明框幕墙节点热工计算分析

明框幕墙节点热工计算分析

吉洪波

深圳市前海开发投资控股有限公司广东省深圳市邮编：518054

摘要：玻璃幕墙技术的应用为现代建筑带来了革命性的立面效果，它新颖耐久、节能环保、美观时尚、装饰感强。本文仅针对明框玻璃幕墙框的节点热工计算进行探讨，通过不同的手段模拟手段对幕墙框节点构造的计权传热系数进行对比分析。

关键词：明框幕墙；节点热工；分析计算

绪论

随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，以及建筑师设计理念“人性之于建筑”的提升，建筑物越来越向高层、高档、多功能方向发展。因此建筑幕墙产品也必然向高新技术和多功能的方向发展，才能适应人们日渐增强的环保节能意识，满足市场对建筑幕墙功能的需求。今天，幕墙不仅广泛用于各种建筑物的外墙，还应用于各种功能的建筑内墙，如通信机房、电视演播室、航空港（机场）、大车站、体育馆、博物馆、文化中心、大酒店、大型商场等。由于玻璃制造产业近十几年来革命性的发展，幕墙在节约能源方面的优异表现令全行业为之侧目。

玻璃传热系数仅代表玻璃本身的隔热性能，不能代表整体幕墙体系的隔热效果，幕墙整体隔热性能因铝型材框料的热量传导导致折减，同时由于开启扇周边区域无法完全密闭而存在空气渗透热损失。因此，玻璃的传热系数决定隔热效果的大致范围，而综合考虑的型材传热和空气渗透后的综合传热系数才是作为节能参考依据的设计参数。玻璃幕墙的热桥部位往往出现在横梁、立柱的连接部位，幕墙与主体结构连接部位等。热桥的直观现象是易引起结露，冬天由于室外气温低而传导到室内时，铝型材或玻璃的局部温度低于室内露点温度，则在窗框周边会产生结露现象。如果大面积的热桥问题处理不当则会增大幕墙的实际传热系数，使得通过幕墙的热损耗大大增加。故本文仅针对明框幕墙的三维节点进行传热计算。

一.传热数值计算方法

1.1传统二维传热计算

THERM软件是由美国LBNL实验室开发的一款使用有限单元法计算门窗框和玻璃边缘稳态传热的软件，计算所用的公式和方法基于ISO15099和ISO10077，通过对幕墙横框或者竖框的截面二维传热数值计算，可以算出在本截面上玻璃、铝型材等主要构件的内部温度分布情况，并且通过软件算法得出相对传热系数。

但是幕墙单元并非是简单的由单一横框或者竖框组成，THERM无法计算幕墙框交叉区域的传热情况，故其计算的结论无法精准的反应实际情况。

1.2三维传热数值计算

THERM软件对二维传热幕墙节点的计算已经非常方便，计算效果也非常令人满意，计算实际幕墙结构横挺和竖挺交界处的传热就需要建立三维节点模型。三维幕墙节点数值计算能实现所有截面的二维计算，并且充分考虑到玻璃和铝合金框之间的传热，能够精准的计算出热流量，通过热力学知识可以直接计算出整个幕墙单元的传热系数。

二.三维传热数值计算方法及模型

2.1计算方法

计算流体力学（简称CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场(速度场及温度场)的数值解，从而达到对物理问题的目的。它兼有理论和实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动与传热问题提供了有效的计算技术。

图2-1明框幕墙节点三维模型图

2.2控制方程

固体传热要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分（组元）的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。

2.3计算模型

用FLUENT前处理器GAMBIT建立计算模型，然后对模型划分网格。运用结构性网格，设置边界条件和物理条件以及相关参数。

依据幕墙设计大样图，由于幕墙节点几乎是对称模型，经过简化，将明框幕墙横挺和竖挺各自拉抻成模型，如图2-1

2-2经过2次对称的计算模型

将上述模型经过分别进行一次Z轴对称，Y轴对称后得到明框幕墙节点三维图，见图2-2

2.4设置物性参数及边界条件

物性参数：

中空玻璃传热系数为：1.8W/(m2?℃)；

铝框传热系数为：160W/(m2?℃)；

EPDM及泡沫棒传热系数为：0.25W/(m2?℃)；

铝框内部空气的传热系数为：0.023W/(m2?℃)；

边界条件：

铝型材室内侧与空气的对流换热系数h1为8W/(m2?℃)；

玻璃室内侧与空气的对流换热系数h1a为3.6W/(m2?℃)；

铝型材室外侧与空气的对流换热系数h2为23W/(m2?℃)；

玻璃室内侧与空气的对流换热系数h2a为13.6W/(m2?℃)；

室内空气温度为20℃，室外空气温度为-20℃；

模型周边面采用对称边界。

2.5选择求解方程

在选择方程求解时要考虑到求解方程与实际模型的匹配性。能量方程是选择的基本方程，在这里选用k-epsilon模型中的RealizableModel。这里所用的壁面处理方式为EnhancedWallTreatment且在EnhancedWallTreatmentOptions中选择ThermalEffects。此外，模型选用SIMPLE的压力和速度耦合，二阶迎风格式的信息传递方式，将能量计算结果的迭代精度设定为。初始化并迭代5~10次，检查能量变化是增加还是减小，若增大，则减小欠松弛因子的值；反之，增大欠松弛因子的值，迭代直到收敛，保存计算结果。

