相變材料復合熱致變色玻璃夏季隔熱性能研究

■ 金 倩 JIN Qian 龍翔宇 LONG Xiangyu 梁潤琪 LIANG Runqi

0 引言

目前，全球建筑能源消耗已占總能源消耗量的40%。2000—2017年，我國建筑能源消費總量年均增長7.25%。到2017 年，建筑能源消費總量為9.47 億噸標準煤，占全國能源消費總量的21.10%[1]。歐美國家已經將建筑節能減排作為實現可持續發展的重要目標[2-3]。2020 年 9 月，我國在第75 屆聯合國大會一般性辯論上提出：中國的CO2排放力爭于2030 年前達到峰值，爭取2060 年前實現碳中和。我國碳減排工作已經進入總量控制階段，而建筑節能將是我國實現“碳中和”目標的關鍵領域。

智能建筑表皮能夠隨室內外環境的變化而調節自身某些性能，從而在適應不斷變化的氣候環境的基礎上，有效提高建筑室內舒適度并有效降低建筑能耗。熱致變色玻璃和相變材料都屬于可以應用于智能建筑表皮的材料。這兩種材料的共同點是可以隨溫度變化而改變自身的光學或熱學性能，且不需其他能源的消耗，是可以用于被動式節能的理想表皮材料。

熱致變色玻璃可隨溫度的變化而改變太陽輻射透過率，二氧化釩VO2鍍膜玻璃是其中一個典型代表。VO2作為一種熱敏材料，可以從低溫半導體單斜晶相到高溫金屬導體相實現可逆的變化，兩相狀態下的材料呈現出不同的光學特性。Long 和Ye（2014）[4]利用實驗測試與建筑能耗模擬相結合的方法，從節能的角度提出了VO2熱致變色玻璃光學屬性的設計目標。梁潤琪等[5]通過EnergyPlus 仿真模擬，從采光和節能兩個方面對熱致變色玻璃和電致變色玻璃進行了對比分析。

相變材料可以吸收或釋放大量潛熱，從而改變自身的物質狀態，但保持溫度相對恒定，這種特殊的物理性能，使得材料可以在一定范圍內成為能量的“載體”。Gowreesunker 等（2013）[6]將雙層玻璃內充滿相變材料，通過實驗和數值模擬相結合的方式，研究了該相變玻璃的光學和熱學性能，研究發現，相變材料在相變過程中可以利用自身潛熱，有效提升雙層玻璃的熱學性能，但在相變材料完全變為液態后，需要避免因過度吸熱造成室內過熱的現象。Liu等（2016）[7]采用有限差分法對夾有相變材料雙層天窗玻璃的熱學性能進行了數值分析，量化了相變材料的厚度和消光系數對室內得熱量和溫度變化的影響。Li 等（2018）[8]通過數值模擬，研究了三層相變保溫玻璃在冬季和夏季的熱學性能，發現該玻璃在夏季可將能耗降低達32.8%，并有效防止過熱現象，且在冬季的保溫效果明顯。

將熱致變色玻璃和相變材料相結合作為圍護結構的研究并不多見。Long 等（2014）[9]首次對熱致變色玻璃和含有相變材料的不透明外墻板進行組合，并通過實驗證明了，將這兩種材料組合應用在制冷季節可明顯改善室內熱舒適度。Bianco 等（2017）[10]將熱致變色玻璃與相變材料結合制成三層保溫玻璃，利用室外物理實驗研究，發現在意大利氣候條件下，相對于普通三層玻璃，此種玻璃可將夏季制冷負荷降低約1/3，并能明顯提高室內熱舒適度，但此研究沒有給出相應的模擬方法。本文利用帶有VO2涂層的熱致變色玻璃和相變材料進行組合，形成5 種復合玻璃。運用Fluent 軟件，建立這5 種玻璃的熱學數值模型，并以南向玻璃窗為例，對這些復合玻璃窗應用于上海氣候條件下的典型辦公室南立面時的夏季的節能效果進行對比分析。

1 模型建立

在雙層和三層保溫玻璃的基礎上，引入熱致變色玻璃和相變材料，形成了5 種可用于建筑圍護結構透光/半透光部分的復合玻璃。本節主要包括對這5種玻璃窗的物理模型描述，以及相變材料和熱致變色玻璃的物理性能參數的計算過程。

1.1 物理模型

如圖1 所示，本文對以下5 種復合玻璃進行模擬分析，其中包括：G1-雙層中空low-e 保溫玻璃；G2-雙層普通玻璃空腔內充滿相變材料；G3-雙層玻璃，外側為熱致變色玻璃，內側為普通玻璃；G4-雙層玻璃空腔內充滿相變材料，外側玻璃為熱致變色玻璃，內側玻璃為普通玻璃；G5-三層玻璃保溫玻璃，外層空腔內充滿相變材料，內外側玻璃為普通玻璃，中層玻璃為low-e 玻璃。復合玻璃的平面尺寸為0.2 m× 0.2 m，所有玻璃厚度均為6 mm，相變材料層為16 mm，空氣層為10 mm。

