式中，ge為玻璃邊緣區(qū)域的太陽光總透射比，其余符號含義與式(2)和式(4)相同。對比式(4)和式(5)可知兩個公式的區(qū)別在于是否考慮玻璃邊緣區(qū)域的太陽輻射熱量。美NFRC標準體系中規(guī)定ge等于gg，而Ae加上Agc等于Ag，因此式(4)和式(5)在本質(zhì)上相同。楊仕超經(jīng)過計算對比發(fā)現(xiàn)相同條件下兩個公式的相差甚小。
歐洲ISO標準體系、美國NFRC標準體系以及我國規(guī)程采用相同的方法計算玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比，即積分和迭代的方法。我國規(guī)程計算玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比時，所采用的標準太陽光譜為ISO 9845-1的第五類標準光譜，即直射與散射光譜，這與歐洲ISO標準體系相一致。美國NFRC標準體系則采用ISO 9845-1中的第二類直射光譜作為標準太陽光譜。直射與散射光譜的各波段的平均分光照度值均比只有直射光譜大。因此我國規(guī)程與歐洲ISO標準體系得到玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比大于美國NFRC標準體系的計算結(jié)果[3]。
歐洲ISO標準體系、美國NFRC標準體系以及我國規(guī)程采用相同的方法計算窗框的太陽光總透射比：
式中Uf為窗框的傳熱系數(shù)，αf為窗框表面太陽輻射吸收系數(shù)，hout為室外表面換熱系數(shù)，Af為窗框投影面積，Asurf為窗框外表面面積。我國規(guī)程中窗框表面太陽輻射吸收系數(shù)取0.4，而美國NFRC標準體系中窗框表面的太陽輻射系數(shù)取0.3。
綜上所述，不同標準間的遮陽系數(shù)計算方法本質(zhì)上是相同的，不同在于系數(shù)的不同取值，如標準太陽光譜和窗框表面太陽輻射系數(shù)。
采用軟件計算玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比時，需要的邊界條件為室內(nèi)外對流換熱系數(shù)。采用軟件計算窗框太陽光總透射比時，軟件所需的邊界條件為室內(nèi)外溫度、室內(nèi)外對流換熱系數(shù)和太陽輻射照度。表2中給出了中美歐三種標準中計算邊界條件。
遮陽系數(shù)計算邊界條件存在明顯差異，這種差異造成不同標準計算得到的遮陽系數(shù)并不相同。此種差異不僅與邊界條件差異有關，也與公式系數(shù)取值不同有關。玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比通常遠大于窗框的太陽光總透射比，加之玻璃系統(tǒng)的面積也是窗框面積的數(shù)倍到數(shù)十倍，外窗的太陽光總透射決定于玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比。整窗的太陽光總透射比由以面積為權函數(shù)的數(shù)學公式計算得到，整窗的太陽光總透射比必然小于玻璃系統(tǒng)的太陽光總透射比，但兩者之間的差異不大。
4 基于LBNL系列軟件的外窗熱工性能計算流程
從前文的論述中可以看出以美國NFRC標準體系為基礎的LBNL系列免費軟件計算得到的外窗熱工性能參數(shù)并不能滿足我國規(guī)程的要求，主要有四方面原因：(1)窗框傳熱系數(shù)計算方法不同，(2)邊界條件不同，(3)標準太陽光譜不同，(4)窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規(guī)定的標準窗型[3]。以上不足使得LBNL軟件無法用于《鋁合金門窗》[8]規(guī)定的型式檢驗典型試件熱工性能計算中，也不能用于新型建筑外窗研發(fā)中。
基于LBNL系列軟件的熱傳導和玻璃光學熱工計算功能模塊，結(jié)合我國規(guī)程的計算方法，在LBNL系列軟件無法滿足計算要求的環(huán)節(jié)用Excel計算表格等作為替換，制定了傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)計算流程。該流程滿足我國規(guī)程的要求。同時還可結(jié)合Excel軟件或者MATLAB軟件的二次開發(fā)功能，實現(xiàn)全計算流程的自動化。
