本文摘自暖框科技(Warmframe Technology)與美國(guó)門窗幕墻評(píng)級(jí)委員會(huì)(NFRC)聯(lián)合編譯的最新版《THERM 7 / WINDOW 7 — NFRC 熱工建模手冊(cè)》中文版
真空玻璃(VIG)
WINDOW可用于模擬真空腔,以實(shí)現(xiàn)真空玻璃(VIG)產(chǎn)品的建模。這是唯一一種能使用純空腔填充類型的空腔類型。
真空玻璃由兩塊玻璃構(gòu)成,玻璃之間的空腔被抽成真空狀態(tài),兩塊玻璃之間由陣列的支撐柱或其他系統(tǒng)隔開,并使玻璃片之間保持一定的空間。與普通中空玻璃使用的典型間隔條系統(tǒng)不同,這些真空玻璃產(chǎn)品使用的邊部密封系統(tǒng)包括但不限于各種材料,例如焊料玻璃、玻璃、陶瓷、金屬、塑料或密封劑。
8.21.1. 創(chuàng)建真空空腔
第一步應(yīng)該創(chuàng)建真空空腔。真空玻璃單元的空腔類型與中空玻璃的充氣空腔不同。
創(chuàng)建真空空腔的步驟是:
1. 點(diǎn)擊Gap Library(空腔氣體庫(kù)),創(chuàng)建一個(gè)新的空腔編號(hào)。
圖 8-231:Gap Library空腔氣體庫(kù)
2 打開這個(gè)新的空腔編號(hào),并選中Vacuum((真空)。
圖 8-232:Gap Library空腔氣體庫(kù),選中Vacuum(真空)
3. 選中Vacuum(真空)后,將出現(xiàn)一個(gè)新的頁(yè)面,需要用戶自定義一些參數(shù),包括根據(jù)真空玻璃產(chǎn)品廠商提供的信息,填入如名稱、壓力、支撐柱的定義(支撐柱名稱、半徑和間距)等數(shù)據(jù)。熱導(dǎo)率將根據(jù)用戶輸入自動(dòng)調(diào)整。分子量(28.970)和比熱比(1.4)作為默認(rèn)值不得更改。壓力只需輸入一個(gè)壓力單位,Pa、psi 或 Torr,WINDOW 將自動(dòng)轉(zhuǎn)換其它壓力值。
圖 8-233:Gap Library空腔氣體庫(kù),真空空腔的特性參數(shù)
4. 支撐柱的定義應(yīng)按照實(shí)際真空玻璃產(chǎn)品的參數(shù)定義。點(diǎn)擊 >> 打開支撐柱的定義菜單,編輯當(dāng)前信息或選擇新建添加新的支撐柱定義記錄,并更新名稱、半徑、間距和制造商。無論廠商的技術(shù)規(guī)格是怎樣的,支撐柱的類型只能設(shè)為圓型。不過,矩形支撐柱可以通過計(jì)算圓型的等效半徑的方法進(jìn)行設(shè)定。等效半徑使用以下公式計(jì)算公式:
其中 a 和 b 分別是矩形的兩邊(對(duì)于正方形 a=b)。請(qǐng)注意,當(dāng)矩形沒有明顯偏離正方形時(shí)(例如,縱橫比小于 2),這個(gè)近似值是有效的。計(jì)算時(shí),使用支撐柱中心到中心的間距,如支撐柱為交錯(cuò)布置,則使用最短距離。
圖a. 常規(guī)式點(diǎn)陣 圖b. 交錯(cuò)式點(diǎn)陣
5. 定義完真空空腔的壓力和支撐柱后,單擊 Save 和Ok。請(qǐng)注意,支撐柱的導(dǎo)熱系數(shù)不是輸入值,由于支撐柱的材料熱導(dǎo)率全都超過了玻璃,因此即便導(dǎo)熱系數(shù)不同,對(duì)閾值也沒有影響。隨著未來的發(fā)展和創(chuàng)新,WINDOW 軟件的后續(xù)版本將具有指定支撐柱熱導(dǎo)率的選項(xiàng)。新的支撐柱定義方法將提供下拉列表選擇,并基于保存的任何新支撐柱參數(shù)。然后,點(diǎn)擊 Save,將真空空腔的參數(shù)保存到Gap Library(空腔氣體庫(kù))。在下拉列表中選擇的支撐柱將作為在Glazing System Library(玻璃系統(tǒng)庫(kù))中構(gòu)建真空玻璃時(shí)使用的唯一支撐柱類型,如果存在多個(gè)真空空腔和支撐柱類型,則需要使用額外的空腔氣體記錄;如果有多個(gè)真空空腔,但空腔壓力和和支撐柱類型相同,則真空空腔可以根據(jù)需要多次重復(fù)使用。
