相變窗傳熱特性實驗研究

(1 蘇州科技大學環境科學與工程學院 蘇州 215009； 2 麥克維爾中央空調有限公司蘇州分公司 蘇州 215009)

相變材料(PCMs)是指在相變過程中進行能量儲存或釋放的材料，具有儲能密度大，溫度變化小等優點。相變材料被廣泛應用于航空、醫療、工業、建筑等行業。在我國，建筑能耗占社會總能耗40%以上，其中，空調和采暖占建筑總能耗50%左右，建筑節能已成為社會關注的焦點[1]。將相變材料與建筑圍護結構相結合，可以有效減小室內外熱流強度波動幅度[2-4]，提高室內熱舒適度，減小空調能耗，緩解電力供應與需求在時間和空間上不匹配的矛盾。

窗戶作為建筑圍護結構的重要組成部分，同時也是整個建筑圍護結構保溫性能最薄弱的環節，窗戶的能耗[5]占整個圍護結構的30%左右。改善窗戶的隔熱保溫性能，對降低建筑能耗具有重要意義。針對窗戶的節能問題，國內外已有諸多研究。例如，能夠有效增加窗戶密封性的固定窗，窗戶遮陽的自動調節設計，具有良好隔熱性能和透光度的Low-e玻璃窗[6]。但這些節能技術普遍存在使用不便、制造成本高、全年節能效果不明顯等缺點[7]，窗戶的節能技術[8]有待進一步研究。F. Goia等[9]以石蠟為原料制備相變窗，進行對比實驗，評價了相變窗的傳熱性能以及對室內熱舒適的影響。羅慶等[10]以CaCl2·6H2O為充注材料，制備相變窗，通過實驗與模擬相結合的方法，表明相變窗具有良好的溫度調節能力，內壁面峰值溫度比中空玻璃窗降低3～4 ℃。Li S. H.等[11]搭建玻璃窗動態傳熱性能測試裝置，獲得了夏季晴天相變窗內表面溫度變化規律，并以此驗證模型，進一步論證相變窗在冬季、過渡季的實用性。

本文以脂肪酸和脂肪醇為原料，制備復合相變材料，相比于無機相變材料，具有過冷度小，無相分離的優點[12-15]，在應用中更加穩定可靠。制備相變窗，采用實驗測量方法，得到相變窗溫度調節及節能效果。

1 實驗

1.1 原料與儀器

實驗材料為十四酸(MA)和十六醇(HD)，主要參數見表1。相變材料制備主要儀器包括數據采集儀和溫度傳感器等，具體參數見表2。

表1 原材料物性參數Tab.1 Raw material physical parameters

表2 實驗設備Tab.2 Experimental installations

1.2 相變窗制備

首先制備復合相變材料。稱取一定質量的MA和HD，按48∶52比例混合[15]，將裝有相變材料的試管置于70 ℃的恒溫水浴中加熱，在熔融狀態下用玻璃棒攪拌5 min，混合均勻，再冷卻至室溫，得到MA-HD二元復合相變材料。

采用6 mm厚普通白玻璃制備雙層玻璃窗，尺寸為300 mm×200 mm。玻璃四周采用厚度為10 mm的中空鋁條和中性硅酮密封膠進行支撐和密封，并對雙層窗進行水壓實驗，持續時間24 h，確保無泄漏。建立實驗對照組，測試對象分為兩類：1)普通玻璃窗，內注空氣；2)相變玻璃窗，內注MA-HD復合相變材料，質量200 g。

1.3 實驗過程

實驗研究了復合相變材料的熱穩定性。設定高低溫交變試驗箱溫度為15 ℃，保持穩定。先將裝有MA-HD低共晶混合物的試管置于60 ℃的水浴中熔化，試管內的PCMs完全熔化后，放在高低溫交變試驗箱中，直至PCMs完全凝固，記錄試管內溫度變化，記錄時間間隔為100 s，重復上述過程300次。

利用差示掃描量熱法(DSC)測量MA-HD混合相變材料的相變潛熱。稱取MA-HD低共晶混合相變材料3～6 mg，采用Pyris Diamond DSC測試實驗樣品相變潛熱。將樣品置于鋁制坩堝中，并放入爐腔內，測試氣氛為氮氣(20 mL/min)，掃描溫度范圍為15～60 ℃，升溫速率為2 ℃/min。

以高低溫交變試驗箱為熱環境，模擬夏季室外白天溫度變化，分別測試普通雙層窗和相變窗內外表面的溫度響應。窗戶的外表面與高低溫箱模擬熱環境直接接觸，內表面與室內環境接觸，室內溫度為20 ℃，模擬熱環境的溫度變化范圍為18～58 ℃。模擬熱環境溫度變化分為升溫段、高溫段、降溫段和低溫段。升溫段溫度從18 ℃均勻升至58 ℃，持續時間200 min，在高溫段58 ℃定溫90 min，再在200 min內均勻降溫至15 ℃，再定溫30 min。數據采集儀記錄窗內外表面溫度變化，記錄間隔10 min。實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental device

