本文摘自暖框科技(Warmframe Technology)與美國門窗幕墻評級委員會(NFRC)聯合編譯的最新版《THERM 7 / WINDOW 7 — NFRC 熱工建模手冊》中文版
真空玻璃(VIG)
WINDOW可用于模擬真空腔,以實現真空玻璃(VIG)產品的建模。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成,玻璃之間的空腔被抽成真空狀態,兩塊玻璃之間由陣列的支撐柱或其他系統隔開,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不同,這些真空玻璃產品使用的邊部密封系統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. 創建真空空腔
第一步應該創建真空空腔。真空玻璃單元的空腔類型與中空玻璃的充氣空腔不同。
創建真空空腔的步驟是:
1. 點擊Gap Library(空腔氣體庫),創建一個新的空腔編號。
圖 8-231:Gap Library空腔氣體庫
2 打開這個新的空腔編號,并選中Vacuum((真空)。
圖 8-232:Gap Library空腔氣體庫,選中Vacuum(真空)
3. 選中Vacuum(真空)后,將出現一個新的頁面,需要用戶自定義一些參數,包括根據真空玻璃產品廠商提供的信息,填入如名稱、壓力、支撐柱的定義(支撐柱名稱、半徑和間距)等數據。熱導率將根據用戶輸入自動調整。分子量(28.970)和比熱比(1.4)作為默認值不得更改。壓力只需輸入一個壓力單位,Pa、psi 或 Torr,WINDOW 將自動轉換其它壓力值。
圖 8-233:Gap Library空腔氣體庫,真空空腔的特性參數
4. 支撐柱的定義應按照實際真空玻璃產品的參數定義。點擊 >> 打開支撐柱的定義菜單,編輯當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。無論廠商的技術規格是怎樣的,支撐柱的類型只能設為圓型。不過,矩形支撐柱可以通過計算圓型的等效半徑的方法進行設定。等效半徑使用以下公式計算公式:
其中 a 和 b 分別是矩形的兩邊(對于正方形 a=b)。請注意,當矩形沒有明顯偏離正方形時(例如,縱橫比小于 2),這個近似值是有效的。計算時,使用支撐柱中心到中心的間距,如支撐柱為交錯布置,則使用最短距離。
圖a. 常規式點陣 圖b. 交錯式點陣
5. 定義完真空空腔的壓力和支撐柱后,單擊 Save 和Ok。請注意,支撐柱的導熱系數不是輸入值,由于支撐柱的材料熱導率全都超過了玻璃,因此即便導熱系數不同,對閾值也沒有影響。隨著未來的發展和創新,WINDOW 軟件的后續版本將具有指定支撐柱熱導率的選項。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。然后,點擊 Save,將真空空腔的參數保存到Gap Library(空腔氣體庫)。在下拉列表中選擇的支撐柱將作為在Glazing System Library(玻璃系統庫)中構建真空玻璃時使用的唯一支撐柱類型,如果存在多個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需要多次重復使用。
圖 8-234:Gap Library空腔氣體庫,空腔支撐柱定義
8.21.2. 創建真空玻璃單元
真空空腔創建完成后,就可以在玻璃系統庫中創建真空玻璃單元。
創建真空玻璃單元的步驟是:
1. 點擊Glazing System Library(玻璃系統庫),創建一個新的玻璃系統編號。
圖 8-235:Glazing System Library 玻璃系統庫
2. 打開新的玻璃系統編號,更新名稱,然后選擇玻璃層和真空空腔生成真空玻璃單元。注意需要調整空腔寬度以匹配廠商的產品規格,計算并保存用于導入THERM的玻璃系統。
圖 8-236:創建真空玻璃單元
8.21.3. 將真空玻璃導入THERM
在THERM中導入真空玻璃單元(點擊 Glazing Systems 或 F6鍵),創建門窗產品的截面(立柱、頂、底橫梁等)。步驟是:
