納米顆粒對含石蠟玻璃窗光熱特性影響

張姝 李天奎 王澤美 吳洋洋 劉昌宇 李棟

摘??????要：含石蠟玻璃窗添加納米顆粒可改善其熱性能。考慮太陽輻射、溫差傳熱及相變蓄能耦合作用下，建立含納米顆粒石蠟玻璃窗的一維光熱傳輸模型，研究含氧化銅納米顆粒石蠟玻璃窗的動態光熱特性，分析了納米顆粒粒徑和濃度對玻璃窗內表面溫度、熱流密度、太陽能透射率的影響。結果表明：納米顆粒濃度和粒徑對玻璃窗傳熱性和透射率都有影響，其中濃度的影響更大;隨著濃度增大，玻璃窗內表面溫度降低，太陽能透射率降低，石蠟融化和凝固時間縮短。推薦粒徑10～20 nm、濃度低于1%。

關??鍵??詞：納米顆粒;石蠟;玻璃窗;光熱特性

中圖分類號：O 433.1???????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0027-05

Influence of?Nanometer Particles?on Photothermal

Characteristics of Paraffin-coated Glass Windows

ZHANG Shu¹， LI Tian-kui²， WANG Ze-mei²， WU Yang-yang²， LIU Chang-yu²， LI Dong¹

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China;

2. Qingdao Special Equipment Inspection and Testing Institute， Shandong Qingdao 266100， China）

Abstract： Adding nanoparticles to paraffin-coated glass windows can improve their thermal performance. Considering the coupling of solar radiation， temperature difference heat transfer and phase change energy storage， a one-dimensional photothermal transfer model of?nano-particle paraffin glass window was established to study the dynamic photothermal characteristics of the copper oxide nano-particle paraffin glass window and analyze the effect of particle size and concentration of nano-particles on the inner surface temperature， heat flux density and solar transmittance of the glazing. The results?showed?that the nanoparticle concentration and particle size of nanoparticles had?effect on the heat transfer and transmittance of the glass window， especially the concentration. With the increase of the concentration， the inner surface temperature of the glass window?decreased， and?the solar transmittance and the melting/solidification time of paraffin also decreased. The particle diameter of copper oxide nano-particle was?recommended to be 10 nm to 20 nm and the concentration was?less than 1%.

Key words：?Nanoparticle;?Paraffin;?Glazing window;?Photothermal characteristics

我國建筑能耗約占社會總能耗的三分之一，建筑能耗的50%是通過玻璃窗產生的，提高建筑窗戶熱工性能對建筑節能至關重要^[1，2]。石蠟作為一種儲能密度大、吸放熱近似恒溫的相變材料，添加在普通玻璃窗中可以有效提高其隔熱性能。例如，Francesco等人^[3]發現與傳統玻璃窗相比，雙夾層相變玻璃窗可提高室內熱舒適性。Li Shuhong^[4]等人發現添加石蠟的玻璃窗隔熱效果優于真空玻璃。然而，石蠟導熱性差導致蓄放熱速度慢，影響其應用效果^[5]。

（3d）

式中：T_ref—參考溫度， K;

T_s，T_l—分別為含納米顆粒石蠟材料融化初始溫度和液相溫度，?K;

c?—含納米顆粒石蠟材料比熱，?J·kg^-1·K^-1;

Q_L?—含納米顆粒石蠟材料相變過程的潛熱，?J·kg^-1;

β?—計算區域液相率。

外層玻璃外表面接受太陽輻射，x=0處邊界條件如下：

????????（4）

式中： h_out、T_out和T_a，out—分別為外層玻璃外表面對流換熱系數，W·m^-2·K^-1;

外層玻璃外表面溫度和環境溫度，?K;

q_rad?—外層玻璃外表面與外界環境輻射換熱， W·m^-2。

q_rad計算式如下：

??????（5）

式中： q_rad，air、q_rad，sky和q_rad，ground?—分別為玻璃與大氣、天空和地面的

輻射換熱，（W·m^-2）。

內層玻璃內表面在x=x₁+?x₂+?x₃處邊界條件為：

?????（6）

式中： h_in、T_in和T_a，in?—分別為內層玻璃內表面對流換熱系數， W·m^-2·K^-1;

溫度和室內溫度，?K。

含納米顆粒石蠟熱物性參數計算過程如下：

密度^[11]：

????????（7）

式中： ?—納米顆粒體積濃度;

和?—分別為納米顆粒和石蠟的密度， kg·m^-3。

比熱容^[12]：

（8）

式中： NePCM、PCM、np?—分別表示含納米顆粒石蠟材料、石蠟和

納米顆粒;

