双层动态幕墙热阻计算

　　一、序言
　　建筑节能与环保是目前人类面临的重大课题。建筑幕墙作为建筑的外围护结构，其热工性能直接影响到建筑能耗。普通玻璃幕墙虽然在热工性能方面比过去的门窗有较大改善，但是仍然存在能耗较大的问题。随着国民经济的发展，双层动态节能幕墙以其科学的结构、完善的功能和环保节能的设计理念受到人们的青睐，具有极大的市场前景。然而，面对这样的市场需求，国家相关规范和标准相对滞后，尤其是国家现行标准《民用建筑热工设计规范》中对厚度在60mm以上的空气层热阻值没有准确的规定和计算方法，给设计带来不便，使设计师无法准确定量描述双层动态幕墙热工性能指标，在一定程度上影响了这种节能产品的推广使用。针对这种情况，本文重点研究了密闭空气层热阻的计算方法，解决了双层动态幕墙冬季热阻计算的准确性问题，从而起到指导设计的作用，让人们更方便的了解双层动态幕墙在环保节能方面的优势，达到推动这种环保节能型产品快速应用的目的。

　　二、双层动态节能幕墙幕墙结构及功能
　　2.1系统分类及构成
　　双层动态节能幕墙按通风原理可分为自然通风系统和强制通风系统两大体系。按通风路径可分为整面式、廊道式、通道式和箱体式四种结构。从节能环保角度来说，自然通风系统更具发展前景。

　　双层动态节能幕墙构造由外层幕墙、内层幕墙、遮阳装置、进风装置、出风装置组成，内外层幕墙之间形成空气缓冲区。

　　2.2双层动态节能幕墙主要功能
　　双层动态节能幕墙主要功能可概括为防尘通风功能、保温隔热功能、合理采光功能、隔声降噪功能。

　　三、双层动态幕墙热阻计算
　　双层动态节能幕墙空气缓冲区的厚度范围可在60mm～1500mm以上，常见厚度尺寸为200～600mm，为此对这种以空气热压原理和烟囱效应为工作原理的双层幕墙的空气层热阻值应予以正确的考虑，否则就不能真实的反映双层动态幕墙的热工特性。目前，国家现行标准《民用建筑热工设计规范》GB50176-93上附表2.4—空气间层热阻值表中，对厚度在60mm以上的密闭空气层冬季热阻值统一规定为0.18 m2·K/W。大量实验测试结果证明，这种给值不够准确。密闭空气间层的热阻值在不同的条件下，与空气层厚度δ有密切关系，可以通过热力学理论和流体力学理论模拟计算，并用实验数据确定调整系数，从而推导出不同厚度的空气层热阻值计算公式，方便使用。

　　双层动态节能幕墙的热阻具有特殊性，它可随进、出风口的开关状态不同而有明显变化，实现冬季保温和夏季隔热双重功能。这也是双层动态幕墙与传统幕墙的根本区别之一。

　　3.1双层动态节能幕墙热阻计算模型建立
　　3.1.1模型建立
　　节点图　温度－热阻曲线BR>3.1.2主参数及材料选择
　　外层幕墙玻璃采用12mm浮法钢化玻璃，内层幕墙采用6+12A+6浮法中空玻璃，钢化处理，铝质遮阳百叶。假定缓冲区厚度500mm。

　　3.2热阻计算
　　3.2.1单一材料层的热阻应按下式计算：

　　R=δ/λ0 （3.1）
　　式中：R——材料层的热阻，m2·K/W；

　　δ——材料层的厚度，m；

　　λ0——材料的计算导热系统，W/（m·K）。

　　3.2.2密闭空气层传热计算
　　传热有三种方式：导热、对流、辐射。密闭空气层传热过程是由一个热表面向另一个表面以对流和辐射方式进行的，是一个复杂的综合传热过程，所以，不能直接用计算其它材料导热阻的方法来计算。在正常情况下，空气层从一个壁面向另一壁面的热流量应按下式计算：

　　q＝qd+qf （3.2）
　　式中：q——热流量
　　qd——对流分量，含对流放热和导热
　　qf——辐射分量
　　3.2.2.1对流分量qd计算：

　　qd=αd·△t=αd（t1-t2） （3.3）
　　式中：αd——对流放热系数
　　t　1——空气层热壁温度
　　t2——空气层冷壁温度
　　△t——t1-t2
　　实验证明，当密闭空气层中流态保持层流方式的临界厚度δj：

