暖框科技公司,北京 100022

　　本文献发表于, 2022年建筑热工与节能学术年会论文集

　　摘要:建筑节能设计软件作为必不可少的设计工具之一,在给建筑师的日常工作带来巨大便利的同时,自身的局限却未受到足够重视。节能设计软件对幕墙相关内容过度简化,常存在软件设定与现实不符的情况,特别是将“窗数据库”套用在幕墙系统上、将外窗的构造视作幕墙构造、忽略天窗的传热系数与其角度的关联等问题,使得围护结构的真实热工性能和建筑的节能效果不及预期。本文基于幕墙热工仿真技术和国内外的热工有限元分析软件,对上述问题进行了量化分析,并提出了改进方案。研究结果可为相关建筑节能设计软件的优化和节能设计标准的制定提供参考。

　　关键词:建筑节能设计软件;门窗幕墙;幕墙热工仿真;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,住建部发布GB 55015-2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》,这意味着我国的新建公共建筑正式跨入“72节能”时代。公共建筑的围护结构一般为幕墙系统,而通过建筑幕墙的能耗约占整个建筑的一半以上[1]。中国政府提出的“碳达峰、碳中和”目标,无疑是对公建节能和幕墙热工提出了前所未有的挑战。

　　从2005年的“50节能”开始,幕墙系统有了较大变化[2]——以北京市的工程为例,为满足节能设计中幕墙传热系数2.2～2.4 W/(m2·K)的要求,幕墙框架从普通铝合金变为带隔热条的断热铝合金,玻璃从单片镀膜变为单中空Low-e;到了2015年的“65节能”,幕墙传热系数的要求提高到1.8～2.0 W/(m2·K),相应地,断热铝合金框架的隔热条高度从14.8mm增加到了24mm,双银Low-e玻璃、氩气和暖边间隔条成了标配,甚至有些工程为了满足建筑节能要求,开始使用双中空玻璃、三银Low-e和双膜Low-e等更高性能的玻璃。参考欧洲的幕墙节能技术发展路线,为了满足最新的“72节能”,即幕墙传热系数的要求1.6 W/(m2·K)以下,“65节能”中的“高配”势必成为明日的“标配”,同时也将催生出新的更高性能的材料和技术。

　　改善围护结构保温隔热性能是建筑节能设计的任务之一[3]。对于公共建筑而言,为了确保所设计使用的幕墙配置满足节能率要求,必须进行准确的计算。由于手算过程费时费力,目前几乎所有的设计单位都通过使用建筑节能设计软件(如PKPM公司的PBECA、斯维尔公司的BECS和天正公司的T-BEC等)完成这项工作。然而,值得注意的是:软件的建模功能有限[4]、建筑节能设计审查不严[5]等因素可能导致节能计算结果失真[6]。

　　2. 研究问题和方法

　　据PKPM公司的《建筑节能设计分析软件PBECA使用说明书》[7]所述,该软件以国家规范和各地方节能设计标准的为依据,提供菜单式选择方式定义幕墙构造,并可自动计算所选择幕墙构造的热工性能。对照查阅该软件生成的标准化“建筑节能计算报告书”后发现:软件中的“幕墙构造”及计算数据均出自其附带的“窗数据库”,而“窗数据库”中的数据又参照了国家规范和各地方标准。图1是其参照的规范之一:GB 50176-2016《民用建筑热工设计规范》附录C-5表的C.5.3-1、2典型玻璃配合不同窗框的整窗传热系数。

图1. 建筑节能设计软件参照GB 50176-2016

　　观察上述图表,可以得到以下信息:

　　1) 表中内容主要针对外窗和窗框,不包含幕墙和幕墙框;

　　2) 表中的隔热金属窗框只有两种:Kf = 5.0和5.8 W/(m2·K),且框面积只有20%一种;

　　3) 玻璃配置有限,没有其它玻璃和空腔厚度,没有暖边间隔条;

　　图2、图3是节能设计软件参照的规范之二:DGJ 08-107-2015上海市工程建设规范《公共建筑节能设计标准》附录C建筑外窗传热系数计算中的附表:

图2. 金属隔热型材传热系数(出自:DGJ 08-107-2015)

图3.隔热金属外窗传热系数(出自:DGJ 08-107-2015)

　　观察上述图表,可以得到以下信息:

　　4) 表中内容亦主要针对外窗和窗框,不包含幕墙;

　　5) 图2显示了四种规格隔热条所对应的窗框传热系数,图3显示了这四种窗框与不同玻璃组合后的整窗传热系数,并且考虑了暖边技术对整窗传热系数的贡献;

　　事实上,纵观国内常用建筑节能设计软件中“窗数据库”的参照标准,大都与以上的图1～图3相似。查看其标准化的“建筑节能计算报告书”(图4),由此可见,节能设计软件实际是将外窗的构造和性能视作与幕墙和天窗同等。

图4. 某公建项目的“建筑节能计算报告书”,将外窗的构造和性能视作与幕墙和天窗同等

　　随即引出研究问题:外窗与幕墙和天窗的热工性能有何差异和影响?