圖 8-234:Gap Library空腔氣體庫(kù),空腔支撐柱定義
8.21.2. 創(chuàng)建真空玻璃單元
真空空腔創(chuàng)建完成后,就可以在玻璃系統(tǒng)庫(kù)中創(chuàng)建真空玻璃單元。
創(chuàng)建真空玻璃單元的步驟是:
1. 點(diǎn)擊Glazing System Library(玻璃系統(tǒng)庫(kù)),創(chuàng)建一個(gè)新的玻璃系統(tǒng)編號(hào)。
圖 8-235:Glazing System Library 玻璃系統(tǒng)庫(kù)
2. 打開新的玻璃系統(tǒng)編號(hào),更新名稱,然后選擇玻璃層和真空空腔生成真空玻璃單元。注意需要調(diào)整空腔寬度以匹配廠商的產(chǎn)品規(guī)格,計(jì)算并保存用于導(dǎo)入THERM的玻璃系統(tǒng)。
圖 8-236:創(chuàng)建真空玻璃單元
8.21.3. 將真空玻璃導(dǎo)入THERM
在THERM中導(dǎo)入真空玻璃單元(點(diǎn)擊 Glazing Systems 或 F6鍵),創(chuàng)建門窗產(chǎn)品的截面(立柱、頂、底橫梁等)。步驟是:
1. 正常設(shè)定所有玻璃系統(tǒng)參數(shù),Spacer Height(間隔條高度)應(yīng)與廠商實(shí)際產(chǎn)品的封邊高度一致。
圖 8-237:導(dǎo)入真空玻璃時(shí),注意Spacer Height的值
2. 根據(jù)廠商的技術(shù)規(guī)格,使用NFRC 101中批準(zhǔn)的材料,作為真空玻璃的封邊材料。
圖 8-238:導(dǎo)入真空玻璃時(shí),封邊材料的選擇
3. 導(dǎo)入真空玻璃后,進(jìn)行封邊材料的定義,然后定義邊界條件并照常計(jì)算。直到完成門窗產(chǎn)品所有截面的計(jì)算。
8.21.4. 模擬復(fù)合真空玻璃
1. 按照如上所述步驟創(chuàng)建真空玻璃單元后,可以再增加一層玻璃層,并進(jìn)行空腔氣體的設(shè)置,以模擬復(fù)合真空玻璃,如圖8-238所示。
圖 8-239:創(chuàng)建復(fù)合真空玻璃系統(tǒng)
2. 在 THERM 中,導(dǎo)入復(fù)合真空玻璃并在玻璃邊部添加恰當(dāng)?shù)拈g隔條系統(tǒng)。請(qǐng)注意:由于玻璃導(dǎo)入過程中,只能指定一個(gè)“Spacer Height”,而真空玻璃的封邊高度和復(fù)合真空玻璃的間隔條高度可能不同,因此為了適應(yīng)這一點(diǎn),需要在 Preferences(首選項(xiàng))中,選中 Allow editing IG polygons(允許編輯中空玻璃多邊形),以便后續(xù)建模過程中調(diào)整真空玻璃封邊或間隔條系統(tǒng)的高度。
圖 8-240:THERM中帶有典型復(fù)合真空玻璃系統(tǒng)的截面示例
3. 導(dǎo)入復(fù)合真空玻璃后,定義邊界條件并照常計(jì)算。直到完成門窗產(chǎn)品所有截面的計(jì)算。
8.22. 層間板系統(tǒng)
層間板系統(tǒng)是與標(biāo)準(zhǔn)門窗幕墻產(chǎn)品不同的產(chǎn)品,因?yàn)樗鼈儼煌该鞯慕ㄖ?這些元素可能與透明層結(jié)合或不結(jié)合。對(duì)于NFRC認(rèn)證的層間板系統(tǒng),要求該系統(tǒng)必須包含一個(gè)如NSI/NFRC 100中定義的玻璃構(gòu)件。
本節(jié)所示的整體產(chǎn)品性能計(jì)算是一個(gè)雙層玻璃墻系統(tǒng),室內(nèi)側(cè)有層間板。它不包含對(duì)組合單元(高于或低于可視區(qū)的層間部位)進(jìn)行評(píng)級(jí)的程序。
