玻璃幕墙结露分析及改造设计

1玻璃幕墙结露分析及改造设计张珑1于凤军2王乔3摘要：某企业生产工艺要求车间内部必须保证温度28±1℃、空气相对湿度65±1％，玻璃幕墙冬季在内部产生严重的结露现象，造成主体钢结构的锈蚀并对生产工艺产生了不良影响。该文通过计算分析产生结露的原因，提出了解决高温高湿工业厂房内部结露并提高其建筑节能性能的改造设计方案。关键词：玻璃幕墙；传热系数；结露；双层幕墙1.玻璃幕墙传热系数及结露计算分析1.1计算中采用的部分条件参数及规定1.1.1计算传热系数采用冬季计算标准条件：室内环境计算温度：Tin=20℃；室外环境计算温度：Tout=0℃；内表面对流换热系数：hc=3.6W/(m2·K)；外表面对流换热系数：he=23W/(m2·K)；室外平均辐射温度：Trm=Tout太阳辐射照度：Is=0W/m2；1.1.2抗结露性能计算的实际边界条件为：室内环境温度：Tin=28℃；室外环境温度：Tout=-12.5℃室内相对湿度：RH=65%1.2玻璃幕墙结构基本参数采用U型玻璃对扣，形成双层空腔（见图1）：7+60(空气层)+7mm（不考虑玻璃肋）图1：U型玻璃幕墙图2：（U型玻璃+中空玻璃）双层幕墙1.3U型玻璃幕墙传热系数计算[3]1.3.1计算基础及依据2依据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003计算玻璃的传热系数U1值，单位是W/(m2·K)。计算采用的基本计算公式是：1/U=1/he+1/ht+1/hi[3]C.0.2-1式中：he：玻璃的室外表面换热系数；hi：玻璃的室内表面换热系数；ht：多层玻璃系统内部传热系数；1.3.2室外表面换热系数室外表面换热系数he是玻璃附近风速的函数，可用下式近似表达：he=10.0+4.1ν[3]C.0.4-1式中：ν：风速(m/s)；he取23W/(m2·K)。1.3.3室内表面换热系数室内表面换热系数hi可用下式表达：hi=hr+hc[3]C.0.4-2式中hr是辐射导热，hc是对流导热。通常情况下普通垂直玻璃表面和自由对流：hi=hr+hc=8W/(m2·K)1.3.4多层玻璃系统内部传热系数1.3.4.1总体计算公式：1/ht=Σ1/hs+Σdmrm(s=1～N,m=1～M)[3]C.0.2-2hs：气体空隙的导热率；N：气体层的数量，此处为1；dm：每一个材料层的的厚度；rm：每一个材料层的热阻，玻璃的热阻(玻璃的热阻为lm·K/W)；M：材料层的数量，此处为2层，即双片玻璃；其中：hs=hg+hr[3]C.0.2-3hs：气体空隙的导热率；hg：气体空隙的导热系数（包括传导和对流）；hr：气体空隙的辐射导热系数；1.3.4.2辐射导热系数hr：31211114mrTh[3]C.0.2-4式中：σ：斯蒂芬-波尔兹曼常数，取σ=5.67×10-8W/(m2·K)；3间隙层中两表面在平均绝对温度Tm下的校正发射率，普通玻璃取值：ε1=0.837，ε2=0.837；Tm：气体平均温度(K)，Tm=283K；带入相关参数得：rh3.70W/(m2·K)1.3.4.3气体的导热系数hg：hg=Nuλ/s[3]C.0.2-5式中：hg：气体的导热系数；λ：气体导热率，W/(m·K），对于空气，λ=0.02496W/(m·K)；s：气体层的厚度，为60mm；Nu：努塞尔准数，由下式给出，如果其计算结果小于1，则取1：Nu=A(Gr·Pr)n[3]C.0.2-6式中：A：是常数；n：幂指数；Gr：格拉晓夫准数；Pr：普朗特准数；对于垂直空间，A=0.035，n=0.38；水平情况；A=0.16，n=0.28；普朗特准数按下面公式计算：Pr=μc/λ[3]C.0.2-8式中：ΔT：气体间隙前后玻璃表面的温度差，取15K；ρ：气体的密度，取1.232Kg/m3；μ：气体的动态黏度，取0.00001761kg/(ms)；c：气体的比热，为1008J/(kg·K)；Tm：气体平均温度(K)，Tm=283K；Pr=μc/λ=0.71格拉晓夫准数由下式计算：22381.9mrTTsG=6692846Nu=A(Gr·Pr)n=12.06W/(m2·K)hg=Nuλ/s=5.02W/(m2·K)hs=hg+hr=8.72W/(m2·K)1.3.4.4多层玻璃系统内部传热系数：1/ht=Σ1/hs+Σdmrm(s=1-N,m=1-M)[3]C.0.2-2=0.1287m2·K/W1.3.5U值的计算：1/U1=1/he+1/ht+1/hi=0.30m2·K/W4U1=3.36W/(m2·K)1.4U型玻璃幕墙室内侧结露计算[5]1.4.1水(冰)表面的饱和水蒸汽压计算tbtasEE100式中：E0：空气温度为0℃时的饱和水蒸汽压，取E0=6.11hPa；t：室内空气温度，28℃；a、b：参数，对于水面(t0℃)，a=7.5，b＝237.3；sE37.811.4.2在空气相对湿度f下，空气的水蒸汽压计算e=f·Es式中：e：空气的水蒸汽压，hPa；f：空气的相对湿度，65％；Es：空气的饱和水蒸汽压，hPa；e=f·Es=24.571.4.3空气的结露点温度计算111.6lgeabTd[注：lg(e/6.11)表示取以10为底，e/6.11的对数。]