结露性能分析——THERM摘要本文介绍了THERM软件的结露模型与U值计算模型的区别以及如何计算出JGJ/T-151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》要求的结露指标。并通过泰诺风暖边间隔条和普铝冷边间隔条的对比来演示如何计算。随着近年来城市住宅的发展人们的居住质量和居住环境不断改善但住宅窗体的结露问题逐渐成为困扰人们的一个难题成为业主投诉的焦点。国内用的热工软件以LBNL的THERM居多而美国的结露评价指标和中国有很大区别不能套用所以如何正确的依据JGJ/T-151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》评估结露性能变得重要。本文首先重点介绍结露模型的重要性然后通过实例来进一步演示。一、为什么要使用结露模型结露就是在一定的温度和湿度条件下门窗的内表面温度如果低于某个温度值空气中的一部分水蒸气在温度低的物体表面凝结成水珠露水析出此时物体的表面温度称之为露点温度。▲图1 结露由此来看结露现象与门窗的内表面温度直接相关。显然与门窗的传热系数值有很大的不同。两者虽然都可以采用二维稳态传热程序比如THERM等先将门窗截面划分成细小的网格然后联立方程组进行模拟计算但是结露关注的是窗框和玻璃内表面上各个点的温度变化而U值关心的是通过内表面的热流失是个平均值的概念。两者之间类似于点和面的关系。由此可以想象结露计算所采用的网格更细小形状也更加规整使用更多的四边形网格减少三角形网格如图2所示。除此之外所用的算法尤其是对中空玻璃的空腔传热模型有所差异。▲图2-1 U值计算的网格▲图2-2 结露计算的网格据JGJ/T 151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第6节的的公式6.3.2可知计算U值所采用的玻璃空腔对流换热系数hc,i是与整个空腔的努谢尔特数Nui有关而不是每个网格附近的实际对流情况。对高度为200mm的中空玻璃图3进行CFD定性模拟可知随着高度的增加3#表面的温度逐渐上升对流换热系数则呈减小的趋势。这是因为空气在重力的作用下产生自然对流热空气上升冷空气下降的缘故。▲图3 6Low-E 12A 6▲图4 3#面的CFD模拟结果THERM把玻璃空腔简化成等效的固体计算U值时采用统一的等效热导率考虑整体的对流效应而计算结露性能时为了准确计算玻璃边部的表面温度需要对玻璃空腔内每个分段采用的等效热导率是不相同的。两种空腔模型对应的等温线如图5所示左图的等温线均匀平行就如同常见的固体材料。而右图的玻璃空腔等温线沿着高度方向明显变化而且等温线更集中在两侧的玻璃上。这就是加入了自然对流效应修正后的结果。普通模型结露模型▲图5 等温线图THERM为了定量的研究两种模型的差别基于18.6毫米的隔热条和12毫米的泰诺风暖边间隔条对高度为770毫米的内开窗型进行了普通模型和结露模型的对比模拟内表面温度如图6所示。可以看出● 1.对于普通模型如果head和sill的截面相同那得到的内表面温度也是对称也就是说从内表面温度的角度来看普通模型无法区分head和sill 。● 2. 对于结露模型head的温度明显比sill的高如前所述这是空气自然对流热空气上升的结果。因此sill部分更容易结露。● 3. 结露模型sill部分的温度比普通模型的要低2-3度左右。对于结露来说影响很大。● 4. 玻璃的内表面温度普通模型的呈水平状没有变化而结露模型的有上升趋势。综上所述结露模型得到的内表面温度比普通模型准确很多当然对应的U值结果由于没有经过测试的对应验证可信度不高。各有千秋。二、暖边间隔条对比普铝冷边间隔条根据ISO10077的等效热导率计算公式泰诺风间隔条是典型的暖边。显然冷边和暖边对应的表面温度的会区别较大。因为sill部分更容易结露选取相同的sill截面和玻璃配置获得的内表面温度如图7所示。横坐标是内表面每个点到Sightline的累积距离每个网格的内表面边长Sightline是指玻璃可视部分的最下沿按照重力方向负值表示框的内表面正值表示玻璃的内表面。可以直观地看出泰诺风暖边间隔条不仅有效提升了玻璃边部的温度而且也提高了型材部分的内表面温度▲图6 普通模型和结露模型的内表面温度对比▲图7 暖边间隔条和普铝冷边间隔条内表面温度的对比▲图8 室内侧 框和玻璃边部的10%区域间的温度对比JGJ/T-151 中定义了结露性能评价指标T10“T10的物理意义是指在规定的条件下门窗的各个部件如框面板中部及面板边缘区域有且只有10%的面积出现低于某个温度的温度值。在规定的条件下计算出门窗内表面的温度场再按照由低到高对每个分段排序刚好达到10%面积时所对应分段的温度就是该部件所对应的T10”。而玻璃边缘部分是指65毫米以内的区域所选用的sill截面内表面长度128.09毫米。