層間板系統(tǒng)的建模過程與典型的可視幕墻系統(tǒng)不完全相同。默認(rèn)情況下,WINDOW使用63.5mm作為玻璃邊緣U值的計(jì)算范圍。然而,在層間板系統(tǒng)建模時(shí),建模師需要在THERM中定義254mm作為層間板邊緣U值的計(jì)算范圍,并使用電子表格,通過面積加權(quán)來計(jì)算整體產(chǎn)品。面積加權(quán)電子表格可由建模師自建,但應(yīng)與 NFRC Spandrel Benchmark(NFRC層間板參照表)的結(jié)果進(jìn)行比較用于驗(yàn)證該電子表格。
請(qǐng)按照以下詳細(xì)步驟對(duì)層間板系統(tǒng)進(jìn)行建模計(jì)算。
8.22.1. 創(chuàng)建層間板系統(tǒng)的中心(COG)
首先需要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)不同的COG系統(tǒng):一個(gè)僅包含玻璃(無層間板構(gòu)件),另一個(gè)包含了玻璃和層間板構(gòu)件(層間板系統(tǒng))。這是必需的,因?yàn)椴Ａ訉⑹俏ㄒ粚?dǎo)入THERM的構(gòu)件,建模師將添加層間板構(gòu)件(金屬板、保溫材料和適當(dāng)?shù)目涨?作為與玻璃相鄰的多邊形圖塊,從WINDOW中計(jì)算得到層間板系統(tǒng)的COG值,并將其輸入面積加權(quán)電子表格。
步驟1:僅創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)
在Glazing System Library(玻璃系統(tǒng)庫(kù))中創(chuàng)建層間板系統(tǒng)的玻璃部分,不含室內(nèi)的層間板構(gòu)件(例如金屬板或保溫材料)。在此示例中,玻璃系統(tǒng)是雙層透明中空玻璃,帶6mm玻璃和13.97mm空氣層(0.5500 英寸)。參見圖8-241。
圖 8-241:僅創(chuàng)建中空玻璃
步驟2:創(chuàng)建玻璃系統(tǒng)和不透光的層間板構(gòu)件
在此步驟中,創(chuàng)建整體層間板系統(tǒng)(將步驟1的中空玻璃和不透明層間板構(gòu)件組合),計(jì)算得到層間板系統(tǒng)整體COG U值和SHGC,并用于面積加權(quán)電子表格。創(chuàng)建的該系統(tǒng)不會(huì)被導(dǎo)入到THERM中。如果層間板構(gòu)件在Glass Layer Library(玻璃層庫(kù))中不可用,那么它們將被要求由建模師自建。層間板構(gòu)件包括但不限于金屬板和保溫材料。
通過以下步驟,對(duì)“如何在WINDOW中創(chuàng)建不透明的層間板構(gòu)件作為玻璃層”進(jìn)行說明。
步驟2A) 在玻璃層庫(kù)中創(chuàng)建非玻璃的不透明層:單擊 New(新建),輸入材料名稱、厚度、熱導(dǎo)率、Rsol1、Rsol2、Rvis1、Rvis2 和發(fā)射率(兩個(gè)表面),所有其它光學(xué)值應(yīng)為零。
以下的材料層(保溫材料和金屬板)是常用的層間板構(gòu)件,可按以下參數(shù)輸入WINDOW的材料特性欄。無論創(chuàng)建的不透明材質(zhì)是何種類型,Solar Reflectance(太陽(yáng)反射率)和Visible Reflectance(可見反射率)應(yīng)始終輸入為0.5。
- 保溫材料
50.8mm厚玻璃棉(容重50-60kg/m3)
導(dǎo)熱系數(shù)0.033W/mK(出自NFRC 101附錄A)