　　δj=20·（△t）1/3 （3.4）
　　① 当空气层厚度δ＜δj时，空气层对流放热系数应按下式计算：

　　αd=λ/δ （3.5）
　　式中：αd——对流放热系数
　　λ——空气计算导热系数
　　δ——实际空气层厚度
　　结论：当空气层δ＜δj时，密闭空气层传热以导热方式为主。

　　② 当空气层厚度δ＞δj时，空气层对流放热系数应按下式计算：

　　αd=2.8 ·（△t/δ）1/4 （3.6）
　　式中：αd——对流放热系数
　　△t——空气层两表面温度差
　　δ——实际空气层厚度
　　3.2.2.2密封闭空气层中通过空气层传热的辐射分量应按下式计算：

　　qf=αf·△t=αf（t1-t2） （3.7）
　　式中：qf——辐射分量
　　αf——辐射放热系数
　　t1、t2——空气层两壁面温度
　　αf=ξzC0·b·φ （3.8）
　　式中：ξz——折算辐射系数
　　C0——绝对黑体的辐射系数（C0=5.77W/ m2·K 4）
　　b——温度系数
　　φ——辐射角度系数φ=1.0
　　温度系数与空气层表面温度关系曲线
　　结论：辐射与空气层厚度δ无关，与空气层温度及空气层两界面的材料有关。

　　3.2.2.3当空气层厚度δ＞δj时，空气层传热系数计算公式
　　q＝qd+qf （3.2）
　　= αd△t+ αf△t=（αd+αf）△t
　　令：αk= αd+αf （3.9）
　　αk——空气层传热系数，
　　△t——空气层两界面温差。

　　所以 空气层传热量公式（3.2）可写成下式：

　　q＝αk△t （3.10）
　　把公式（3.6）、（3.8）代入公式（3.9）中得
　　αk= αd+αf
　　=2.8·（△t/δ）1/4+ ξzC0·b·φ
　　=2.8·（△t/δ）1/4+3.8 W/m2·K
　　3.2.3密闭空气层热阻计算
　　通过上述计算，可得空气层热阻计算公式：

　　Rk=ζ·1/αk
　　式中：Rk—密封闭空气层热阻值，m2·K/W
　　αk——空气层传热系数
　　ζ——温差调整系数
　　温差调整系数ζ
　　△t(℃) 12 10 8 7 6 5 4 2
　　ζ 0.9 1 1.05 1.08 1.10 12 1.25 1.4
　　3.2.4围护结构总热阻应按下式计算
　　R＝Ri＋ΣRx＋Ro
　　式中：R——围护结构总热阻，m2·K/W；

　　Ri——内表面换热阻，m2·K/W；按表1.2采用；

　　Ro——外表面换热阻，m2·K/W；按表1.3采用；

　　Rx——围护结构热阻，m2·K/W；


　　内表面换热系数αi及内表面换热阻Ri值
　　表 面 特 性 αi[W/ (m2·K)] RI(m2·K/W)
　　墙、地面；表面平整的顶棚、屋盖或楼板以及带肋的顶栅h/s≤0.3 8.72 0.11
　　有井形突出物的顶棚、屋盖或楼板h/s＞0.3 7.56 0.13
　　注：表中h为肋高，s为肋间净距。

　　外表面换热系数αo及外表面换热阻Ro值
　　外表面状况 αo[W/ (m2·K)] Ro(m2·K/W)
　　与室外空气直接接触的表面 23.26 0.04
　　不与室外空气直接接触的表面；阁楼楼板上表面不采暖地下室顶棚下表面8.145.820.120.17
　　3.2.5围护结构总传热系数K
　　K=1/R =1/（R0+ΣR+Ri）

　　四、冬季节能情况分析
　　利用上面的计算方法，可以相对准确的求出双层动态节能幕墙的热阻和总传热系数。以3.1.2条中假定的参数为例进行计算，结论证明：在使用同种玻璃时，双层动态节能幕墙的总传热系数比普通幕墙的传热系数大约小30%。由此可见，单从传热角度讲，在同一地区，采用同种玻璃，双层幕墙比普通幕墙的热传量损失减少30%，也就是可节能约30%。为此，在有条件的地区和项目，大力推广双层幕墙是解决建筑节能行之有效的方法之一。