和計算軟件，存在著玻璃產品設計與工程驗收標準不一致而導致工程項目無法通過驗收的隱患，這個問題應引起國內玻璃企業的高度重視。

4.ISO （EN）、JGJ/T151采用的線傳熱計算方法，便于計算、評價框的傳熱性能，也比邊緣區域計算方法更適用于幕墻的熱工性能計算。

綜上所述，我國的行業標準 《建筑門窗玻璃幕墻熱工性能計算規程》 （JGJ/T151-2008）融合了幕墻、門窗、玻璃、遮陽系統等相關的熱工計算方法，體系全面，并且與此標準配套的粵建科MQMC軟件也已經推出，可以滿足我國門窗幕墻產品設計、工程設計的實際需要。

[1]JGJ/T 151-2008.建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程[S].

[2]ISO 15099:2003.Thermal performance of windows,doors and shading devices-Detailed calculations[S].

[3]ISO 9050:2003.Glass in building-Determination of light transmittance,solar direct transmittance,total solar energy transmittance,ultraviolet transmittance and related glazing factors[S].

[4] ISO 9845-1:1992.Solar energy-Reference solar spectral irradiance at the ground at different receiving conditions-Part1:Direct normal and hemispherical solar irradiance for air mass 1.5[S].

[5]ISO 10077-1:2006.Thermal performance of windows,doors and shutters-Calculation of thermal transmittance-Part 1:General[S].

[6]ISO 10077-2:2003.Thermal performance of windows,doors and shutters-Calculation of thermal transmittance-Part 2:Numerical method for frames[S].

[7] EN13947:2006. Thermal performance of curtain walling-Calculation of thermal transmittance[S].

[8] NFRC 100:2004. Procedure for Determining Fenestration Product U-Factors[S].

[9] NFRC 200:2004.Procedure for Determining Fenestration Product Solar Heat Gain Coefficient and Visible Transmittance at Normal Incidence[S].

[10]NFRC 300:2004.Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems[S].