1. 正常設定所有玻璃系統參數,Spacer Height(間隔條高度)應與廠商實際產品的封邊高度一致。
圖 8-237:導入真空玻璃時,注意Spacer Height的值
2. 根據廠商的技術規格,使用NFRC 101中批準的材料,作為真空玻璃的封邊材料。
圖 8-238:導入真空玻璃時,封邊材料的選擇
3. 導入真空玻璃后,進行封邊材料的定義,然后定義邊界條件并照常計算。直到完成門窗產品所有截面的計算。
8.21.4. 模擬復合真空玻璃
1. 按照如上所述步驟創建真空玻璃單元后,可以再增加一層玻璃層,并進行空腔氣體的設置,以模擬復合真空玻璃,如圖8-238所示。
圖 8-239:創建復合真空玻璃系統
2. 在 THERM 中,導入復合真空玻璃并在玻璃邊部添加恰當的間隔條系統。請注意:由于玻璃導入過程中,只能指定一個“Spacer Height”,而真空玻璃的封邊高度和復合真空玻璃的間隔條高度可能不同,因此為了適應這一點,需要在 Preferences(首選項)中,選中 Allow editing IG polygons(允許編輯中空玻璃多邊形),以便后續建模過程中調整真空玻璃封邊或間隔條系統的高度。
圖 8-240:THERM中帶有典型復合真空玻璃系統的截面示例
3. 導入復合真空玻璃后,定義邊界條件并照常計算。直到完成門窗產品所有截面的計算。
8.22. 層間板系統
層間板系統是與標準門窗幕墻產品不同的產品,因為它們包含不透明的建筑元素,這些元素可能與透明層結合或不結合。對于NFRC認證的層間板系統,要求該系統必須包含一個如NSI/NFRC 100中定義的玻璃構件。
本節所示的整體產品性能計算是一個雙層玻璃墻系統,室內側有層間板。它不包含對組合單元(高于或低于可視區的層間部位)進行評級的程序。
層間板系統的建模過程與典型的可視幕墻系統不完全相同。默認情況下,WINDOW使用63.5mm作為玻璃邊緣U值的計算范圍。然而,在層間板系統建模時,建模師需要在THERM中定義254mm作為層間板邊緣U值的計算范圍,并使用電子表格,通過面積加權來計算整體產品。面積加權電子表格可由建模師自建,但應與 NFRC Spandrel Benchmark(NFRC層間板參照表)的結果進行比較用于驗證該電子表格。
請按照以下詳細步驟對層間板系統進行建模計算。
8.22.1. 創建層間板系統的中心(COG)
首先需要創建兩個不同的COG系統:一個僅包含玻璃(無層間板構件),另一個包含了玻璃和層間板構件(層間板系統)。這是必需的,因為玻璃層將是唯一導入THERM的構件,建模師將添加層間板構件(金屬板、保溫材料和適當的空腔)作為與玻璃相鄰的多邊形圖塊,從WINDOW中計算得到層間板系統的COG值,并將其輸入面積加權電子表格。
步驟1:僅創建玻璃系統
在Glazing System Library(玻璃系統庫)中創建層間板系統的玻璃部分,不含室內的層間板構件(例如金屬板或保溫材料)。在此示例中,玻璃系統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:僅創建中空玻璃
步驟2:創建玻璃系統和不透光的層間板構件
在此步驟中,創建整體層間板系統(將步驟1的中空玻璃和不透明層間板構件組合),計算得到層間板系統整體COG U值和SHGC,并用于面積加權電子表格。創建的該系統不會被導入到THERM中。如果層間板構件在Glass Layer Library(玻璃層庫)中不可用,那么它們將被要求由建模師自建。層間板構件包括但不限于金屬板和保溫材料。
通過以下步驟,對“如何在WINDOW中創建不透明的層間板構件作為玻璃層”進行說明。
步驟2A) 在玻璃層庫中創建非玻璃的不透明層:單擊 New(新建),輸入材料名稱、厚度、熱導率、Rsol1、Rsol2、Rvis1、Rvis2 和發射率(兩個表面),所有其它光學值應為零。
以下的材料層(保溫材料和金屬板)是常用的層間板構件,可按以下參數輸入WINDOW的材料特性欄。無論創建的不透明材質是何種類型,Solar Reflectance(太陽反射率)和Visible Reflectance(可見反射率)應始終輸入為0.5。
- 保溫材料
