建筑热工计算解析

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1、1 热工 热工是工程热力学与传热学的简称。其中工程热力学主要是研究热力学机械的效率和热力学工质参 与的能量转换在工程上的应用，如将热力学能转化成机械能推动动力机械做功以及其效率的学科， 再如，空调将机械能转化成热力学能等；而传热学是研究热量传递的一门学科，如反应堆的导热，对 流换热，辐射能的传递等。 热工主要应用于热能与动力工程，核能科学与工程,热加工工程等方面，还应用于非工程方面。我们 主要考虑热工在幕墙节能方面的应用，主要用到其中的传热学。 热工应用 2 传热学基本原理 1）导热 导热特点：从宏观的现象看，是因为物体直接接触，能量从高温部分传递到低温部分，中间没有明显 物质迁移。 导热基本

2、定律是由法国物理学家傅里叶于1822年通过实验经验的提炼、运用数学方法演绎得出 ，也称傅里叶定律：=-A 式中： 导热流量（W）,单位时间内通过某一给定面积的热量；A为与热流方向垂直的面积（m2）； 表示该截面沿热流方向的温度增量，简称温度梯度（K/m）； 是比例系数，称为导热系数或导热 率W/(m*k),它是物体的热物性参数。其值的大小反映了物体导热能力的强弱；公式右边的“-”号表 征热流方向与温度梯度方向相反。 1、三种热传递方式的特点和基本定律 热对流是由于流体的宏观运动使不同的流体相对位移而产生的热量传递现象。特点：只能发生在流 体中；必然伴随微观粒子热运动产生导热。对流换热是指流体与

3、固体表面之间的热量传递。热对流 换热的基本定律是英国科学家牛顿（Newton）于1701年提出的牛顿冷却定律： 流体被加热时， =h*A 流体被冷却时， =h*A 式中：为对流换热热量（W）；Tw和Tf 分别表示壁面温度和流体温度（ C 或K）； 2）热对流 3 A为固体壁面对流换热表面积（m2）；h为对流换热系数，也称表面传热系数W/(m2*K)。 H不是物性参数，其值反映了对流换热能力的大小，与换热过程中的许多因数有关。 热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度）而使物体向外发射辐射能 的现象。在热量传递方式上热辐射与热传导和热对流相比有许多固有的特点：热辐射无需物体

4、直接 接触，可以在无中间介质 的真空传递，并且真空度越高，热辐射传递效果越好。在传递过程中伴随 能量形式的转换，即发射时将热能转换为辐射能，而被吸收时又将辐射能转换为热能。 任何热力学温度大于零 的物体都不停向空间发射热辐射。 热辐射基本定律： 计算黑体表面单位时间内所发射的热辐射能量，可以按照斯特藩-波尔兹曼定律： = AT4 式中：为辐射热流量（W）；T为热力学温度（K）；A为辐射表面积（m2）; 为斯特藩-波尔兹曼常数， 也称黑体辐射常数，其值为5.67x10-8W/(m2K4)。 一切实际物体辐射能力都小于同温度下的黑体。实际物体辐射热流量的计算可采用 斯特藩-波尔兹曼定律的修正形式：

5、 =AT4 式中：称为该物体的辐射率，也称黑度。其值恒小于1，与物体种类及表面状态有关。 3）热辐射 4 幕墙热工专业术语 （1）传热系数K 两侧环境温度差为1K(）时，在单位时间内通过单位面积门窗或玻璃幕墙的热量。 (2)遮阳系数SC 在给定条件下，玻璃、门窗或玻璃幕墙的太阳光总投射比，与相同条件下相同面积的标准玻璃（3mm 厚透明玻璃）的太阳光总投射比的比值。 (3)可见光投射比 标准光源透过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内的可见光通量与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙上的可见 光通量的比值。 (4)太阳光总投射比 通过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分与透射到玻璃、门窗或玻璃幕墙构件