三.明框幕墙三维传热数值计算

通过使用Fluent软件对三维模型进行传热计算，得到下列结果：

图3-6X=0.32M截面上的温度分布

四.幕墙单元传热系数计算

4.1三维传热系数计权计算：

由于明框幕墙现实的工况是一个稳态过程，热量通过对流换热由室内空气传输到玻璃内侧表面，通过玻璃的热传导到玻璃的外表面，再通过与室外空气的对流换热将热量散发到外界环境，通过串联着的每个环节的热流量Ф应该是相同的。

通过FLUENT后处理器，得出该模型传热达到稳态后，室内侧通过整个幕墙单元玻璃和窗框整体的热流量Ф=56.78w，总传热面积A=0.2576m2，铝框的换热面积为A1=0.0486m2，玻璃换热面积为A2=0.2092m2。

根据《传热学(第4版)》①关于综合计权传热系数的计算：

依据本次数值计算的边界条件及结果可得出：

δ=0.026m；

A=0.2576m2；

Ф=56.78W；

h1=8W/(m2?℃)；

h2=23W/(m2?℃)；

tf1=20℃；

tf2=-20℃；

代入上式可得：

λ=0.026/(0.2576*（20-（-20））/56.78-1/8-1/23)

=0.026/0.0129

=2.01W/(m2?℃)

故本片幕墙单元的综合计算传热系数U=2.01W/(m2?℃)。

4.2传统的二维传热计算

在使用THERM软件计算框的传热系数时，按照《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008②的规定，可以使用THERM7.2软件进行二维有限单元法数值计算，得到框的传热系数。计算传热系数的数值时取内表面换热系数hin=8.0W/(m2?℃)和外表面换热系数hout=23W/(m2?℃)，中空玻璃整体的传热系数为1.8W/(m2?℃)，边界条件与三维计算条件一样。

幕墙二维传热计算如下图：

计算得出：框体的传热系数为3.3W/(m2?℃)。实际结构中需要考虑金属框及周边洞口的影响，并进行加权计算。

按JGJ/T151-2008规定：

对于单幅幕墙结构：

UCW=(ΣAg·Ug+ΣAp·Up+ΣAf·Uf+Σlg·ψg+Σlp·ψp)/(Ag+Ap+Af)

在上面的公式中：

UCW：单幅幕墙的传热系数；Ag：玻璃或透明面板面积；

lg：玻璃或透明面板边缘长度；Ug：玻璃或透明面板的传热系数；

ψg：玻璃或透明面板的线传热系数；Ap：非透明面板面积；

lp：非透明面板边缘长度；Up：非透明面板的传热系数；

ψp：非透明面板的线传热系数；Af：框面积；

Uf：框的传热系数；

本计算项目是幕墙系统：

U冬季=UCW=(ΣAg·Ug+ΣAp·Up+ΣAf·Uf+Σlg·ψg+Σlp·ψp)/(Ag+Ap+Af)

=(0.2092*1.8+0.036*3.3+1.032*0)/0.2576

=1.92W/(m2?℃)

通过上表，FLUENT计算三维传热与THERM计算二维传热数值还是略显差异，通过对比可以发现：

三维计算玻璃外表面温度比二维计算结果要低3℃，玻璃内侧温度低4℃；

三维计算铝框外表面温度比二维计算结果低3.1℃，铝框内表面温度低2.2℃；

三维模型的计权传热系数比二维计权传热系数高0.09W/(m2?℃)，二维传热系数计算误差约5%。

结果显示由于三维传热计算考虑了横竖框交接处的传热效应，二维传热计算方法偏理想化，实际三维传热系数数值要比二维传热系数数值大，故在节能要求严格的地区，应谨慎考虑二维传热计算误差，综合传热系数应与节能标准要求值留有10%左右的误差空间，确保实际效果达到节能要求。

参考文献

[1]“装配式建筑中门窗幕墙发展新思路”大型技术交流会在福州召开[J].阮慧超.??就业与保障.?2017(08)

[2]上市公司如何转型——门窗幕墙篇(三)[J].晓莺.??中国建筑金属结构.?2017(09)

[3]对建筑门窗幕墙施工管理的探讨[J].张胜泽.??建筑知识.?2016(14)

[4]第二届建筑门窗幕墙行业“金轩奖”正式启动[J].??中国建筑金属结构.?2016(07)