50.8mm厚玻璃棉(容重50-60kg/m3)
導熱系數0.033W/mK(出自NFRC 101附錄A)
對于默認的特性,如”Solar(太陽光)”,”Visible(可見光)”和”IR(紅外光)”,Rsol1, Rsol2, Rvis1, Rvis2的數值均輸入0.5。所有其它數據應輸入為0。如果廠商對其光學特性進行了測試,可以填寫測試值,但建模計算報告應包含這些值的聲明。
玻璃棉表面的發射率為0.9(兩面)
Diffusing(擴散)不要勾選
- 鍍鋅鋼板
0.737mm厚鍍鋅鋼(未經涂層處理的)
導熱系數52W/mK(出自NFRC 101附錄A)
對于默認的光學特性,與上面的保溫材料相同。
未經涂層處理的鍍鋅鋼的發射率為0.2,對于其它表面處理的金屬表面的發射率,詳見NFRC 101
圖 8-242:在Glass Library(玻璃庫)中創建不透光材料
圖 8-243:在Glass Library(玻璃庫)中創建不透光材料時輸入的材料特性
步驟2B) 創建一個特殊的空腔:在層間板系統中,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)中創建一個導熱系數999 W/mK、厚度0.01mm的空腔。
選中“Air”(類型為Pure)并制作一個“副本”,打開新創建編號并將其重命名,以便用戶不會將其與常規的“Air”混淆。改變將“Conductivity導熱系數”下單元格“A”中的值設置為999(公制單位)。所有其它值保持不變,保存并退出。見下圖復制ID#1到ID#5以獲取新空腔的導熱系數。
圖 8-244:創建導熱的空腔選項
圖 8-245:創建導熱的空腔選項,導熱系數999W/mK
步驟 2C) 在Glazing System Library(玻璃系統庫)中創建層間板系統COG:在下圖中,包含了步驟1的創建中空玻璃,然后是步驟2A和2B的創建不透光層。
注意:以下操作細節僅針對于本練習,實際中可能需要用到或多或少的層來創建其它層間板系統。
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 是層間板的外側鋼板
d. Gap 3 是在步驟2B中創建的人工空腔,用戶應輸入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中創建的人工空腔,用戶應輸入0.01mm作為該空腔的厚度
g. Glass 5 是層間板的內側鋼板
h. 點擊 Calc (F9) 之后可以看到錯誤提示“Layer,#3,#4,#5 do not have spectral data”后計算成功。這是正常的,因為這些不透光層由用戶自建,不具有IGDB官方的光學特性。
圖 8-246:創建玻璃和不透光的層間板構件,作為新的玻璃系統
說明:人工空腔在圖中可能顯示為0.0,可以通過點擊確認該空腔的厚度,可以看到實際為0.01mm
步驟 3:在面積加權電子表格中輸入層間板系統COG的U值和SHGC,這兩個值應該來自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
創建包含層間板系統的框架截面時,層間板系統應當遵照標準的建模步驟,并注意以下事項:
A. 在THERM截面模型中,僅插入中空(或單片)玻璃。
B. 所插入的玻璃系統必須將”Edge of Glass Dimension(玻璃邊部尺寸)”設為254mm,”Glazing system height(玻璃系統高度)”設為406mm。注意:當輸入上述數值后,這些數值會成為今后其它門窗幕墻系統的默認值,因此,在模擬其它非層間板系統的項目時,不要忘記將上述數值相應地改回63.5mm和150mm。
C. 建模師需要對所有室內表面進行邊界條件的設定,包括框架和層間板系統。THERM不會自動分配這些構件的邊界條件。
用THERM建模的步驟:
1. 從WINDOW插入玻璃系統(僅玻璃,不包含層間板),如圖8-247,“Insert Glazing System(插入玻璃系統)”對話框中提示了應當輸入的數值。特別注意:必須將”Edge of Glass Dimension(玻璃邊部尺寸)”設為254mm,”Glazing system height(玻璃系統高度)”設為406mm。
