淺談中外門窗幕墻主要熱工計算標準之間的差異

齊俊峰 蔡功全

摘要：隨著人們對能源需求的認識，門窗幕墻的節能設計也得到空前的重視。本文站在設計者的角度上簡要闡述了國內外現行主要標準規范之間的差異。

關鍵詞：幕墻；熱工計算；節能設計

中圖分類號： TU201 文獻標識碼： A

前言

隨著社會的進步，科技的發展，人類對能源的需求在不斷的擴大，而能源的再生能力與對能源需求的矛盾也在不斷的激化，如今人類早已認識到這一點，于是在尋求新能源的同時也在不斷地改善對傳統能源的利用，從而研發出可以減少能源浪費的新技術。

建筑幕墻與門窗在中國盛行也有近30年，而如今中國也是是名副其實的建筑門窗幕墻生產和使用大國。但在其華麗的外表下，其造成大量能源浪費卻一直為人們所詬病。為此國務院于2007年6月下發了《節能減排綜合性工作方案》，明確提出了“十一五”期間單位國內生產總值能耗降低20％左右，主要污染物排放總量減少10％的約束性指標。2007年10月28日第十屆全國人民代表大會常務委員會第三十次會議修訂《中華人民共和國節約能源法》（主席令第七十七號）將建筑節能提升至與工業節能、交通運輸節能相等的高度。由此在高樓大廈林立的今天，門窗幕墻的節能設計不斷的被人重視，并得以發展，本文從門窗幕墻傳熱性能設計角度淺談中外門窗幕墻主要幾個熱工標準之間的差異。

總述

幕墻、門窗熱工性能計算機模擬計算，在歐盟、美國、日本等已廣泛應用并得到社會的認可。目前國外主要有兩種典型標準體系：ISO（EN）標準體系以及美國NFRC標準體系。其中NFRC標準體系是由美國的民間組織機構全稱為美國國家門窗等級評定委員會，依據ISO和美國標準編制了相應的標準體系，采用玻璃邊緣影響區傳熱系數法。而ISO建筑門窗幕墻熱工計算標準主要引用歐盟（EN）的技術標準，采用線傳熱系數法。國內的熱工計算標準偏向于ISO（EN）標準體系也采用的線傳熱系數法，但在邊界條件的設定上有所差別，更接近我國的實際情況。以下是三種體系現行的標準：

類別 國內標準體系 ISO（EN）標準體系 NRFC標準體系

幕墻熱工計算 JGJ/T 151 EN 13947 無

門窗熱工計算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-1 NFRC 100

NFRC 200

框熱傳導計算 JGJ/T 151 ISO 10599、

ISO 10077-2 NFRC 100

NFRC 200

玻璃光學熱工計算 JGJ/T 151 ISO 9050 NFRC 300

邊界條件對比

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。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。設計規范規定設計建筑門窗、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。但實際中，大部分工程不能提供實際邊界條件，仍然采用標準邊界條件進行設計，盡管如此，仍大幅提高了現代建筑的節能性能。通過下面表格我們可以明顯看出三種體系的差別：

標準體系類型計算邊界條件參數 ISO（EN） 美國NFRC 我國標準體系：

冬季 室內空氣溫度Tin（℃） 20 21 20

室外空氣溫度Tout（℃） 0 -18 -20

室內對流換熱系數hc,in W/(m2K) 3.6 ASHRAE/NFRC 3.6

室外對流換熱系數hc,out [W/(m2K)] 20 26 16

門窗邊框的室外對流換熱系數hc,out [W/(m2K)] / / 8

邊框附近玻璃邊緣（63.5mm以內）的室外對流換熱系數hc,out [W/(m2K)] / / 12

太陽輻射照度Is （W/m2） 300 0 300

因夏季邊界條件用于計算遮陽系數等參數，不在本文討論范圍內，故不列出

對比中，我們可以看出由于地區的不同，溫度亦不相同，但是溫度的差別對產品本身的傳熱系數影響不大，影響最大的是室內外對流換熱系數，其中國標多出門窗邊框的室外對流換熱系數和邊框附近玻璃邊緣（63.5mm以內）的室外對流換熱系數兩項，也是國標與ISO標準最大的區別，而美國NFRC標準中室內對流換熱系數是隨著面材變化而變化的，實際設計中，我們通常采用美國勞倫斯伯克利國家實驗室專門針對NFRC標準推出的系列軟件Therm及Window結合來確定其室內對流換熱系數，同時三種體系在計算傳熱系數時，太陽輻射照度Is 取0來進行計算。