6、上 的太阳辐射照度的比值。成为室内得热量的太阳辐射部分包括太阳辐射通过辐射透射的得热量和太 阳辐射被构建吸收再传人室内的得热量两部分。 单幅幕墙计算时SC=g/0.87 5 （5）面板传热系数 指面板中部的传热系数，不考虑边缘的影响。 如玻璃传热系数，是指玻璃面板中部的传热系数 （6）线传热系数 表示门窗或幕墙玻璃边缘与框的组合传热效应所产生附加传热量的参数， 简称“线传热系数” （7）露点温度 在一定压力和水蒸气含量的条件下，空气达到饱和水蒸气状态时 （相对湿度等于100%）的温度 6 幕墙热工几何描述 （1）应根据框截面、镶嵌面板类型的不同将幕墙框节点进行分类，不同种类的框 截面节点均应计

7、算其传热系数及对应框和镶嵌面板接缝的线传热系数。 （2）在进行幕墙热工计算时应按下列规定进行面积划分 1框投影面积Af:指从室内、外两侧分别投影，得到的可视框投影面积中的较大值，简称“框 面积” 2玻璃投影面积Ag(或其它镶嵌板的投影面积Ap):指室内、外侧可见玻璃（或其他镶嵌板）边 缘围合面积较小值，简称“玻璃面积”（或“镶嵌板面积”） 3幕墙总投影面积At:指框面积Af与玻璃面积Ag(和其他面积Ap）之和，简称“幕墙面积”。 （3）幕墙玻璃（或其他镶嵌板）和框结合的线传热系数对应的边缘长度l.应为 框与面板的接缝长度，并应取室内、室外接缝长度的较大值 （4）幕墙计算的边界和单元的划分应根据

8、幕墙形式的不同而采用不同的方 式。 7 计算环境边界条件 冬季标准计算条件应为： 夏季标准计算条件应为： 8 遮阳系数、太阳光总投射比计算应采用夏季标准计算条件： 结露性能评价与计算标准计算条件为： 框的太阳光总投射比gf计算应采用下列边界条件： 9 对流换热 设计或评价门窗、玻璃幕请定型产品的热工性能时，室内表面的对流换热系数 应符合上面的边界条件。 10 在实际工程中，当内表面有较高速度气流时，室内对流应按强制对流 计算。门窗（或玻璃幕墙）内表面对流换热系数应按下式计算： 11 幕墙墙框传热计传热计算 （1）框的传热系数Uf应在计算窗或幕墙的某一框截面的二维热传导的基础上获得 （2）在框的

9、计算截面中，应用一块导热 系数 =0.03W/(mK)的板材替代实际 的 玻璃（或其他镶嵌板），板材的厚度等于所替代面板的厚度，嵌入框的深度按照实际 尺寸， 可见部分的板材宽度bp不应小于200mm 如图框传热系数计算模型示意图 （3）在室内外计算条件下，用二维热传导计算软件计算流过图示截面的热流qw，并应按 下式整理 12 式中 Uf 框的传热系数/(m2K)； Lf2D 框截面整体的线传热系数/(mK)； Up 板材的传热系数/(m2K)； bf框的投影宽度(m)； bp板材可见部分的宽度（m）； Tn,in室内环境温度（K）； Tn,out室外环境温度（K）。 （4）用实际的玻璃系统（或

10、其他镶嵌板）替代导热系数 =0.03 W/(mK)的板材， 其他尺寸不改变 框与面板接缝传热系数计 算模型示意图 （5）用二维热传导计算程序，计算在室内外标准条件下流过图示截面的热流q，q应 按下式整理 幕墙墙框传热计传热计算 13 式中 框与玻璃（或其他镶嵌板）接缝的线传 热系数W/(mK)； L2D框截面整体线传热系数W/(mK)； g玻璃的传热系数W/(m2K)； bg 玻璃可见部分的宽度（m）。 Tn,in室内环境温度（K）； Tn,out室外环境温度（K）。 幕墙墙框传热计传热计算 14 传热传热控制方程 框（包括固体材料、空腔和缝隙）的二维稳态热传导计算程序应采用如下基本方程： 1

11、窗框内部任意两种材料相接表面热流密度q应按下式计算： 2在窗框外表面，热流密度q应按下式计算： 采用二维稳态热传导方程求解框截面的温度和热流分布时，截面的 网格划分原则应符合下列规定： 15 固体材料的导热系数可选用规范JGJT 151-2008附录F的数值，也可直接采 用检测的结果。在求解二维稳态传热方程时，应假定所有材料导热系数均 不随温度变化。 固体材料的表面发射率数值应按照规范JGJT 151-2008附录G确定；若 表面发射率为固定值，也可直接采用规范JGJT 151-2008中表F.0.1中数值 。 当有热桥存在时，应按下列公式计算热桥部位（例如螺栓、螺钉等部位 ） 固体的当量导热

