暖框科技公司,北京 100022
本文獻發(fā)表于, 2022年建筑熱工與節(jié)能學術年會論文集
摘要:建筑節(jié)能設計軟件作為必不可少的設計工具之一,在給建筑師的日常工作帶來巨大便利的同時,自身的局限卻未受到足夠重視。節(jié)能設計軟件對幕墻相關內(nèi)容過度簡化,常存在軟件設定與現(xiàn)實不符的情況,特別是將“窗數(shù)據(jù)庫”套用在幕墻系統(tǒng)上、將外窗的構造視作幕墻構造、忽略天窗的傳熱系數(shù)與其角度的關聯(lián)等問題,使得圍護結(jié)構的真實熱工性能和建筑的節(jié)能效果不及預期。本文基于幕墻熱工仿真技術和國內(nèi)外的熱工有限元分析軟件,對上述問題進行了量化分析,并提出了改進方案。研究結(jié)果可為相關建筑節(jié)能設計軟件的優(yōu)化和節(jié)能設計標準的制定提供參考。
關鍵詞:建筑節(jié)能設計軟件;門窗幕墻;幕墻熱工仿真;有限元分析
Analysis of the Deviance of Facade Thermal Performance in the Building Energy-saving Design Software
Warmframe Technology Corporation
Abstract: As one of the indispensable design tools, building energy-saving design software brings great convenience to the daily work of architects, but the limitations are not taken seriously. The oversimplification of the content related to the facade by the energy-saving design software is easy to be inconsistent with reality, especially the application of the "window database" to the facade system, the construction of the window is equivalent to the structure of the curtain wall, and the relationship between the heat transfer coefficient of the skylight and its angle is ignored, so that the real thermal performance of the envelope structure and the energy-saving effect of the building are unsatisfactory. Based on the facade thermal simulation technology and related finite element analysis software in the world, this paper analyzes the above problems and proposes improvement schemes. The research results can provide a reference for the optimization and standard formulation of relevant building energy-saving design software.
Keywords: Building energy-saving design software; Fenestration; Facade thermal simulation; Finite element analysis
1. 背景
2021年9月,住建部發(fā)布GB 55015-2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》,這意味著我國的新建公共建筑正式跨入“72節(jié)能”時代。公共建筑的圍護結(jié)構一般為幕墻系統(tǒng),而通過建筑幕墻的能耗約占整個建筑的一半以上[1]。中國政府提出的“碳達峰、碳中和”目標,無疑是對公建節(jié)能和幕墻熱工提出了前所未有的挑戰(zhàn)。