式中：Td：空气的结露点温度，℃；e：空气的水蒸汽压，hPa；a、b：参数，对于水面(t0℃)，a=7.5，b=237.3；对于冰面(t≤0℃)，a=9.5，b=265.5。dT=20.8℃1.4.4U玻幕墙内表面的计算温度室内环境温度：Tin=28.0℃；室外环境温度：Tout=-12.5℃；玻璃内表面换热系数：hbi=8.0W/(m2·K)；玻璃外表面换热系数：hbe=23.0W/(m2·K)；U玻幕墙传热系数：U1=3.36W/(m2·K)；U玻幕墙结露性能评价指标(室内玻璃表面温度)：Tpj；pjinbioutinTThTTU1bioutininpjhUTTTT1=11.0℃因为Tpj=11.0℃＜Td=20.8℃即U玻内表面温度远低于室内空气的结露点温度，所以U玻幕5墙内侧会出现严重的结露现象。2.（U型玻璃+中空玻璃）双层幕墙传热系数及结露计算分析建筑幕墙作为建筑的外围护结构，其热工性能直接影响建筑能耗，单层玻璃幕墙热工性能较差，存在能耗问题。双层幕墙由外层幕墙、热通道、内层幕墙构成，在热通道内能够形成空气有序流动，可设置外层或内层的进风口和出风口，使热通道中的空气与外部或者室内空气交流。双层幕墙在夏季阳光照射下幕墙通道中的空气被加热，使空气自下而上地流动，从而带走通道中的热空气，达到降低房间温度的作用；在冬季关闭通风口，双层幕墙内部的空气在阳光照射下温度升高，减少室内和室外的温度差，起到保温的作用并可以消除结露现象。2.1中空玻璃内层幕墙传热系数U值的计算全隐框幕墙（见图2）中空玻璃：6+12+6mm，内外普通白玻玻璃组成：外片：6mm；内片：6mm；中空层：12mm，空气2.1.1多层玻璃系统内部传热系数：[3]2.2.1.1辐射导热系数hr：rh=3.70W/(m2·K)2.1.1.2气体的导热系数hg：Pr=μc/λ=0.71rG=23796Nu=A(Gr··Pr)n=1.41hg=Nuλ/s=2.94W/(m2·K)（此处s=12mm）hs=hg+hr=6.64W/(m2·K)2.1.1.3多层玻璃系统内部传热系数：1/ht=Σ1/hs+Σdmrm(s=1-N,m=1-M)C.0.2-2……[参JGJ113-2003]=0.163m2·K/W2.1.2U值的计算1/U3=1/he+1/ht+1/hi=0.331m2·K/WU3=3.02W/(m2·K)2.2（U型玻璃+中空玻璃）双层幕墙的总传热系数双层幕墙组成：外层U玻幕墙、600mm空气层、内层中空玻璃幕墙的总热阻[2]8087.002.3118.03.361U1RU1RRRR321321m2·K/W2R为60mm以上垂直空间空气层热阻双层幕墙总的传热系数R1U=1.236W/(m2·K)62.3双层幕墙结露分析计算[5]2.3.1中空玻璃幕墙室内表面的计算温度室外环境温度：Tout=-12.5℃；室内环境温度：Tin=28.0℃；玻璃内表面换热系数：hbi=8.0W/(m2·K)；玻璃外表面换热系数：hbe=23.0W/(m2·K)；双层幕墙传热系数：U=1.236W/(m2·K)；中空玻璃幕墙室内玻璃表面温度：Tpj；bigoutininpjhUTTTT=21.7℃2.3.2中空玻璃幕墙室内表面结露评价因为Tpj=21.7℃＞Td=20.8℃即U玻内表面温度高于室内空气的结露点温度，所以内层中空玻璃幕墙室内侧不会出现结露现象。2.4结论分析2.4.1采用双层幕墙可降低围护结构的传热系数，实现建筑节能，尤其是可以解决高温高湿工业厂房冬季结露问题。2.4.2以上计算分析没考虑太阳光辐射传热的影响，太阳光辐射传热对冬季保温及防结露有利；以上计算分析没考虑空气渗透对流传热的影响，当厂房内湿热空气过多地渗透到内外层幕墙之间时，可在热通道内采取除湿措施以消除热通道内的结露现象。参考文献：[1]GB50189-2005.《公共建筑节能设计标准》[2]GB50176-1993.《民用建筑热工设计规范》[3]JGJ113-2003.《建筑玻璃应用技术规程》[4]JGJ26-1995.《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分)》[5]JGJ/T151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》作者单位：1.济南市城市建设服务中心）2.山东省建设机械行业管理办公室3.山东省建筑科学研究院联系地址：山东省济南市天桥区无影山路29号邮编：250031电话：[phone]E-mail：[e-mail]