相變玻璃圍護結構蓄能特性及對室內熱環境影響研究

李 棟，胡宛玉，張成俊，劉昌宇，楊瑞桐

(東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318)

建筑能耗在社會總能耗中占比超過30%且持續增加[1]，發展低能耗建筑是降低建筑能耗、實現建筑領域碳中和的重要手段.建筑圍護結構是影響建筑能耗的重要部位，也是影響發展低能耗建筑的重要環節.玻璃圍護結構透光性強、傳熱系數大，是改善建筑圍護結構的重要關注部位[2].

在玻璃圍護結構內填充相變材料及二氧化硅氣凝膠[3-6]，可提升其隔熱及蓄熱性能[7]，降低建筑能耗并延長其使用壽命[8].部分學者研究了填充保溫材料玻璃圍護結構傳熱和蓄熱特性.Moretti[9]等、Buratti[10]等制備顆粒狀氣凝膠并添加到雙層玻璃窗，發現其比與傳統雙層玻璃窗保溫更好.部分學者研究了適用于玻璃圍護結構的相變材料[11]，并在玻璃圍護結構填充，通過相變吸放熱實現太陽能光熱利用[12-13].作者團隊[14-15]前期發現含相變材料玻璃結構存在一定的太陽能蓄熱效果，可使外界影響室內傳熱峰值減小和延遲.現有研究成果表明玻璃圍護結構填充相變材料后，其熱惰性顯著增大，可降低建筑能耗.然而，有關含相變材料玻璃圍護結構蓄能過程對建筑內部熱環境影響研究較少.

本文以玻璃圍護結構蓄能特性調控為研究目標，建立了填充多種材料玻璃圍護結構建筑熱分析模型，分析了填充空氣、二氧化硅氣凝膠、相變材料等對玻璃圍護結構蓄能特性的影響，并進一步研究了其對室內熱環境的影響.

1 數理模型

1.1 物理模型

如圖1，研究對象房間尺寸為3 m×3 m×3 m，玻璃厚度為4 mm，填充材料厚度為20 mm，房間內部監測點布置如圖1(b).填充材料玻璃圍護結構主要分為三部分，內外層均為玻璃，中間層分別填充相變材料、空氣以及二氧化硅氣凝膠.太陽輻射通過玻璃圍護結構時分為三部分，一是外層玻璃反射，二是填充材料、玻璃所吸收，三是穿過玻璃圍護結構轉換成室內得熱量.室外側玻璃外表面與外部環境、室內側玻璃內表面與室內空間均發生對流與輻射的耦合換熱.

圖1 傳熱模型及監測點位置

為簡化計算，作如下假設：

(1)空氣、二氧化硅氣凝膠、相變材料和玻璃均為各向同性材料；

(2)忽略相變過程體積膨脹及散射效應；

(3)除相變潛熱外，文中涉及不同熔點相變材料物性參數均相等.

1.2 數學模型

玻璃圍護結構中玻璃、二氧化硅氣凝膠和空氣區域傳熱方程為

(1)

其中：τ為時間，s；Tg為溫度，K；ρg，kg和Cp,g分別為玻璃、二氧化硅氣凝膠和空氣的密度，kg·m-3，導熱系數(W·m-1·K-1)和比熱(J·kg-1·K-1)，ST為輻射源，W·m-3.

相變材料區域為

(2)

其中：H為相變材料比焓，J·kg-1；ρp和kp分別為相變材料的密度，kg·m-3和導熱系數，W·m-1·K-1.

(3)

β=0,T

(4)

(5)

β=1,T>Tl

(6)

其中，Tref為參考溫度，K；Ts與Tl分別為相變材料固相和液相溫度，K；c為相變材料比熱，J·kg-1·K-1；QL為相變材料相變過程的潛熱，J·kg-1；β為計算區域液相率.

源項ST傳熱方程為

(7)

輻射傳熱方程為

(8)

玻璃圍護結構最外層邊界條件如下.

(9)

其中：qrad為外玻璃層外表面與外界環境輻射換熱，W·m-2，hout、Tout和Ta,out分別為外層玻璃外表面對流換熱系數，W·m-2·K-1；Tout外層玻璃外表面溫度，K和Ta,out環境溫度，K.

與外界環境輻射換熱qrad計算如下：

qrad=qrad,air+qrad,sky+qrad,ground

(10)

其中，qrad,air、qrad,sky和qrad,ground分別為玻璃結構與大氣、天空和地面的輻射換熱量，W·m-2.

內層玻璃內表面邊界條件為

(11)

其中，hin、Tin和Ta,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.

中間材料層和內層玻璃交界處邊界條件：

(12)

Tg=TI

(13)

其中，Tg和TI分別為外側玻璃內表面溫度和中間材料層外表面溫度，K.

1.3 模型求解方法

基于有限體積法求解本文模型，其壓力-速度耦合方程選用SIMPLE算法，輻射傳熱采用DO模型.壓力采用PRESTO!離散求解，動量、能量及DO模型方程的離散格式分別為二階迎風、一階迎風、一階迎風.