?—相應介質密度， kg·m^-3;

?—相應介質比熱， J·kg^-1·K^-1。

潛熱量^[13]：

????????（9）

式中：—石蠟的潛熱量， J·kg^-1。

導熱系數^[14]：

????????（10）

式中：d_np?—納米顆粒直徑， m;

n?—經驗形狀因子，n=3/ψ，

ψ—指顆粒的球形度，當顆粒為球形時n=3;

B?—常數，1.38×10^-23?J·K^-1;

C_interact?—納米顆粒作用參數，其值受納米顆粒濃度及顆粒間

作用力的影響，本文取為0;

ξ?—常數，1.428×10⁸?m^-1。

1.2 ?模型驗證

本文模型涉及的求解方法在前期研究中得到驗證^[15-17]。但為進一步驗證，通過文獻[18]提出的實驗方法驗證該模型。室內空氣溫度和太陽輻射強度分別為288 K和650 W·m^-2。h_out和h_in均是5.9 W·m^-2·K^-1。玻璃的吸收系數、折射率和發射率分別為19 m^-1、1.5和0.88，玻璃和相變層厚度分別為4 mm和8 mm。含體積濃度0.000?5%氧化鋁納米顆粒石蠟的折射率和吸收系數分別為1.4、300 m^-1（固態）和100 m^-1（液態）。模擬初始溫度是15 ℃。玻璃下表面熱電偶測得玻璃表面溫度受透過玻璃太陽能的影響，圖2給出了太陽能透射率和溫度的測量與模擬值對比，溫度測量值和模擬值相差較大，這是因為熱電偶測得溫度包括玻璃表面溫度和透過輻射附加的溫度，為了消除輻射影響，引入等價溫度T_eq，其計算公式如下^[19]：

?????????（11）

式中：α_T—熱電偶表面吸收率，取0.69;

?—玻璃裝置透過率;

?—模擬溫度， ℃。

如圖2所示，計算結果和實驗曲線基本一致，說明本文建立的模型能夠較好地模擬含納米顆粒石蠟玻璃窗光熱傳輸過程。

2 ?結果與分析

2.1 ?粒徑的影響

為分析粒徑對含納米顆粒石蠟玻璃窗光熱性能的影響，粒徑取5、10、15、20和25 nm?5種情況，顆粒質量濃度為5%。

圖3為不同粒徑時含氧化銅納米顆粒石蠟玻璃窗計算結果。由圖3（a、b）可知，氧化銅粒徑增加，窗內表面峰值熱流和溫度越大，但對其峰值延遲影響較弱。

從圖3（c）可知，氧化銅粒徑增加，玻璃窗太陽能透過量增加，但對其太陽能透過量峰值延遲影響較弱。同時由圖可見，太陽能透過量在固態、融化階段、液態和凝固階段呈現出不同的變化特點：固態時增加緩慢，融化狀態則快速增加，液態時不變，凝固狀態時增加緩慢。由圖3（d）可知，氧化銅粒徑增加，石蠟融化和凝固時間均增加。同粒徑5 nm相比，10 nm氧化銅納米顆粒石蠟融化和凝固時間分別增加180和120 s。

2.2 ?濃度的影響

為分析濃度對納米顆粒石蠟玻璃窗光熱性能的影響，研究氧化銅納米顆粒質量濃度為0.1%、0.5%、1%、5%和10%五種情況，納米顆粒粒徑為15 nm。

圖4為不同濃度時含氧化銅納米顆粒石蠟玻璃窗計算結果。從圖4（a）可知，氧化銅濃度增加，內表面熱流密度峰值越小。濃度0.5%時與0.1%相比較，時間延遲2 040 s。從圖4（b）可知，氧化銅濃度增加，玻璃窗內表面溫度峰值減小，峰值時間延遲。濃度0.5%與0.1%相比，時間延遲300 s。

由圖4（c）可見，氧化銅濃度增加，玻璃窗太陽能透過量減小，峰值時間延遲，太陽能透過量固態時增加緩慢，融化狀態則快速增加，液態時不變，凝固狀態時增加緩慢。由圖4（d）可知，氧化銅濃度增加，石蠟融化和凝固時間減少。濃度1%與5%相比，融化和凝固時間分別減少1 020 s和420 s。