圖2 MA-HD低共晶混合物DSC曲線Fig.2 DSC curve of low eutectic mixture of MA and HD

2 結果與討論

2.1 相變材料熱性能

MA-HD 二元有機復合相變材料的DSC曲線如圖2所示，相變起始溫度為35.5 ℃，相變潛熱為218.23 kJ/kg。在相變過程中，只存在一個吸熱峰，這表明MA和HD混合均勻，已形成低共晶混合物。

將MA-HD低共晶混合物進行300次熱循環實驗，沒有發生相分離。圖3所示為MA-HD低共晶混合物300次降溫曲線，MA-HD共晶混合物步冷曲線未發生明顯改變，結晶溫度變化在0.2 ℃以內，說明MA-HD共晶混合物具有良好的熱穩定性。

圖3 MA-HD低共晶混合物300次熱循環降溫曲線Fig.3 Cooling curves of low eutectic mixture of MA and HD within 300 times cycle

2.2 相變窗傳熱特性

制備雙層窗和相變窗原材料物性參數見表3。

表3 材料物性參數Tab.3 Material physical parameters

表4 雙層窗和相變窗各階段平均溫度Tab.4 The average temperatures of double windowand PCM-filled window of each stage

圖4 雙層窗和相變窗內外表面溫度響應Fig.4 The inside and outside surface temperature response of double window and PCM-filled window

圖4所示為普通雙層窗和相變窗內外表面溫度響應，表4所示為兩組測試對象在各個階段的平均溫度。圖4和表4表明，相變材料的加入改變了雙層窗的傳熱過程，實現了能量的轉移。與普通雙層窗外表面溫度變化相比，升溫過程中相變窗外表面溫度在140 min時升溫速率大幅下降，溫度在50 min內僅升高1.8 ℃。這是由于相變材料開始相變，吸收熱量，減小進入室內的熱量。相變過程結束后，溫度繼續升高，并保持穩定。相變窗在高溫段外表面平均溫度比雙層窗低5.9 ℃，峰值溫度降低明顯。運行290 min時，溫度開始降低，并出現短暫的控溫平臺。之后溫度繼續下降，且始終高于雙層窗外表面溫度。相變窗外表面溫度曲線與雙層窗外表面溫度所圍成的面積表明相變材料對進入室內的負荷具有良好的轉移能力。

與雙層窗內表面溫度變化相比，在升溫階段，相變窗內表面溫度高于雙層窗，這是由于相變材料的導熱性優于空氣。相變窗在高溫段的內表面平均溫度比雙層窗降低0.6 ℃，溫度調節效果不明顯。在290 min時，熱環境溫度開始降低，相變窗內表面溫度始終保持一個恒定溫度，持續100 min，隨后溫度降低，內表面溫度始終高于雙層窗內表面溫度。在降溫過程中，相變材料釋放熱量，減小了室內負荷衰減，從而保持溫度恒定狀態，說明相變窗具有良好的保溫性能，且相變窗內表面降溫曲線與雙層窗內表面降溫曲線圍成的面積表明負荷的轉移效果明顯。

3 結論

1)采用熔融共混法制備了MA-HD二元復合相變材料，相變溫度為35.5 ℃，相變潛熱為218.23 kJ/kg。經過300次熱循環實驗，結晶溫度變化在0.2 ℃以內，熱穩定性良好，適用于建筑材料。

2)制備了雙層窗與相變窗，分別進行了溫度響應測試。加入相變材料有效改變了雙層窗的傳熱過程。在升溫過程中，相變過程持續50 min，降低了相變窗外表面升溫速率。相變窗外表面峰值溫度較雙層窗降低5.9 ℃，外表面溫度降低效果明顯。在降溫段，降溫速率緩慢，外表面溫度始終高于雙層窗。

3)在相變材料的作用下，相變窗內表面溫度峰值較雙層窗降低0.6 ℃，隨后在降溫段依舊保持100 min的溫度穩定，說明MA-HD復合相變材料具有良好的保溫功能，對負荷的轉移明顯。

本文受江蘇省自然科學基金項目(BK2012602)和蘇州科技大學研究生創新項目(SKCX15_029)資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK2012602) and Graduate Innovation Fund of Suzhou University of Science and Technology (No.SKCX15_029).)

[1] 李成浩, 孫志高, 張愛軍, 等. 乳液漿體蓄冷性能實驗研究[J]. 制冷學報, 2016, 37(6):66-70. (LI Chenghao, SUN Zhigao, ZHANG Aijun, et al. Experimental study on cold storage performance of emulsion slurry[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 37(6):66-70.)

