暖框科技公司,北京 100022
本文獻(xiàn)發(fā)表于, 2022年建筑熱工與節(jié)能學(xué)術(shù)年會(huì)論文集
摘要:建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件作為必不可少的設(shè)計(jì)工具之一,在給建筑師的日常工作帶來(lái)巨大便利的同時(shí),自身的局限卻未受到足夠重視。節(jié)能設(shè)計(jì)軟件對(duì)幕墻相關(guān)內(nèi)容過(guò)度簡(jiǎn)化,常存在軟件設(shè)定與現(xiàn)實(shí)不符的情況,特別是將“窗數(shù)據(jù)庫(kù)”套用在幕墻系統(tǒng)上、將外窗的構(gòu)造視作幕墻構(gòu)造、忽略天窗的傳熱系數(shù)與其角度的關(guān)聯(lián)等問(wèn)題,使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的真實(shí)熱工性能和建筑的節(jié)能效果不及預(yù)期。本文基于幕墻熱工仿真技術(shù)和國(guó)內(nèi)外的熱工有限元分析軟件,對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了量化分析,并提出了改進(jìn)方案。研究結(jié)果可為相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。
關(guān)鍵詞:建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件;門(mén)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(guó)的新建公共建筑正式跨入“72節(jié)能”時(shí)代。公共建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般為幕墻系統(tǒng),而通過(guò)建筑幕墻的能耗約占整個(gè)建筑的一半以上[1]。中國(guó)政府提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo),無(wú)疑是對(duì)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(kāi)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(shè)計(jì)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(yīng)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(biāo)配,甚至有些工程為了滿足建筑節(jié)能要求,開(kāi)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?xì)W洲的幕墻節(jié)能技術(shù)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(shì)必成為明日的“標(biāo)配”,同時(shí)也將催生出新的更高性能的材料和技術(shù)。
改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的任務(wù)之一[3]。對(duì)于公共建筑而言,為了確保所設(shè)計(jì)使用的幕墻配置滿足節(jié)能率要求,必須進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。由于手算過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,目前幾乎所有的設(shè)計(jì)單位都通過(guò)使用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shè)計(jì)審查不嚴(yán)[5]等因素可能導(dǎo)致節(jié)能計(jì)算結(jié)果失真[6]。
2. 研究問(wèn)題和方法
據(jù)PKPM公司的《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)分析軟件PBECA使用說(shuō)明書(shū)》[7]所述,該軟件以國(guó)家規(guī)范和各地方節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的為依據(jù),提供菜單式選擇方式定義幕墻構(gòu)造,并可自動(dòng)計(jì)算所選擇幕墻構(gòu)造的熱工性能。對(duì)照查閱該軟件生成的標(biāo)準(zhǔn)化“建筑節(jié)能計(jì)算報(bào)告書(shū)”后發(fā)現(xiàn):軟件中的“幕墻構(gòu)造”及計(jì)算數(shù)據(jù)均出自其附帶的“窗數(shù)據(jù)庫(kù)”,而“窗數(shù)據(jù)庫(kù)”中的數(shù)據(jù)又參照了國(guó)家規(guī)范和各地方標(biāo)準(zhǔn)。圖1是其參照的規(guī)范之一:GB 50176-2016《民用建筑熱工設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)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(méi)有其它玻璃和空腔厚度,沒(méi)有暖邊間隔條;
圖2、圖3是節(jié)能設(shè)計(jì)軟件參照的規(guī)范之二:DGJ 08-107-2015上海市工程建設(shè)規(guī)范《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄C建筑外窗傳熱系數(shù)計(jì)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(duì)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(duì)應(yīng)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(shù)對(duì)整窗傳熱系數(shù)的貢獻(xiàn);
事實(shí)上,縱觀國(guó)內(nèi)常用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件中“窗數(shù)據(jù)庫(kù)”的參照標(biāo)準(zhǔn),大都與以上的圖1～圖3相似。查看其標(biāo)準(zhǔn)化的“建筑節(jié)能計(jì)算報(bào)告書(shū)”(圖4),由此可見(jiàn),節(jié)能設(shè)計(jì)軟件實(shí)際是將外窗的構(gòu)造和性能視作與幕墻和天窗同等。