從2005年的“50節(jié)能”開始,幕墻系統(tǒng)有了較大變化[2]——以北京市的工程為例,為滿足節(jié)能設計中幕墻傳熱系數(shù)2.2～2.4 W/(m2·K)的要求,幕墻框架從普通鋁合金變?yōu)閹Ц魺釛l的斷熱鋁合金,玻璃從單片鍍膜變?yōu)閱沃锌誏ow-e;到了2015年的“65節(jié)能”,幕墻傳熱系數(shù)的要求提高到1.8～2.0 W/(m2·K),相應地,斷熱鋁合金框架的隔熱條高度從14.8mm增加到了24mm,雙銀Low-e玻璃、氬氣和暖邊間隔條成了標配,甚至有些工程為了滿足建筑節(jié)能要求,開始使用雙中空玻璃、三銀Low-e和雙膜Low-e等更高性能的玻璃。參考歐洲的幕墻節(jié)能技術發(fā)展路線,為了滿足最新的“72節(jié)能”,即幕墻傳熱系數(shù)的要求1.6 W/(m2·K)以下,“65節(jié)能”中的“高配”勢必成為明日的“標配”,同時也將催生出新的更高性能的材料和技術。
改善圍護結(jié)構保溫隔熱性能是建筑節(jié)能設計的任務之一[3]。對于公共建筑而言,為了確保所設計使用的幕墻配置滿足節(jié)能率要求,必須進行準確的計算。由于手算過程費時費力,目前幾乎所有的設計單位都通過使用建筑節(jié)能設計軟件(如PKPM公司的PBECA、斯維爾公司的BECS和天正公司的T-BEC等)完成這項工作。然而,值得注意的是:軟件的建模功能有限[4]、建筑節(jié)能設計審查不嚴[5]等因素可能導致節(jié)能計算結(jié)果失真[6]。
2. 研究問題和方法
據(jù)PKPM公司的《建筑節(jié)能設計分析軟件PBECA使用說明書》[7]所述,該軟件以國家規(guī)范和各地方節(jié)能設計標準的為依據(jù),提供菜單式選擇方式定義幕墻構造,并可自動計算所選擇幕墻構造的熱工性能。對照查閱該軟件生成的標準化“建筑節(jié)能計算報告書”后發(fā)現(xiàn):軟件中的“幕墻構造”及計算數(shù)據(jù)均出自其附帶的“窗數(shù)據(jù)庫”,而“窗數(shù)據(jù)庫”中的數(shù)據(jù)又參照了國家規(guī)范和各地方標準。圖1是其參照的規(guī)范之一:GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》附錄C-5表的C.5.3-1、2典型玻璃配合不同窗框的整窗傳熱系數(shù)。
圖1. 建筑節(jié)能設計軟件參照GB 50176-2016
觀察上述圖表,可以得到以下信息:
1) 表中內(nèi)容主要針對外窗和窗框,不包含幕墻和幕墻框;
2) 表中的隔熱金屬窗框只有兩種:Kf = 5.0和5.8 W/(m2·K),且框面積只有20%一種;
3) 玻璃配置有限,沒有其它玻璃和空腔厚度,沒有暖邊間隔條;
圖2、圖3是節(jié)能設計軟件參照的規(guī)范之二:DGJ 08-107-2015上海市工程建設規(guī)范《公共建筑節(jié)能設計標準》附錄C建筑外窗傳熱系數(shù)計算中的附表:
圖2. 金屬隔熱型材傳熱系數(shù)(出自:DGJ 08-107-2015)
圖3.隔熱金屬外窗傳熱系數(shù)(出自:DGJ 08-107-2015)
觀察上述圖表,可以得到以下信息:
4) 表中內(nèi)容亦主要針對外窗和窗框,不包含幕墻;
5) 圖2顯示了四種規(guī)格隔熱條所對應的窗框傳熱系數(shù),圖3顯示了這四種窗框與不同玻璃組合后的整窗傳熱系數(shù),并且考慮了暖邊技術對整窗傳熱系數(shù)的貢獻;
事實上,縱觀國內(nèi)常用建筑節(jié)能設計軟件中“窗數(shù)據(jù)庫”的參照標準,大都與以上的圖1～圖3相似。查看其標準化的“建筑節(jié)能計算報告書”(圖4),由此可見,節(jié)能設計軟件實際是將外窗的構造和性能視作與幕墻和天窗同等。
圖4. 某公建項目的“建筑節(jié)能計算報告書”,將外窗的構造和性能視作與幕墻和天窗同等
隨即引出研究問題:外窗與幕墻和天窗的熱工性能有何差異和影響?