[2] SHARMAA A, TYAGIB V V, CHENA C R. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(2):318-345.

[3] 劉菁偉, 楊文彬, 謝長瓊, 等. HDPE/EG/石蠟導熱定形相變材料的制備及性能[J]. 材料工程, 2015, 43(4):42-46. (LIU Jingwei, YANG Wenbin,XIE Changqiong, et al. Preparation and properties of HDPE/EG/Paraffin thermal conducting shape-stabilized phase change material[J]. Journal of Materials Engineering, 2015, 43(4):42-46.)

[4] 趙之貴, 孫志高, 焦麗君, 等. 新型相變儲能試板的制備與性能實驗研究[J]. 新型建筑材料, 2015, 42(8):27-30. (ZHAO Zhigui, SUN Zhigao, JIAO Lijun, et al. Make and experimental research on the performance of a new phase change energy storage wallboard[J]. New Building Materials, 2015, 42(8):27-30.)

[5] 王菲菲, 鄭修齊. 門窗的節能技術方法及發展趨勢[J]. 門窗, 2015, 37(11):25-26. (WANG Feifei, ZHENG Xiuqi. Energy saving technology and development trend of doors and windows[J]. Doors & Windows, 2015, 37(11):25-26.)

[6] 卜增文, 毛洪偉, 楊紅. Low-e玻璃對空調負荷及建筑能耗的影響[J]. 暖通空調, 2005, 35(8):119-121. (BU Zengwen, MAO Hongwei, YANG Hong. Influence of Low-e glass on air conditioning load and building energy consumption[J]. Journal of HV & AC, 2005, 35(8):119-121.)

[7] 鐘克承, 李舒宏, 周盈盈, 等. 相變玻璃窗與中空玻璃窗的動態傳熱特性[J]. 化工學報, 2014, 65(增刊2):114-123. (ZHONG Kecheng, LI Shuhong, ZHOU Yingying, et al. Dynamic heat transfer characteristics of PCM-filled glass window and hollow glass window[J]. CIESC Journal, 2014, 65(Suppl.2):114-123.)

[8] ALAWADHI E M. Using phase change materials in window shutter to reduce the solar heat gain[J]. Energy and Buildings, 2012, 47(4):421-429.

[9] GOIA F, PERINO M, HAASE M. A numerical model to evaluate the thermal behaviour of PCM glazing systems[J]. Energy and Buildings, 2012, 54:141-153.

[10] 羅慶, 劉慶開, 夏煦, 等. 雙層相變玻璃窗動態熱調節過程研究[J]. 材料導報, 2010, 24(16):69-72. (LUO Qing, LIU Qingkai, XIA Xu, et al. Dynamic thermal performance of phase change materials filled in glass window[J]. Materials Review, 2010, 24(16):69-72.)

[11] LI S H, ZHONG K C, ZHOU Y P, et al. Comparative study on the dynamic heat transfer characteristics of PCM-filled glass window and hollow glass window[J]. Energy & Buildings, 2014, 85:483-492.

[12] ZUO Jianguo, LI Weizhong, WENG Lindong. Thermal performance of caprylic acid/1-dodecanol eutectic mixture as phase change material (PCM)[J]. Energy and Buildings, 2011, 3(1):207-210.

[13] 何小芳, 吳永豪, 王月明, 等. 相變儲能材料的研究進展[J]. 化工新型材料, 2014, 42(12):27-29. (HE Xiaofang, WU Yonghao, WANG Yueming, et al. Research progress of phase change materials for energy storage[J]. New Chemical Materials, 2014, 42(12):27-29.)

[14] 陶文博, 謝如鶴. 有機相變蓄冷材料的研究進展[J]. 制冷學報, 2016, 39(1):52-59. (TAO Wenbo, XIE Ruhe. Research and development of organic phase change materials for cool thermal energy storage[J]. Journal of Refrigeration, 2016, 39(1):52-59.)

[15] 吳學紅, 李偉平, 王立勛, 等. 填充相變材料的復合擱架的傳熱與蓄冷特性[J]. 制冷學報, 2015, 36(4):23-28. (WU Xuehong, LI Weiping, WANG Lixun, et al. The heat transfer and cool storage characteristic of composite shelf filled with phase change masterials[J]. Journal of Refrigeration, 2015, 36(4):23-28.)

[16] 張愛軍, 孫志高, 蔡偉, 等. 二元有機復合相變材料性能實驗研究[J]. 化工新型材料, 2016, 44(7):127-129. (ZHANG Aijun, SUN Zhigao, CAI Wei, et al. Experimental research on binary organic composite phase change materials[J]. New Chemical Materials, 2016, 44(7):127-129.)