所以图8选取了6.5毫米的玻璃区域和12.8毫米的框表面温度来对比。在Sightline部分泰诺风暖边间隔条提升了2.62℃玻璃的T10,min提升了2℃型材的T10,min提升了0.73℃三、T10,min变化2℃对应的意义结露的评价流程是用标准计算条件对应的T10,min换算出实际温差条件下的内表面最低的温度T10然后跟露点温度Td进行对比如果T10大于Td则不结露。从露点温度的计算公式123可以看出室外温度Tout保持不变结露与否除了与室内温度Tin有关还与室内的相对湿度RH有关。式1式2式3式4式中:T10,min ——产品的结露性能评价℃Tin,std——结露性能计算时对应的室内标准温度℃取为 20℃Tout,std——结露性能计算时对应的室外标准温度℃取为-20℃Tin——实际工程对应的室内标准温度℃Tout——实际工程对应的室外标准温度℃取为-12℃Td——室内设计环境条件对应的露点温度℃RH——空气的相对湿度%联立方程1234就可以得到1室内温度19℃时临界结露的湿度从38.9%上升到43.5%。温度和湿度是热舒适度的两个重要指标所以空气质量标准的下限湿度是40%。如果门窗边部出现结露的话久而久之此处就会衍生霉菌生锈病菌等。提高结露临界点的湿度有助于保持舒适度的情况下消除或减少结露。暖边间隔条普铝冷边间隔条▲图 室内温度19℃时对应的结露临界湿度2相对湿度保持不变临界结露的温度右表在湿度为40%-50%的范围内泰诺风暖边间隔条可提高临界点2℃到3℃左右。随着相对湿度的上升临界结露点下降更容易结露。所以进行一定的除湿也是必要的。四、结语通过对结露模型和U值模型的对比分析说明为了准确计算门窗内表面温度分布必须使用结露模型。而且对于所举例的门窗截面泰诺风暖边间隔条不仅可以提高中空玻璃内表面温度2-3℃左右而且可改善型材的内表面温度。通过结露评价公式的分析,分析了特定情况下T10,min提升2℃对临界结露的湿度温度的影响。参考文献[1] JGJ/T 151-2008 《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》[2] Wright, J.L. and Sullivan, H.F. a simplified method for the numerical condensation resistance analysis of windows 结露性能分析——THERM
结露性能分析——THERM摘要本文介绍了THERM软件的结露模型与U值计算模型的区别以及如何计算出JGJ/T-151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》要求的结露指标。并通过泰诺风暖边间隔条和普铝冷边间隔条的对比来演示如何计算。随着近年来城市住宅的发展人们的居住质量和居住环境不断改善但住宅窗体的结露问题逐渐成为困扰人们的一个难题成为业主投诉的焦点。国内用的热工软件以LBNL的THERM居多而美国的结露评价指标和中国有很大区别不能套用所以如何正确的依据JGJ/T-151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》评估结露性能变得重要。本文首先重点介绍结露模型的重要性然后通过实例来进一步演示。一、为什么要使用结露模型结露就是在一定的温度和湿度条件下门窗的内表面温度如果低于某个温度值空气中的一部分水蒸气在温度低的物体表面凝结成水珠露水析出此时物体的表面温度称之为露点温度。▲图1 结露由此来看结露现象与门窗的内表面温度直接相关。显然与门窗的传热系数值有很大的不同。两者虽然都可以采用二维稳态传热程序比如THERM等先将门窗截面划分成细小的网格然后联立方程组进行模拟计算但是结露关注的是窗框和玻璃内表面上各个点的温度变化而U值关心的是通过内表面的热流失是个平均值的概念。两者之间类似于点和面的关系。由此可以想象结露计算所采用的网格更细小形状也更加规整使用更多的四边形网格减少三角形网格如图2所示。除此之外所用的算法尤其是对中空玻璃的空腔传热模型有所差异。▲图2-1 U值计算的网格▲图2-2 结露计算的网格据JGJ/T 151《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》第6节的的公式6.3.2可知计算U值所采用的玻璃空腔对流换热系数hc,i是与整个空腔的努谢尔特数Nui有关而不是每个网格附近的实际对流情况。对高度为200mm的中空玻璃图3进行CFD定性模拟可知随着高度的增加3#表面的温度逐渐上升对流换热系数则呈减小的趋势。这是因为空气在重力的作用下产生自然对流热空气上升冷空气下降的缘故。▲图3 6Low-E 12A 6▲图4 3#面的CFD模拟结果THERM把玻璃空腔简化成等效的固体计算U值时采用统一的等效热导率考虑整体的对流效应而计算结露性能时为了准确计算玻璃边部的表面温度需要对玻璃空腔内每个分段采用的等效热导率是不相同的。