為了回答這一問題,本文采用了下列研究方法:
使用業(yè)內(nèi)公認專業(yè)的熱工有限元分析軟件——美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)開發(fā)的THERM 7 / WINDOW 7 [8],分別對外窗和幕墻的典型框架(圖5)和不同傾角的玻璃進行熱工仿真及對比。邊界及環(huán)境條件的設定方法參照JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程》的冬季標準計算條件,即:
室內(nèi)空氣溫度:20℃
室外空氣溫度:-20℃
室內(nèi)對流換熱系數(shù):3.6 W/(m2·K)
室外對流換熱系數(shù):16 W/(m2·K)
太陽輻射照度:0 W/(m2·K)
圖5. 典型窗框和幕墻框
3. 研究結(jié)果分析
3.1 窗框和幕墻框的熱工性能
表1. THERM軟件對窗框和幕墻框進行熱工仿真的結(jié)果
表1的結(jié)果顯示:窗框和幕墻框的熱工性能差異巨大。以使用相同隔熱條高度的窗框為參照,幕墻框的傳熱系數(shù)的偏差范圍為(-45%)至355%,溫度偏差范圍為 -2.1℃至9.1℃。
如此大的偏差可能使建筑節(jié)能過度設計或不安全。典型的過度設計是:為了滿足特定的整窗熱工性能要求,經(jīng)幕墻專業(yè)計算,本可以用單中空玻璃滿足,但節(jié)能設計軟件只支持雙中空玻璃,結(jié)果使得建造成本高企;典型的不安全設計是:由于盲從節(jié)能設計軟件中的“幕墻構造”,幕墻的真實熱工性能無法滿足設計要求,或因此而忽視了幕墻框的“熱橋效應”,從而引發(fā)結(jié)露風險(圖6)。
圖6:北京某地標工程,由于忽略幕墻框的熱橋效應,導致室內(nèi)大面積結(jié)露
3.2. 不同傾角玻璃的熱工性能
圖7:WINDOW軟件對于不同傾角玻璃的計算結(jié)果(左:豎直90度,右:水平0度)
表2:不同傾角玻璃的熱工性能,傳熱系數(shù)單位:W/(m2·K)
表2的結(jié)果顯示:不同傾角玻璃的傳熱系數(shù)差異很大。以豎直(與水平面夾角為90度)的玻璃為參照,水平玻璃傳熱系數(shù)的最大增幅為41%。這是由于中空玻璃水平放置時,空腔氣體自重的部分或全部是與對流方向重合的,熱對流效應會因此加劇,從而使得玻璃的傳熱系數(shù)大幅上升。
以使用雙玻單中空的水平傾斜15º天窗為例,忽略傾角時,整窗傳熱系數(shù)約為2.5 W/(m2·K),考慮實際傾角時,整窗的傳熱系數(shù)約為3.0 W/(m2·K);若按照整窗傳熱系數(shù)2.5 W/(m2·K)的要求,并考慮實際傾角時,反推該傾斜玻璃的傳熱系數(shù)應不大于1.7 W/(m2·K),即必須使用三玻雙中空玻璃。
3.3. 改進方案
分析上述問題的成因,一方面是由常用建筑節(jié)能設計軟件在幕墻熱工技術方面的局限造成的,另一方面也反映出工程設計管理的漏洞。綜合國外在本領域的專業(yè)經(jīng)驗和國內(nèi)部分優(yōu)質(zhì)工程的實踐,本文提出以下改進方案:
1) 在建筑節(jié)能設計階段,使用專業(yè)的熱工有限元分析軟件(如廣東省建科院的粵建科MQMC,LBNL的THERM/WINDOW等),根據(jù)所設計的幕墻構造進行針對性的有限元建模計算,并修正“建筑節(jié)能計算報告書”中的“幕墻構造”要求,而非使用前述之經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
2) 加強對建筑節(jié)能設計成果的審核,特別是對包含建筑和幕墻構造模型的文件進行全面審核。
3) 在建筑設計說明中,增加對建筑幕墻熱工性能的檢驗要求,檢驗方法可參考GB/T 29043-2012 《建筑幕墻保溫性能分級及檢測方法》或同等標準。
4. 結(jié)論
本研究使用美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)開發(fā)的THERM 7 / WINDOW 7軟件,分別對外窗和幕墻的典型框架和不同傾角的玻璃進行了熱工仿真,結(jié)果顯示幕墻框的傳熱系數(shù)的偏差范圍為(-45%)至355%,溫度偏差范圍為 -2.1℃至9.1℃,玻璃傳熱系數(shù)的最大增幅為41%。通過量化分析,揭示了建筑節(jié)能設計軟件中的幕墻熱工性能失真問題和由此產(chǎn)生的不利影響,并提供了改進建議方案。
參考文獻
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[8] 馬揚, 楊仕超, 楊華秋. 中外建筑門窗幕墻熱工計算標準體系[C]// "十一五"全國建筑節(jié)能技術創(chuàng)新成果應用交流會暨2010年年會. 2010.
作者簡介:周雨禎,1980年生,工學學士,美國NFRC認證熱工建模師,美國LEED GA
聯(lián)系郵箱:s.zhou@warmframe.com