12、系数： 16 判断是否需要考虑热桥影响的原则应符合下列规定： 1 当Fb小于等于1%，忽略热桥影响： 2 上面的计 算公式计算 3 当Fb大于5%时，必须按上面的计算公式计 算 17 玻璃气体间层间层的传热传热 计算框与玻璃系统（或其他镶嵌板）接缝处的线传热系 按规范JGJT 151-2008第六章第6.3节条规定计算确定 封闭闭空腔的传热传热 计算框内封闭空腔的传热时，应将封闭空腔当作一种不透明的固体材料， 其当量导热系数应考虑空腔内的辐射和对流换热，应按下列公式计算： 18 热热流朝下的矩形封闭闭空腔（如下图图）的 努谢谢尔特数应为应为： 19 20 21 规范JGJT 151-2008第

13、.7.4.3 条定义及计算。 22 当框的空腔是垂直方向时，可假定其热流为水平方向且Lv/Lh大于等于5，应按 规范第7.4.4条第二款计算努谢尔特数： 23 对于形状不规则的封闭空腔，可将其转换为相当的矩形 24 转换转换后空腔的垂直和水平表面温度取该该表面的平均温度。 转换转换后空腔的热热流方向应应由空腔的垂直和水平表面之间间温差确定，并符合下列规规定 25 幕墙热工计算原理 （1）单幅幕墙的传热系数UCW应按下式计算： Ag 玻璃或透明面板面积（m2） 式中 UCW 单幅幕墙的传热系数W/(m2K) lg 玻璃或透明面板边缘长度（m） Ug 玻璃或透明面板传热系数W/(m2K) g 玻璃

14、或透明面板边缘的线传热系数W/(mK) Ap 非透明面板面积（m2） lp 非透明面板边缘长度（m） Up 非透明面板传热系数W/(m2K) p 非透明面板边缘的线传热系数W/(mK) Af框面积（m2） Uf框的传热系数W/(m2K) 26 幕墙热工计算实例： 某透明玻璃幕墙总面积S=5.4m2,玻璃面积Sa=4.63m2,框面积Sb=0.77m2; 玻璃的传热系数K1=1.80 W/m2.K,框的传热系数K2=3.0 W/m2.K 框的线传热系数p =0.1 W/(mK)，框长度Lg=8m,求该幕墙的传热系数。 根据单幅幕墙计算公式，此处计算指考虑透明部分，则该幅幕墙的传热系数： K=(S

15、axK1+SbxK2+ p xLg)/S =(4.63x1.8+0.77x3+0.1x8)/5.4 =2.12 W/m2.K 27 幕墙热工计算原理 （2）当幕墙背后有其他墙体（包括实体墙、装饰墙等），且幕墙与墙体之间为封闭空气层时，此 部分的室内环境到室外环境的传热系数U应按下式计算： 式中 UCW在墙体范围内外层幕墙的传热系数W/(m2K) Rair幕墙与墙体间封闭空气间层 的热阻，30、40、50mm及以上厚度封闭空气层的热阻取值一般可 分别取为0.17、0.18、0.18（m2K/ W） UWall墙体范围内的墙体传热系数W/(m2K) hin幕墙室内表面换热系数W/(m2K) hou

16、t幕墙室外表面换热系数W/(m2K) 28 幕墙热工计算原理 （3）幕墙背后单层墙体的传热系数UWall应按下式计算： 式中 d单层材料的厚度（m）； 单层材料的导热系数W/(mK)。 (某种材料的厚度除以其导热系数等于该层材料的热阻d/ ，热阻 的倒数等于其传热系数) 当有多层材料时，其传热系数等于各层材料的热阻之和的倒数 29 幕墙遮阳系数 （1）单幅幕墙的太阳光总投射比gcw应按下式计算 30 （2）单幅幕墙的遮阳系数SCcw应按下式计算 幕墙可见光投射比 幕墙单元的可见光投射比cw 应按下式计算 31 遮阳系数计算 规范JGJT 151-2008规定的遮阳系统计算仅适用于平行或近视平行于玻璃表面的 平板型遮