采用三組網格數據驗證其獨立性：第一組玻璃填充層網格尺寸為40 mm×10 mm，室內空間網格尺寸為40 mm×40 mm，網格數為8 000；第二組玻璃填充層網格尺寸為20 mm×10 mm，室內空間網格尺寸為20 mm×10 mm，網格數為20 000；第三組玻璃填充層網格尺寸為20 mm×10 mm，室內空間網格采用內疏外密劃分方式，網格數為12 000.圖2為網格獨立性驗證結果，經過分析最終網格數選取12 000，其網格形式如圖3.

圖2 網格驗證結果

圖3 網格形式

采用文獻[13]中的算例驗證本文模型，圖4為驗證結果對比，本文模擬值與文獻平均相對偏差為6.03%，表明本文模型的可靠性.

圖4 模型驗證結果

2 分析與討論

計算條件：春季室內、室外溫度分別為18 ℃、20 ℃，太陽輻照為450 W·m-2，室內外對流換熱系數分別為8.7 W·m-2·K-1和15 W·m-2·K-1.夏季室內、室外溫度分別為26 ℃、38 ℃，太陽輻照為600 W·m-2，室內外對流換熱系數分別為8.7 W·m-2·K-1和19 W·m-2·K-1.計算初始溫度均為20 ℃.春季所用的相變材料融點為20～22 ℃，夏季所用相變材料融點為27～29 ℃，相變材料、二氧化硅氣凝膠、空氣和玻璃的物性參數如表1.

表1 材料光熱物性參數

由圖5(a)可知，同填充空氣、二氧化硅氣凝膠相比，玻璃圍護結構添加相變材料后，其內表面溫度分別降低1.50 K和3.54 K；中空玻璃圍護結構內表面溫度在0.5 h內達到穩定，氣凝膠玻璃圍護結構、相變玻璃圍護結構分別經歷1 h、2.8 h達到穩定，相變玻璃圍護結構內表面溫度達到穩定時間是氣凝膠、中空玻璃圍護結構的2.8、5.6倍，說明其熱惰性明顯強于其他兩類玻璃圍護結構.原因在于相變玻璃圍護結構內相變材料吸收太陽能，減少了輻射能直接進入室內的機會.

圖5 春季填充不同材料玻璃圍護結構性能曲線

由圖5(b)可知，同填充空氣、二氧化硅氣凝膠相比，玻璃圍護結構添加相變材料后其內表面峰值熱流的絕對值分別降低1.26 W·m-2和2.62 W·m-2.同時由圖可見，相變材料雖然吸收太陽能熔化但保持其在一定的溫度范圍波動，由于室內側表面溫度保持291.15 K造成相變玻璃圍護結構內表溫度降低而導致其熱流密度絕對值減小，從而造成如圖5(c)室內中點(高度為1.5 m，且與外窗水平距離為1.5 m)的溫度分布.由此可見，雖然太陽輻照相變玻璃圍護結構，但室內空氣溫度仍然在降低，從而說明玻璃圍護結構填充相變材料顯著提高其熱惰性，并有效改善室內側溫度調控力度.

圖6為A、E兩個監測點的溫差，其用來評估室內的溫度均勻性，如圖可知玻璃圍護結構填充相變材料后，其室內溫度均勻性明顯強于其他兩類玻璃圍護結構，在夏季則更加顯著，其室內溫度分布均勻性比中空玻璃圍護結構和氣凝膠玻璃圍護結構分別提升了73%和57%.

圖6 填充不同材料的玻璃圍護結構室內A、E兩點的溫差

3 結論

本文建立了雙層玻璃圍護結構建筑熱分析模型，研究空氣、二氧化硅氣凝膠、相變材料等填充物對玻璃圍護結構蓄能特性的影響，并進一步分析其對室內熱環境的影響，得到如下結論：

(1)玻璃圍護結構添加相變材料后其內表面溫度達到穩定的時間明顯增加，在相同條件下相變玻璃圍護結構內表面溫度達到穩定時間分別為氣凝膠玻璃圍護結構、中空玻璃圍護結構的2.8倍和5.6倍，說明相變玻璃圍護結構蓄能效果增強；

(2)玻璃圍護結構填充相變材料后，其內表面溫度和熱流密度均明顯降低，在相同條件下，同二氧化硅氣凝膠玻璃圍護結構、中空玻璃圍護結構相比其內表面溫度分別降低1.50 K和3.54 K，內表面峰值熱流分別降低1.26 W·m-2和2.62 W·m-2；

(3)玻璃圍護結構填充相變材料后，由于其蓄能效果和熱惰性能提升，導致其室內溫度分布更加均勻；同二氧化硅氣凝膠玻璃圍護結構、中空玻璃圍護結構相比，其溫度分布均勻性分別升高73%和57%，使其室內熱舒適程度明顯改善.