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1 概述
　　当前，建筑节能在世界上受到人们的极大关注，建筑节能已经成为不可阻挡的世界性大潮流，建筑节能工作已经成为我国可持续发展战略的重要组成部分。目前全国已形成健全的建筑节能设计和施工质量验收标准体系。无论居住还公共建筑节能设计标准均对外窗的传热系数、遮阳系数、可见透射比等性能提出了具体的要求。而为满足建筑节能对门窗、幕墙节能设计的要求，近两年我国先后颁布了《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》(JGJ/T 151-2008)（以下简称《热工计算规程》）、《铝合金门窗》（GB/T 8478-2008）等十余项门窗、幕墙节能设计相关标准，将使我国建筑门窗、幕墙行业的节能设计迈进一个新的阶段。
　　门窗、幕墙热工性能计算机模拟计算作为评价门窗、幕墙节能性能的主要手段，在欧美等国家已广泛应用并得到社会的认可。《热工计算规程》将为我国的门窗、幕墙热工性能模拟计算奠定理论基础，但该规程公式繁多且非常复杂，涉及玻璃系统光学热工计算、框二维传热有限元分析计算等，很难人工完成热工计算过程。目前国内主要使用国外的热工计算软件，由于技术体系不一致，且软件功能有局限性，无法完全满足《热工计算规程》的相关要求。为了加快《热工计算规程》的实施应用，提高建筑门窗幕墙行业的热工计算水平，作为《热工计算规程》的主编单位，广东省建筑科学研究院开发了建筑门窗幕墙热计算热工计算系列软件（以下简称“热工计算系列软件”），可进行玻璃系统光学热工性能计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能计算等等。
　　目前，广东省建筑科学研究院针对不同的使用群体，推出了该软件的免费版本（下载地址：http://www.gdjky.com/Ad/CWWFree/CWWFree.html）和专业版本。热工计算系列软件包括三个子软件：
　　（1）《建筑玻璃光学热工性能计算及光谱数据库管理软件》（Optics CC）；
　　（2）《幕墙、门窗框二维热传导有限元分析软件》（Therm CN）；
　　（3）《幕墙、门窗热工性能设计计算软件》（CWWTC）。
　　热工计算系列软件可为玻璃企业、门窗、幕墙企业、设计院及科研院等提供了一个全面、准确、简便的计算软件。

　　2 热工计算系列软件
　　2.1软件的设计原理和数学模型
　　本系列软件的主要依据《热工计算规程》进行设计，包括整樘窗热工性能计算、幕墙热工计算、玻璃光学热工性能计算、框的传热计算等。

　　2.1.1整樘窗热工性能计算
　　（1）整樘窗的传热系数计算：

　　（2）整樘窗的太阳光总透射比计算：

　　（3）整樘窗的遮阳系数应按下式计算：

　　（4）整樘窗的可见光透射比应按下式计算：

　　2.1.2幕墙热工性能计算

　　（1）幕墙的传热系数UCW

　　（2）幕墙的太阳光总透射比gCW

　　（3）幕墙的遮阳系数SC

　　（4）幕墙单元的可见光透射比τCW

　　2.1.3玻璃气体间层的热传递
　　根据《热工计算规程》，玻璃间气体间层的能量平衡采用如下基本关系式表达：

　　式中 Tf,i——第i层玻璃前表面温度（K）；
　　Tb,i-1——第i-1层玻璃后表面温度（K）；
　　Jf,i——第i层玻璃前表面辐射热（W/m2）；
　　Jb,i-1——第i-1层玻璃后表面辐射热（W/m2）。
　　在每一层气体间层中，应按下列公式计算：

2.1.4框传热计算及框线传系数计算
　　（1）框传热计算
　　根据《热工计算规程》要求，在框的计算截面中，应用一块导热系数 λ=0.03［W/(mK)］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。

　　式中 Uf ——框的传热系数[Ｗ/(m2K)]；
　　Lf2D ——框截面整体的线传热系数[Ｗ/(mK)]；
　　Up ——板材的传热系数[Ｗ/(m2K)]；
　　（2）框线传热系数计算
　　根据《热工计算规程》要求，用实际的玻璃系统（或其他镶嵌板）替代导热系数 λ=0.03 W/(mK)的板材，其他尺寸不改变；

　　式中 ψ——框与玻璃接缝的线传热系数［W/(mK)］；
　　Lψ2D——框截面整体线传热系数［W/(mK)］；
　　Ｕg——玻璃的传热系数［W/(m2K)］；
　
　　2.2软件功能
　　本系列软件可进行玻璃系统光学热工性能计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能计算等等，由Optics CC、Therm CN、CWWTC独立或联合计算完成。

　　2.2.1 Optics CC
　　Optics CC是以《中国玻璃数据库精确格式》、《热工计算规程》为基本数据格式编制而成,集玻璃光学热工性能计算和光谱数据库管理于一体的软件，本软件的主要功能为：
　　（1）兼容国际玻璃数据库和中国玻璃数据库格式；
　　（2）方便、快捷构造及管理玻璃系统；
　　（3）计算各款玻璃的光学参数和热工参数；
　　（4）显示玻璃系统的基本信息、光谱数据和光谱曲线；
　　（5）冬、夏季计算条件下各层玻璃表面温度分布显示；
　　（6）玻璃系统气体库构造和管理；