圖 8-247:僅插入玻璃系統
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的材料庫中新建材料,但要注意:任何新建材料的導熱系數和發射率必須符合NFRC 101標準。
在某些情況下,當在WINDOW中創建保溫材料和/或金屬板時,它們相對的表面可能有不同的發射率,對于這種情況,請參見步驟7。
3. 開始繪制代表層間板系統的多邊形(如金屬板、保溫材料等)。從均質截面的起始點往上406mm,繪制出代表層間板系統的多邊形。均質截面是指沿著截面高度,沒有發生任何材料變化,包括框架、間隔條和玻璃膠條等。
舉例說明如下圖,視線應當從均質截面開始的點算起。
圖 8-248:Sightline(視線)示例
4. 如果在步驟2中發現玻璃系統低于層間板系統的多邊形,應當重新插入玻璃系統,而不是延伸玻璃及其空腔,因為那樣可能導致玻璃頂部的邊界條件出現問題。
5. 當玻璃系統和層間板系統都按照正確的高度建模后,此時需在254mm高度上插入一個點,作為設置層間板系統“Edge邊部”標簽的參照點。另外,不要忘記在室外對應的部位也插入一個點,作為“SHGC Exterior”標簽的參照點。
圖 8-249:示例手動定義Sightline(視線)
6. 按照本手冊的表6-4或ANSI/NFRC 100的表4-2,進行室內邊界條件的設置。由于室內的非透光層間板材料的多邊形是用THERM創建的(而不是從WINDOW導入的),建模師必須根據幕墻或窗墻系統的截面手動設置這部分的邊界條件。
7. 有時,一個單一的多邊形可能有不同的表面發射率。例如,玻璃棉的一邊帶有鋁箔(發射率0.05),另一邊則沒有(發射率0.9),這時需要建模師手動改變該多邊形的表面發射率。
如圖8-250所示,保溫材料的外側(朝著玻璃系統的方向)帶有一個低發射率的鋁箔。由于THERM會自動將該材料的發射率分配到該材料表面,而系統默認的發射率是不帶鋁箔的,因此建模師需要手動分配帶鋁箔的表面發射率,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,則是因為模型未完成,需要先對截面的邊界條件進行設置。
2) 雙擊后出現一個對話框,讓建模師手動改變發射率。這一步驟與修改封閉空腔的表面發射率很像,具體見本章8.2.2(圖8-2)和8.3.1.2節關于模擬矩形窗格(圖8-15)的相關內容。
3) 確認修改后,點擊OK完成。應當注意:當截面發生改變,需要重新生成邊界,并選擇如對話框的中間項(圖8-250)時,所有表面發射率將回到THERM材料庫中的初始值,這時需要按照上述步驟重新手動設置表面發射率。
圖 8-250:為修改后的THERM模型重新生成恰當的邊界條件
圖 8-251:層間板系統建模的邊界條件
8. 重復步驟1-7,直至完成所有帶層間板系統的截面。圖8-251顯示了一個窗墻系統的底橫梁模型,這是一個非對稱截面。對稱截面(1/2的整個寬度),如幕墻、窗墻或斜幕墻的的中立柱應當按照8.9.1章節的內容進行建模。
9. 當所有截面的建模都完成后,將從THERM獲得的Uframe和Uedge結果,連同從WINDOW獲得的Ucog結果,一起輸入用于計算整體產品U值的面積加權電子表格中。對于整體產品的SHGC,需要計算各個構件的SHGC值及其面積,包括框架的SHGCf和層間板系統的SHGCc。邊部和COG的值都按8.22.1章節的步驟2C進行計算(從WINDOW中獲得)。框架的SHGCf,應當按照如下公式計算:
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,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電子表格計算整體產品的U值和SHGC(注:VT為0.00)。WINDOW軟件不能用來計算整體產品,這是因為在WINDOW中,Edge邊部會自動按照63.5mm計算,而對于層間板系統,Edge邊部應當按照254mm計算。