两种空腔模型对应的等温线如图5所示左图的等温线均匀平行就如同常见的固体材料。而右图的玻璃空腔等温线沿着高度方向明显变化而且等温线更集中在两侧的玻璃上。这就是加入了自然对流效应修正后的结果。普通模型结露模型▲图5 等温线图THERM为了定量的研究两种模型的差别基于18.6毫米的隔热条和12毫米的泰诺风暖边间隔条对高度为770毫米的内开窗型进行了普通模型和结露模型的对比模拟内表面温度如图6所示。可以看出● 1.对于普通模型如果head和sill的截面相同那得到的内表面温度也是对称也就是说从内表面温度的角度来看普通模型无法区分head和sill 。● 2. 对于结露模型head的温度明显比sill的高如前所述这是空气自然对流热空气上升的结果。因此sill部分更容易结露。● 3. 结露模型sill部分的温度比普通模型的要低2-3度左右。对于结露来说影响很大。● 4. 玻璃的内表面温度普通模型的呈水平状没有变化而结露模型的有上升趋势。综上所述结露模型得到的内表面温度比普通模型准确很多当然对应的U值结果由于没有经过测试的对应验证可信度不高。各有千秋。二、暖边间隔条对比普铝冷边间隔条根据ISO10077的等效热导率计算公式泰诺风间隔条是典型的暖边。显然冷边和暖边对应的表面温度的会区别较大。因为sill部分更容易结露选取相同的sill截面和玻璃配置获得的内表面温度如图7所示。横坐标是内表面每个点到Sightline的累积距离每个网格的内表面边长Sightline是指玻璃可视部分的最下沿按照重力方向负值表示框的内表面正值表示玻璃的内表面。可以直观地看出泰诺风暖边间隔条不仅有效提升了玻璃边部的温度而且也提高了型材部分的内表面温度▲图6 普通模型和结露模型的内表面温度对比▲图7 暖边间隔条和普铝冷边间隔条内表面温度的对比▲图8 室内侧 框和玻璃边部的10%区域间的温度对比JGJ/T-151 中定义了结露性能评价指标T10“T10的物理意义是指在规定的条件下门窗的各个部件如框面板中部及面板边缘区域有且只有10%的面积出现低于某个温度的温度值。在规定的条件下计算出门窗内表面的温度场再按照由低到高对每个分段排序刚好达到10%面积时所对应分段的温度就是该部件所对应的T10”。而玻璃边缘部分是指65毫米以内的区域所选用的sill截面内表面长度128.09毫米。所以图8选取了6.5毫米的玻璃区域和12.8毫米的框表面温度来对比。在Sightline部分泰诺风暖边间隔条提升了2.62℃玻璃的T10,min提升了2℃型材的T10,min提升了0.73℃三、T10,min变化2℃对应的意义结露的评价流程是用标准计算条件对应的T10,min换算出实际温差条件下的内表面最低的温度T10然后跟露点温度Td进行对比如果T10大于Td则不结露。从露点温度的计算公式123可以看出室外温度Tout保持不变结露与否除了与室内温度Tin有关还与室内的相对湿度RH有关。式1式2式3式4式中:T10,min ——产品的结露性能评价℃Tin,std——结露性能计算时对应的室内标准温度℃取为 20℃Tout,std——结露性能计算时对应的室外标准温度℃取为-20℃Tin——实际工程对应的室内标准温度℃Tout——实际工程对应的室外标准温度℃取为-12℃Td——室内设计环境条件对应的露点温度℃RH——空气的相对湿度%联立方程1234就可以得到1室内温度19℃时临界结露的湿度从38.9%上升到43.5%。温度和湿度是热舒适度的两个重要指标所以空气质量标准的下限湿度是40%。如果门窗边部出现结露的话久而久之此处就会衍生霉菌生锈病菌等。提高结露临界点的湿度有助于保持舒适度的情况下消除或减少结露。暖边间隔条普铝冷边间隔条▲图 室内温度19℃时对应的结露临界湿度2相对湿度保持不变临界结露的温度右表在湿度为40%-50%的范围内泰诺风暖边间隔条可提高临界点2℃到3℃左右。随着相对湿度的上升临界结露点下降更容易结露。所以进行一定的除湿也是必要的。四、结语通过对结露模型和U值模型的对比分析说明为了准确计算门窗内表面温度分布必须使用结露模型。而且对于所举例的门窗截面泰诺风暖边间隔条不仅可以提高中空玻璃内表面温度2-3℃左右而且可改善型材的内表面温度。通过结露评价公式的分析,分析了特定情况下T10,min提升2℃对临界结露的湿度温度的影响。参考文献[1] JGJ/T 151-2008 《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》[2] Wright, J.L. and Sullivan, H.F. a simplified method for the numerical condensation resistance analysis of windows