3 ?結?論

對含納米顆粒石蠟玻璃窗傳熱過程進行了一維非穩態數值研究，分析了粒徑、濃度對其光熱特性的影響，得出如下結論：

（1）粒徑變化對傳熱效果影響較小。隨著粒徑增加，玻璃窗內表面溫度和內表面熱流升高，太陽能透射率增大，石蠟融化和凝固時間延長。

（2）相對于粒徑，濃度影響更顯著。隨著濃度增加，玻璃窗內表面溫度和內表面降低，太陽能透射率減小，石蠟融化和凝固時間縮短。

（3）兼顧提高蓄放熱速率和增加太陽能得熱量雙重需求，添加氧化銅納米顆粒的粒徑應在10～20 nm之間，濃度應低于1%。

參考文獻：

[1] 楊云樺，狄洪發. 低輻射能玻璃窗的節能研究[J]. 太陽能學報，200l，22（3）：296-301.

[2] 曹毅然，張小松，金星. 透過玻璃窗的太陽散射輻射得熱量測試與模擬研[J]. 太陽能學報，2010，31（10）：1318-1323.

[3] Francesco G，Marco P，Matthias H. A Numerical Model to Evaluate the Thermal Behaviour of PCM Glazing System Configurations[J]. Energy and Buildings，2012，54：141-153.

[4] Li Shuhong，ZhongKecheng，Zhou Yingying，et al. Comparative study on the dynamic heat transfer characteristics of PCM-filled glass window and hollow glass window[J]. Energy and Buildings，2014，85：483-492

[5]Gowreesunker B L，Stankovic S A，Kyriacou P A. Experimental and Numerical Investigations of the Optical and Thermal Aspects of a PCM-Glazed Unit [J].Energy and Buildings. 2013，61：239-249.

[6]Huang Xin Peng，Tang Chao Quan，Shi Juan，et al. Heat Transfer Characteristics on Composite Phase Change Materials Filled with Foamed Aluminum and Paraffin Wax[J]. Journal of Southeast University，2017.

[7]王元明，丁云飛，吳會軍. 石蠟/碳納米管復合相變材料的性能研究[J]. 現代化工，2015，35（1）：130-134.

[8]Wu Shu Ying，Zhu Dong Sheng，Zhang XiuRong，et al. Preparation and Melting/Freezing Characteristics of Cu/Paraffin Nanofluid as Phase-Change Material （PCM）[J]. Energy & Fuels，2010，24（3）.

[9]Philip J，Shima PD. Thermal properties of nanofluids [J].Adv Colloid Interface Sci，2012;183-184：30-45.

[10]Li Dong，Ma TengFei，Liu ChangYu，et al. Thermal Performance of a PCM-Filled Double Glazing Unit with Different Optical Properties of Phase Change Material [J]. Energy and Buildings，2016，119：143-152.

[11]Vajjha R S，Das D K，Mahagaonkar B M. Density Measurement of Different Nanofluids and Their Comparison With Theory[J]. Petroleum Science & Technology，2009，27（6）：612-624.

[12]Salma G，Souad H，Sadok B J. Experimental Study of the Cooling Performance of Phase Change Material with Discrete Heat Sources–Continuous and Intermittent Regimes[J]. Applied Thermal Engineering，2017，111：103-111.

[13]Parsazadeh M，Duan X. Numerical and Statistical Study on Melting of Nanoparticle Enhanced Phase Change Material in a Shell-and-Tube Thermal Energy Storage System[J]. Applied Thermal Engineering，2017，111：950-960.

[14]方曉鵬. 納米流體熱質傳遞機理及光學特性研究[D]. 南京理工大學，2012.

[15]Li Dong，Li Zai Wu，Zheng Yu Meng，et al. Thermal Performance of a PCM-Filled Double-Glazing Unit with Different Thermophysical Parameters of PCM[J]. Sol. Energy，2016，133：207-220.

[16]Li Dong，Ma TengFei，Liu Chang Yu，et al. Thermal Performance of a PCM-Filled Double Glazing Unit with Different Optical Properties of Phase Change Material[J]. Energy Build，2016，119：143-152.

[17] Liu Chang Yu ，Wu Yang ，Li Dong，et al. Effect of PCM Thickness and Melting Temperature on Thermal Performance of Double Glazing Units[J]. Build. Eng，2017，11：87-95.

[18]Liu Chang Yu，Wu Yang，Zhu Yong Jian，et al. Experimental investigation of Optical and Thermal Performance of a PCM-Glazed Unit for Building Applications[J]. Energy Build，2018（158）：794-800.

[19]Kong X，Lu S，Li Y，et al. Numerical study on the thermal performance of building wall and roof incorporating phase change material panel for passive cooling application [J]. Energy and Buildings，2014，81：404-415.