前文指出LNBL系列軟件傳熱系數(shù)計算方法玻璃邊緣區(qū)域計算理論。傳熱系數(shù)計算中可以考慮采用LNBL系列軟件中的二維熱傳導模擬計算模塊THERM進行窗框傳熱分析，在此基礎上按照我國規(guī)范的計算公式得到窗框傳熱系數(shù)及玻璃邊緣區(qū)域線系數(shù)。采用LNBL系列軟件中的一維熱傳導模擬計算模塊WINDOW計算得到玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。按照式(1)以及整窗各部件截面面積最終獲得整窗傳熱系數(shù)。
具體計算流程如下：
(1)采用WINDOW模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得到玻璃系統(tǒng)的傳熱系數(shù)Ug。
(2)在THERM模塊中建立包含導熱系數(shù)為0.03W/(m∙K)、長度為200mm的等厚絕熱板代窗框計算模型，采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得窗框傳熱系數(shù)Ufr。
(3)將等厚絕熱板替換為玻璃系統(tǒng)建立新的窗框計算模型，采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算得窗框傳熱系數(shù)Uf和玻璃邊緣區(qū)域傳熱系數(shù)Ue。
(4)按照下式計算得玻璃邊緣區(qū)域線傳熱系數(shù)ψ
式中bf為窗框?qū)挾龋琤e為玻璃邊緣區(qū)域?qū)挾龋琤e可取THERM模塊中的默認值，即63.5mm，其余符號與式(1)和式(2)相同。
(5)基于前四步計算得到的傳熱系數(shù)ψ、Ufr和Ug，結(jié)合整窗各部件截面面積，按照式(1)計算得整窗傳熱系數(shù)Ut。
由于不同標準的遮陽系數(shù)計算方法本質(zhì)上是一致的，差別在于LBNL標準軟件選用的標準太陽光譜和窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。可以考慮采用LNBL系列軟件中的玻璃光學熱工計算模塊Optics計算得到單片玻璃的光學熱工參數(shù)，該模塊計算中可以選擇不同的計算標準，其中ISO 9050標準所用的標準太陽光譜[9]與我國規(guī)程相同。由此計算得到的單片玻璃光學熱工性能滿足我國規(guī)程的要求。窗框的太陽光總透射比我國規(guī)范的計算公式計算得到。按照式(4)以及整窗各部件截面面積最終獲得整窗太陽光總透射比。
具體計算流程如下：
(1)將已知的單片玻璃光譜數(shù)據(jù)導入Optics模塊，計算標準選擇為ISO 9050，計算得到單片玻璃的光學熱工參數(shù)。
(2)將上一步得到單片玻璃光學熱工參數(shù)導入WINDOW模塊中，按照我國規(guī)程的邊界條件計算得到玻璃系統(tǒng)太陽光總透射比gg。
(3)采用THERM模塊和我國規(guī)程的邊界條件計算出窗框的傳熱系數(shù)Ufr。
(4)按照式(6)和我國規(guī)程的邊界條件計算出窗框的太陽光總透射比gf。
(5)基于前四步得到的太陽光總透射比gg和gf，結(jié)合整窗各部件截面面積，按照式(4)計算得到整窗的太陽得熱系數(shù)gt。
(6)根據(jù)公式(3)計算得到整窗的遮陽系數(shù)SC。
5 小結(jié)
近來，系統(tǒng)門窗的興起以及建筑門窗節(jié)能性能標識的大力推廣，數(shù)值模擬計算重要性越發(fā)顯著。目前國內(nèi)具有較大用戶群體的數(shù)值模擬計算軟件為LBNL系列軟件。該系列軟件依據(jù)美國NFRC標準體系開發(fā)，而美國NFRC標準體系與我國規(guī)程的計算方法和邊界條件間存在顯著差異，主要有四方面原因：(1)窗框傳熱系數(shù)計算方法不同，(2)邊界條件不同，(3)標準太陽光譜不同，(4)窗框太陽輻射吸收系數(shù)不同。加之LBNL系列免費軟件只能計算美國NFRC標準體系所規(guī)定的標準窗型。造成LBNL系列軟件計算結(jié)果無法滿足我國規(guī)程的要求，也不能用于新型建筑外窗的研發(fā)中。
基于LBNL系列軟件的數(shù)值模擬計算功能模塊，以及電子計算表格，按照我國規(guī)程計算方法、系數(shù)取值和邊界條件，提出了滿足我國規(guī)程要求的建筑外窗熱工性能計算流程。所建議的計算流程簡便易行，可供廣大建筑外窗研發(fā)人員及研究者計算建筑外窗熱工性能計算時參考。
參考文獻
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中國幕墻網(wǎng) 2016年會論文集系列 未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載 違者必究
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