對(duì)于默認(rèn)的特性,如”Solar(太陽(yáng)光)”,”Visible(可見光)”和”IR(紅外光)”,Rsol1, Rsol2, Rvis1, Rvis2的數(shù)值均輸入0.5。所有其它數(shù)據(jù)應(yīng)輸入為0。如果廠商對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試,可以填寫測(cè)試值,但建模計(jì)算報(bào)告應(yīng)包含這些值的聲明。
玻璃棉表面的發(fā)射率為0.9(兩面)
Diffusing(擴(kuò)散)不要勾選
- 鍍鋅鋼板
0.737mm厚鍍鋅鋼(未經(jīng)涂層處理的)
導(dǎo)熱系數(shù)52W/mK(出自NFRC 101附錄A)
對(duì)于默認(rèn)的光學(xué)特性,與上面的保溫材料相同。
未經(jīng)涂層處理的鍍鋅鋼的發(fā)射率為0.2,對(duì)于其它表面處理的金屬表面的發(fā)射率,詳見NFRC 101
圖 8-242:在Glass Library(玻璃庫(kù))中創(chuàng)建不透光材料
圖 8-243:在Glass Library(玻璃庫(kù))中創(chuàng)建不透光材料時(shí)輸入的材料特性
步驟2B) 創(chuàng)建一個(gè)特殊的空腔:在層間板系統(tǒng)中,不透光層之間通常是緊挨著的,但由于WINDOW不允許玻璃層“接觸”,因此需要在Gap Library(空腔氣體庫(kù))中創(chuàng)建一個(gè)導(dǎo)熱系數(shù)999 W/mK、厚度0.01mm的空腔。
選中“Air”(類型為Pure)并制作一個(gè)“副本”,打開新創(chuàng)建編號(hào)并將其重命名,以便用戶不會(huì)將其與常規(guī)的“Air”混淆。改變將“Conductivity導(dǎo)熱系數(shù)”下單元格“A”中的值設(shè)置為999(公制單位)。所有其它值保持不變,保存并退出。見下圖復(fù)制ID#1到ID#5以獲取新空腔的導(dǎo)熱系數(shù)。
圖 8-244:創(chuàng)建導(dǎo)熱的空腔選項(xiàng)
圖 8-245:創(chuàng)建導(dǎo)熱的空腔選項(xiàng),導(dǎo)熱系數(shù)999W/mK
步驟 2C) 在Glazing System Library(玻璃系統(tǒng)庫(kù))中創(chuàng)建層間板系統(tǒng)COG:在下圖中,包含了步驟1的創(chuàng)建中空玻璃,然后是步驟2A和2B的創(chuàng)建不透光層。
注意:以下操作細(xì)節(jié)僅針對(duì)于本練習(xí),實(shí)際中可能需要用到或多或少的層來創(chuàng)建其它層間板系統(tǒng)。
a. Glass 1、Gap 1、Glass 2 是來自步驟1的中空玻璃。
b. Gap 2 是中空玻璃和第一層間板之間的空腔
c. Glass 3 是層間板的外側(cè)鋼板
d. Gap 3 是在步驟2B中創(chuàng)建的人工空腔,用戶應(yīng)輸入0.01mm作為該空腔的厚度
e. Glass 4 是層間板的保溫材料
f. Gap 4 是在步驟2B中創(chuàng)建的人工空腔,用戶應(yīng)輸入0.01mm作為該空腔的厚度
g. Glass 5 是層間板的內(nèi)側(cè)鋼板
h. 點(diǎn)擊 Calc (F9) 之后可以看到錯(cuò)誤提示“Layer,#3,#4,#5 do not have spectral data”后計(jì)算成功。這是正常的,因?yàn)檫@些不透光層由用戶自建,不具有IGDB官方的光學(xué)特性。
圖 8-246:創(chuàng)建玻璃和不透光的層間板構(gòu)件,作為新的玻璃系統(tǒng)
說明:人工空腔在圖中可能顯示為0.0,可以通過點(diǎn)擊確認(rèn)該空腔的厚度,可以看到實(shí)際為0.01mm
步驟 3:在面積加權(quán)電子表格中輸入層間板系統(tǒng)COG的U值和SHGC,這兩個(gè)值應(yīng)該來自WINDOW。THERM模型中的值是不可接受的。