　　图4 冬、夏季玻璃表面温度分布

　　图5 Optics CC 操作主界面

2.2.2 Therm CN
　　《幕墙、门窗框二维热传导有限元分析软件》（Therm CN）为国内首款可满足《热工计算规程》要求的框二维传热有限元分析软件。Therm CN可进行门窗、幕墙框传热系数、线传热系数、太阳能总透射比、框结露计算等。本软件的主要功能包括：
　　（1）实现了将DXF文件导入功能，建模简单。
　　（2）框节点二维热传导有限元分析计算；
　　（3）数据库管理，可进行计算边界条件库、气体库、玻璃系统库等数据库的管理、添加、编辑等；
　　（4）不同材料区域的自动识别，单区域和多区域有限元网格自动划分以及智能化纠错机制；
　　（5）可输出窗框各坐标点温度，等温线，温度场，热流，传热系数等计算结果；

　　
　　图6 Therm CN 计算结果

　　
　　图7 Therm CN计算结果温度分布

　　2.2.3 CWWT
　　《幕墙、门窗热工性能设计计算软件》（CWWTC）为国内首款可以计算幕墙幅面的热工性能的软件，且可与Therm CN、Optics CC实现数据共享，自动输出工程报告等。CWWTC软件的主要功能：
　　（1）现实自由划分门窗、幕墙单元分格，可进行单元尺寸任意设计；
　　（2）可根据中国各城市的气候条件，进行实际工程设计；
　　（3）进行整窗热工性能计算；
　　（4）进行幕墙单元及幕墙幅面热工性能计算；
　　（5）非透明幕墙与玻璃幕墙的组合计算；
　　（6）自动输出详细的门窗、幕墙热工计算报告。

　　
　　图8 门窗计算界面

　　
　　图9 整幅幕墙计算界面

　　3 热工计算系列软件应用
　　3.1 热工计算系列软件计算流程
　　热工计算系列软件中Optics CC、CWWTC、Therm CN三个子软件联合操作过程如图11所示。主要的计算流程为：
　　（1）CWWTC作为总控软件，进行工程项目管理，根据工程所在地气候参数生成计算条件并与Therm CN、Optics CC共享作为框计算和玻璃系统计算的边界条件参数；
　　（2）自动获得计算边界条件后，Optics CC软件根据玻璃光谱数据计算玻璃系统数据文件，并将结果反馈给CWWTC软件及Therm CN软件；Therm CN软件计算各框节点的二维热传热计算结果，并将结果反馈给CWWTC软件；
　　（3）CWWTC软件汇总框的计算结果、玻璃系统计算结果，并划分和组合计算门窗或幕墙的传热系统、遮阳系数、可见光透射比等性能参数，自动输出详细的门窗或幕墙热工计算报告。

　　　图10 热工计算系列软件操作过程

　　3.2 热工计算系列软件应用
　　采用该热工计算系列软件对某系列隔热铝合金型材节能窗案例进行热工计算，窗立面分格尺寸（宽3000×高2800mm）见图16，该窗采用Low-E中空玻璃。
　　软件根据《热工计算规程》要求进行产品设计，采用表1的计算条件条件，门窗边框的室外对流换热系数hc,out取8 W/(m2.K)，边框附近玻璃边缘（65mm内）的室外对流换热系数hc,out取12 W/(m2.K)。

　　表1 产品设计计算边界条件

　　根据玻璃光谱数据，采用Optics CC进行玻璃光学热工计算，其结果如表2所示，玻璃系统结构及计算结果、玻璃系统光谱曲线分别如图11、图12所示。

　　表2 玻璃系统光学热工性能

　　图11 玻璃系统结构及计算结果

　　图12 玻璃系统光谱曲线

　　根据CWWTC软件所生成的计算边界条件及Optics CC软件生成的玻璃系统数据，利用Therm CN进行框节点的二维传热有限元分析计算，计算的结果如表3所示。
　　

　　表3 框节点传热计算结果

　　
　　图13 左框传热计算

　　
　　图14 右框传热计算

　　
　　图15 中坚框传热计算

　　根据Optics CC软件生成的玻璃系统数据，Therm CN计算框节点传热计算及产品设计边界条件，采用CWWTC进行整窗热工性能计算。整樘窗热工性能计算结果如表4所示。

　　
　　图16 整樘窗计算模型

　　表4 断热节能窗整樘窗热工性能计算结果

4 结论
　　本系列软件严格按照软件工程的程序和要求，经过需求分析、系统设计、数据库设计和代码编写等阶段开发完成，经软件用户使用表明，本软件具有计算准确、运行稳定、操作简易等特点。可快速、准确完成玻璃系统光学热工性能计算、框二维传热有限元分析计算、整窗和整幅幕墙热工性能进行计算等，将推动门窗、幕墙行业的节能设计发展，使门窗、幕墙节能设计更规范，满足目前建筑节能设计对门窗、幕墙节能设计的要求。
　　作为《热工计算规程》的配套软件，该软件检验、实践了规程的技术理论体系，促进了规程的和建筑门窗节能性能标识的推广应用。

　　参考文献
　　[1] JGJ/T 151-2008. 建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].
　　[2] GB 50176-93. 民用建筑热工设计规范[S].
　　附录：
　　第一作者：杨华秋男，助理工程师，1984年6月出生，目前从事建筑节能、门窗幕墙节能研究。