　　为了回答这一问题,本文采用了下列研究方法:

　　使用业内公认专业的热工有限元分析软件——美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发的THERM 7 / WINDOW 7 [8],分别对外窗和幕墙的典型框架(图5)和不同倾角的玻璃进行热工仿真及对比。边界及环境条件的设定方法参照JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》的冬季标准计算条件,即:

　　室内空气温度:20℃

　　室外空气温度:-20℃

　　室内对流换热系数:3.6 W/(m2·K)

　　室外对流换热系数:16 W/(m2·K)

　　太阳辐射照度:0 W/(m2·K)

图5. 典型窗框和幕墙框

　　3. 研究结果分析

　　3.1 窗框和幕墙框的热工性能

　　表1. THERM软件对窗框和幕墙框进行热工仿真的结果

　　表1的结果显示:窗框和幕墙框的热工性能差异巨大。以使用相同隔热条高度的窗框为参照,幕墙框的传热系数的偏差范围为(-45%)至355%,温度偏差范围为 -2.1℃至9.1℃。

　　如此大的偏差可能使建筑节能过度设计或不安全。典型的过度设计是:为了满足特定的整窗热工性能要求,经幕墙专业计算,本可以用单中空玻璃满足,但节能设计软件只支持双中空玻璃,结果使得建造成本高企;典型的不安全设计是:由于盲从节能设计软件中的“幕墙构造”,幕墙的真实热工性能无法满足设计要求,或因此而忽视了幕墙框的“热桥效应”,从而引发结露风险(图6)。

图6:北京某地标工程,由于忽略幕墙框的热桥效应,导致室内大面积结露

　　3.2.  不同倾角玻璃的热工性能

图7:WINDOW软件对于不同倾角玻璃的计算结果(左:竖直90度,右:水平0度)

　　表2:不同倾角玻璃的热工性能,传热系数单位:W/(m2·K)

　　表2的结果显示:不同倾角玻璃的传热系数差异很大。以竖直(与水平面夹角为90度)的玻璃为参照,水平玻璃传热系数的最大增幅为41%。这是由于中空玻璃水平放置时,空腔气体自重的部分或全部是与对流方向重合的,热对流效应会因此加剧,从而使得玻璃的传热系数大幅上升。

　　以使用双玻单中空的水平倾斜15º天窗为例,忽略倾角时,整窗传热系数约为2.5 W/(m2·K),考虑实际倾角时,整窗的传热系数约为3.0 W/(m2·K);若按照整窗传热系数2.5 W/(m2·K)的要求,并考虑实际倾角时,反推该倾斜玻璃的传热系数应不大于1.7 W/(m2·K),即必须使用三玻双中空玻璃。

　　3.3. 改进方案

　　分析上述问题的成因,一方面是由常用建筑节能设计软件在幕墙热工技术方面的局限造成的,另一方面也反映出工程设计管理的漏洞。综合国外在本领域的专业经验和国内部分优质工程的实践,本文提出以下改进方案:

　　1) 在建筑节能设计阶段,使用专业的热工有限元分析软件(如广东省建科院的粤建科MQMC,LBNL的THERM/WINDOW等),根据所设计的幕墙构造进行针对性的有限元建模计算,并修正“建筑节能计算报告书”中的“幕墙构造”要求,而非使用前述之经验数据。

　　2) 加强对建筑节能设计成果的审核,特别是对包含建筑和幕墙构造模型的文件进行全面审核。

　　3) 在建筑设计说明中,增加对建筑幕墙热工性能的检验要求,检验方法可参考GB/T 29043-2012 《建筑幕墙保温性能分级及检测方法》或同等标准。

　　4. 结论

　　本研究使用美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发的THERM 7 / WINDOW 7软件,分别对外窗和幕墙的典型框架和不同倾角的玻璃进行了热工仿真,结果显示幕墙框的传热系数的偏差范围为(-45%)至355%,温度偏差范围为 -2.1℃至9.1℃,玻璃传热系数的最大增幅为41%。通过量化分析,揭示了建筑节能设计软件中的幕墙热工性能失真问题和由此产生的不利影响,并提供了改进建议方案。

　　参考文献

　　[1]  陈红兵, 涂光备, 李德英. 玻璃幕墙对建筑能耗的影响[C]// 全国暖通空调制冷2004年学术年会资料摘要集(2). 2004.

　　[2]  李进. 北京居住建筑铝合金门窗节能解决方案[J]. 建筑玻璃与工业玻璃, 2021(9):6.

　　[3]  GB 50189-2015, 公共建筑节能设计标准[S].

　　[4]  章雅平. 建筑常用节能软件及其不足[J];科技信息.2011年18期

　　[5]  刘刚. 浅谈建筑节能设计审查[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2015, 000(025):5992-5993.

　　[6]  陆德伟, 熊大勇. PKPM节能设计软件应用之不足与节能设计发展思路[J].江苏建筑, 2008年增刊总123期19-21

　　[7]  建筑节能设计分析软件PBECA说明书[EB/OL]. (2017-04-17) [2022-02-18]. https://jz.docin.com/p-1896780144.html

　　[8]  马扬, 杨仕超, 杨华秋. 中外建筑门窗幕墙热工计算标准体系[C]// "十一五"全国建筑节能技术创新成果应用交流会暨2010年年会. 2010.

　　作者简介:周雨祯,1980年生,工学学士,美国NFRC认证热工建模师,美国LEED GA

　　联系邮箱:s.zhou@warmframe.com