8.22.2. 用THERM模擬層間板系統(tǒng)
創(chuàng)建包含層間板系統(tǒng)的框架截面時(shí),層間板系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵照標(biāo)準(zhǔn)的建模步驟,并注意以下事項(xiàng):
A. 在THERM截面模型中,僅插入中空(或單片)玻璃。
B. 所插入的玻璃系統(tǒng)必須將”Edge of Glass Dimension(玻璃邊部尺寸)”設(shè)為254mm,”Glazing system height(玻璃系統(tǒng)高度)”設(shè)為406mm。注意:當(dāng)輸入上述數(shù)值后,這些數(shù)值會(huì)成為今后其它門窗幕墻系統(tǒng)的默認(rèn)值,因此,在模擬其它非層間板系統(tǒng)的項(xiàng)目時(shí),不要忘記將上述數(shù)值相應(yīng)地改回63.5mm和150mm。
C. 建模師需要對(duì)所有室內(nèi)表面進(jìn)行邊界條件的設(shè)定,包括框架和層間板系統(tǒng)。THERM不會(huì)自動(dòng)分配這些構(gòu)件的邊界條件。
用THERM建模的步驟:
1. 從WINDOW插入玻璃系統(tǒng)(僅玻璃,不包含層間板),如圖8-247,“Insert Glazing System(插入玻璃系統(tǒng))”對(duì)話框中提示了應(yīng)當(dāng)輸入的數(shù)值。特別注意:必須將”Edge of Glass Dimension(玻璃邊部尺寸)”設(shè)為254mm,”Glazing system height(玻璃系統(tǒng)高度)”設(shè)為406mm。
圖 8-247:僅插入玻璃系統(tǒng)
2. 非透光層間板材料的圖塊及其特性必須與WINDOW軟件中的一致。為此,建模師可能需要在THERM的材料庫(kù)中新建材料,但要注意:任何新建材料的導(dǎo)熱系數(shù)和發(fā)射率必須符合NFRC 101標(biāo)準(zhǔn)。
在某些情況下,當(dāng)在WINDOW中創(chuàng)建保溫材料和/或金屬板時(shí),它們相對(duì)的表面可能有不同的發(fā)射率,對(duì)于這種情況,請(qǐng)參見步驟7。
3. 開始繪制代表層間板系統(tǒng)的多邊形(如金屬板、保溫材料等)。從均質(zhì)截面的起始點(diǎn)往上406mm,繪制出代表層間板系統(tǒng)的多邊形。均質(zhì)截面是指沿著截面高度,沒有發(fā)生任何材料變化,包括框架、間隔條和玻璃膠條等。
舉例說明如下圖,視線應(yīng)當(dāng)從均質(zhì)截面開始的點(diǎn)算起。
圖 8-248:Sightline(視線)示例
4. 如果在步驟2中發(fā)現(xiàn)玻璃系統(tǒng)低于層間板系統(tǒng)的多邊形,應(yīng)當(dāng)重新插入玻璃系統(tǒng),而不是延伸玻璃及其空腔,因?yàn)槟菢涌赡軐?dǎo)致玻璃頂部的邊界條件出現(xiàn)問題。
5. 當(dāng)玻璃系統(tǒng)和層間板系統(tǒng)都按照正確的高度建模后,此時(shí)需在254mm高度上插入一個(gè)點(diǎn),作為設(shè)置層間板系統(tǒng)“Edge邊部”標(biāo)簽的參照點(diǎn)。另外,不要忘記在室外對(duì)應(yīng)的部位也插入一個(gè)點(diǎn),作為“SHGC Exterior”標(biāo)簽的參照點(diǎn)。
圖 8-249:示例手動(dòng)定義Sightline(視線)
6. 按照本手冊(cè)的表6-4或ANSI/NFRC 100的表4-2,進(jìn)行室內(nèi)邊界條件的設(shè)置。由于室內(nèi)的非透光層間板材料的多邊形是用THERM創(chuàng)建的(而不是從WINDOW導(dǎo)入的),建模師必須根據(jù)幕墻或窗墻系統(tǒng)的截面手動(dòng)設(shè)置這部分的邊界條件。