面材傳熱系數計算對比

對于各處溫度恒定，長寬均遠遠大于厚度的面材，我們通?？梢圆捎脽嶙韫竭M行計算，利用歐姆定律的原則，將每層不同材料的熱阻串連，再利用公式計算得出復合面材的傳熱系數，規范中所列公式我們可以看到，這種情況下，面材的傳熱系數只跟內外對流換熱系數相關，前面我們已經在邊界條件中對比過室內外對流換熱系數，此處不再重復。

對于玻璃面材，由于各種性能膜的加入，相對比較復雜，理論上ISO 9050和JGJ/T151采用ISO 9845-1第5類標準光譜數據進行計算，NFRC 300 采用ISO 9845-1第2類標準光譜數據進行計算。但實際中，幕墻生產廠家從玻璃廠家拿到的數據大部分是玻璃廠家用美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的軟件Window計算得出的結果，并不是用光譜數據理論計算的結果，大部分廠家的大部分產品都會被勞倫斯數據庫測試并作為實驗數據收錄。在此，筆者認為該計算結果用于美國NFRC標準計算是比較接近實際的，但是用于國標與ISO標準計算會有一定的誤差。

國標在計算玻璃傳熱系數時室內環境表面發射率采用0.9，而美國NFRC則采用1.0，從上圖可以看出，兩種光譜的差異還是比較大的，因此當采用國標與ISO標準計算時，幕墻生產廠家還是應該注意玻璃廠家給出的玻璃性能是基于那個標準得出的結果，避免產生較大的誤差，造成能源的浪費。

框傳熱系數計算對比

對于框的計算，也就是節點斷面的計算，由于材料傳熱系數差異巨大，造成相交區域傳熱系數較為復雜，三種計算體系，均認定一個影響區。

國標及ISO標準均認為影響區是相交的一條線，采用方法叫線傳熱系數計算理論，即計算框傳熱時應用一塊導熱系數很小的板材替代實際的玻璃或其他鑲嵌板，板材的厚度與實際板材厚度相等，嵌入深度按照實際尺寸嵌入，利用二維有限元軟件兩次建模分別計算得出面材被代替前后框截面投影范圍內的傳熱系數，然后推導出影響區的傳熱系數即線傳熱系數。

美國NFRC標準則認為玻璃邊緣63.5mm以內區域作為影響區，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。利用二維有限元軟件分別得出框截面投影范圍內的傳熱系數和影響區內的傳熱系數。由于有專門軟件的支持，算法還是比較簡便的。

名稱 NFRC體系 ISO(EN)體系

Uf/值

W/(m2K) 邊緣區域Ueg值

W/(m2K) 熱流總量qw

（W/m2） Uf值W/(m2K) 線傳熱系數ψ

W/(mK) 熱流總量qw

（W/m2）

節點1 3.23 2.05 0.462 2.80 0.07 0.469

節點2 3.85 2.22 0.777 3.06 0.081 0.775

從上述表中的對比結果中可以看出，同樣的節點，用兩種方法計算得出的傳熱系數有較大的差異，但是兩種算法得出的熱流總量是一致的，就是說兩種計算方法的結果都是可靠的，相互印證的，但是評價產品性能是卻不能單看個體的傳熱系數，而應該結合實際計算方法去考慮產品的性能，這也是被很多廠家所忽略的。

結束語

雖然國內外標準規定，算法等不盡相同，但是得出的結果都能評價出門窗幕墻產品的性能，但是要注意的是，計算與評價需要采用同一套體系才能得到準確完整的評價。作為設計者，我們應該了解各種不同規定的相同與不同之處，這樣不僅能保證構造的合理性，還能最大限度的避免能源的浪費。

參考文獻

[1] JGJ/T 151《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》

[2] ISO 10077-1:2000-07;Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance. Part 1: Simplified method.

[3] ISO 10077-2:2000-12; Thermal performance of windows, doors and shutters. Calculation of thermal transmittance. Part 2: Numerical method for frames.

[4] ISO 15099:2003; Thermal performance of window, doors and shading devices-Detailed calculations.