圖4. 某公建項(xiàng)目的“建筑節(jié)能計(jì)算報(bào)告書(shū)”,將外窗的構(gòu)造和性能視作與幕墻和天窗同等
隨即引出研究問(wèn)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(wèn)題,本文采用了下列研究方法:
使用業(yè)內(nèi)公認(rèn)專(zhuān)業(yè)的熱工有限元分析軟件——美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)開(kāi)發(fā)的THERM 7 / WINDOW 7 [8],分別對(duì)外窗和幕墻的典型框架(圖5)和不同傾角的玻璃進(jìn)行熱工仿真及對(duì)比。邊界及環(huán)境條件的設(shè)定方法參照J(rèn)GJ/T 151-2008《建筑門(mén)窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》的冬季標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件,即:
室內(nèi)空氣溫度:20℃
室外空氣溫度:-20℃
室內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù):3.6 W/(m2·K)
室外對(duì)流換熱系數(shù):16 W/(m2·K)
太陽(yáng)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(duì)窗框和幕墻框進(jìn)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?yàn)閰⒄?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(guò)度設(shè)計(jì)或不安全。典型的過(guò)度設(shè)計(jì)是:為了滿足特定的整窗熱工性能要求,經(jīng)幕墻專(zhuān)業(yè)計(jì)算,本可以用單中空玻璃滿足,但節(jié)能設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是:由于盲從節(jié)能設(shè)計(jì)軟件中的“幕墻構(gòu)造”,幕墻的真實(shí)熱工性能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,或因此而忽視了幕墻框的“熱橋效應(yīng)”,從而引發(fā)結(jié)露風(fēng)險(xiǎn)(圖6)。
圖6:北京某地標(biāo)工程,由于忽略幕墻框的熱橋效應(yīng),導(dǎo)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(duì)于不同傾角玻璃的計(jì)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(shí),空腔氣體自重的部分或全部是與對(duì)流方向重合的,熱對(duì)流效應(yīng)會(huì)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(shí),整窗傳熱系數(shù)約為2.5 W/(m2·K),考慮實(shí)際傾角時(shí),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(shí)際傾角時(shí),反推該傾斜玻璃的傳熱系數(shù)應(yīng)不大于1.7 W/(m2·K),即必須使用三玻雙中空玻璃。
3.3. 改進(jìn)方案
分析上述問(wèn)題的成因,一方面是由常用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件在幕墻熱工技術(shù)方面的局限造成的,另一方面也反映出工程設(shè)計(jì)管理的漏洞。綜合國(guó)外在本領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)部分優(yōu)質(zhì)工程的實(shí)踐,本文提出以下改進(jìn)方案:
1) 在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)階段,使用專(zhuān)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(shè)計(jì)的幕墻構(gòu)造進(jìn)行針對(duì)性的有限元建模計(jì)算,并修正“建筑節(jié)能計(jì)算報(bào)告書(shū)”中的“幕墻構(gòu)造”要求,而非使用前述之經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2) 加強(qiáng)對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成果的審核,特別是對(duì)包含建筑和幕墻構(gòu)造模型的文件進(jìn)行全面審核。
3) 在建筑設(shè)計(jì)說(shuō)明中,增加對(duì)建筑幕墻熱工性能的檢驗(yàn)要求,檢驗(yàn)方法可參考GB/T 29043-2012 《建筑幕墻保溫性能分級(jí)及檢測(cè)方法》或同等標(biāo)準(zhǔn)。
4. 結(jié)論
本研究使用美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)開(kāi)發(fā)的THERM 7 / WINDOW 7軟件,分別對(duì)外窗和幕墻的典型框架和不同傾角的玻璃進(jìn)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(guò)量化分析,揭示了建筑節(jié)能設(shè)計(jì)軟件中的幕墻熱工性能失真問(wèn)題和由此產(chǎn)生的不利影響,并提供了改進(jìn)建議方案。
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作者簡(jiǎn)介:周雨禎,1980年生,工學(xué)學(xué)士,美國(guó)NFRC認(rèn)證熱工建模師,美國(guó)LEED GA
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