7. 有時(shí),一個(gè)單一的多邊形可能有不同的表面發(fā)射率。例如,玻璃棉的一邊帶有鋁箔(發(fā)射率0.05),另一邊則沒有(發(fā)射率0.9),這時(shí)需要建模師手動(dòng)改變?cè)摱噙呅蔚谋砻姘l(fā)射率。
如圖8-250所示,保溫材料的外側(cè)(朝著玻璃系統(tǒng)的方向)帶有一個(gè)低發(fā)射率的鋁箔。由于THERM會(huì)自動(dòng)將該材料的發(fā)射率分配到該材料表面,而系統(tǒng)默認(rèn)的發(fā)射率是不帶鋁箔的,因此建模師需要手動(dòng)分配帶鋁箔的表面發(fā)射率,具體操作如下:
1) 雙擊框架空腔表面(紅色邊界線)。如果看不到紅線,則是因?yàn)槟Ｐ臀赐瓿?需要先對(duì)截面的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。
2) 雙擊后出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框,讓建模師手動(dòng)改變發(fā)射率。這一步驟與修改封閉空腔的表面發(fā)射率很像,具體見本章8.2.2(圖8-2)和8.3.1.2節(jié)關(guān)于模擬矩形窗格(圖8-15)的相關(guān)內(nèi)容。
3) 確認(rèn)修改后,點(diǎn)擊OK完成。應(yīng)當(dāng)注意:當(dāng)截面發(fā)生改變,需要重新生成邊界,并選擇如對(duì)話框的中間項(xiàng)(圖8-250)時(shí),所有表面發(fā)射率將回到THERM材料庫(kù)中的初始值,這時(shí)需要按照上述步驟重新手動(dòng)設(shè)置表面發(fā)射率。
圖 8-250:為修改后的THERM模型重新生成恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件
圖 8-251:層間板系統(tǒng)建模的邊界條件
8. 重復(fù)步驟1-7,直至完成所有帶層間板系統(tǒng)的截面。圖8-251顯示了一個(gè)窗墻系統(tǒng)的底橫梁模型,這是一個(gè)非對(duì)稱截面。對(duì)稱截面(1/2的整個(gè)寬度),如幕墻、窗墻或斜幕墻的的中立柱應(yīng)當(dāng)按照8.9.1章節(jié)的內(nèi)容進(jìn)行建模。
9. 當(dāng)所有截面的建模都完成后,將從THERM獲得的Uframe和Uedge結(jié)果,連同從WINDOW獲得的Ucog結(jié)果,一起輸入用于計(jì)算整體產(chǎn)品U值的面積加權(quán)電子表格中。對(duì)于整體產(chǎn)品的SHGC,需要計(jì)算各個(gè)構(gòu)件的SHGC值及其面積,包括框架的SHGCf和層間板系統(tǒng)的SHGCc。邊部和COG的值都按8.22.1章節(jié)的步驟2C進(jìn)行計(jì)算(從WINDOW中獲得)�？蚣艿腟HGCf,應(yīng)當(dāng)按照如下公式計(jì)算:
其中,
Uf 代表從THERM獲得的框架U值 (W/m2K)
af 代表框架的吸收系數(shù),取0.5
Asurf 代表框架的室外濕表面積 (m2)
Af 代表框架的正投影表面積 (m2)
hout 取 20.6 W/m2K
建模師需要使用面積加權(quán)電子表格計(jì)算整體產(chǎn)品的U值和SHGC(注:VT為0.00)。WINDOW軟件不能用來計(jì)算整體產(chǎn)品,這是因?yàn)樵赪INDOW中,Edge邊部會(huì)自動(dòng)按照63.5mm計(jì)算,而對(duì)于層間板系統(tǒng),Edge邊部應(yīng)當(dāng)按照254mm計(jì)算。