圖1 復合玻璃構造示意圖（右側為室外，左側為室內）

1.2 相變材料物理參數假設與計算

相變材料選取自RUBITHERM?GmBH生產的RT27有機石蠟[11]，該材料的相變溫度在25～28℃之間，潛熱為184 kJ/kg。綜合考慮到相變材料需要達到一定量才能發揮明顯作用，但需要控制玻璃總重量，因此，根據實驗研究[6]，取相變材料層厚度為16 mm，材料折射率為1.3，傳熱系數為0.2 W/mK，比熱容取為4.81 kJ/kgK。

相變材料黏滯率ν（Pa·s）按公式（1）[12]計算：

其中，T為材料溫度（℃）。

密度ρ（kg/m3）按公式（2）[13]計算：

其中，β為液相比，按公式（3）計算：

σa和σs分別為吸收系數和散射系數，也是需要輸入Fluent 的重要參數，本研究中按照如下方法計算：

材料的光學厚度d可由公式（4）[6]計算得到：

其中，s為材料的厚度。

同時，根據定義，可得消光系數：

且根據朗伯比爾定律可得：

其中，τPCM為相變材料的太陽輻射透過率。

由（4）（5）（6）可得：

由參考文獻[6]可知，對于相變材料RT27 在液相和固相的消光系數σε，liq和σε，sol分別為4/m 和29.4/m，因此，可由公式（7）計算得到RT27在液態和固態下的太陽輻射透射率τliq和τsol分 別 為0.86 和0.34。由公式（8）和（9）計算得到該材料在任意溫度下的吸收系數σa。

同時，由公式（10）可計算得到任意溫度下的消光系數

任意溫度下的散射系數σs則可由公式（5）計算獲得。

1.3 玻璃相關物理參數假設與計算

外層玻璃為6 mm 厚以VO2為基底的熱致變色納米顆粒鍍膜玻璃，轉變溫度為28℃，變色溫度區間為6℃[14]。內層玻璃為6 mm 普通玻璃。兩種玻璃的太陽輻射反射率、透射率和吸收率見表2。熱致變色玻璃和普通玻璃的密度均取2 500 kg/ m3，比熱容取840 J/kgK，導熱系數為1.3 W/ mK，折射率為1.5，不考慮散射。普通玻璃表面發射率取0.85，low-e 玻璃發射率取0.03。

表2 熱致變色玻璃和普通玻璃的太陽輻射熱相關系數

2 數值模型

運用Fluent 軟件，對以上5 種復合玻璃，在上海氣候條件下應用于南向辦公建筑時的熱學性能進行模擬。

2.1 幾何模型

采用Fluent 軟件進行二維傳熱模擬。利用DesignModeller 進行幾何建模，網格單元大小為1 mm×1 mm，劃分網格后將模型（圖2）數據導入Fluent 進行計算設置。

圖2 網格劃分后的相變材料復合三層保溫玻璃模型

2.2 邊界條件設置

采用上海典型氣象年數據，分別選取上海8 月晴朗（日平均天空覆蓋率為均0）和陰天兩日（日平均天空覆蓋率為95%）進行模擬。假定室外無遮擋，將天氣數據中的太陽總輻射轉化成南立面太陽輻射。室外空氣溫度和南立面太陽總輻射如圖3所示。晴天工況日平均氣溫為28.8℃，最高氣溫達到32.4℃，夜間溫度最低為25.6℃，南立面太陽總輻射最大值為384 W/m2。陰天工況日平均氣溫為25.4℃，最高氣溫為29.3℃，夜間溫度最低為22.2℃，南立面太陽總輻射最大值為114.5 W/m2。

圖3 室外空氣溫度與南立面太陽總輻射量

玻璃的室內、外表面換熱系數分別 取8.7 W/m2K 和19 W/（m2K）[15]。室內空氣溫度為25℃。玻璃與相變材料所吸收的太陽輻射，由入射到材料表面的太陽輻射量和各材料的太陽輻射吸收率相乘獲得，并以熱源形式加到相應材料層。相變材料的反射忽略。

2.3 求解模型

采用二維、非穩態求解器，對于包含相變材料的玻璃模型使用凝固/融化模型。對于G1～G4 選擇SIMPLEC 算法，G5 選擇Coupled 算法，數學方程選用二階迎風格式，能量松弛因子設為0.9，密度松弛因子設為0.7，以促進收斂。計算時間步長度為5 min。考慮前一日天氣條件的影響，在模擬時將開始計算的時間提前至前一日的20:00。

3 計算結果分析

本節通過對晴天和陰天兩種工況下的不同復合玻璃的隔熱性能的對比分析，研究熱致變色玻璃和相變材料隨室外溫度和太陽輻射的變化對室內得熱的調節作用，進而對不同復合玻璃的節能效果進行量化。

3.1 晴天工況

由圖4 和圖5 可知，與G1 相比，含有熱致變色玻璃的G3 對太陽輻射的透射率更低，但對太陽輻射的吸收率較高，G3 的室內、外玻璃的表面溫度均高于G1，進而導致室內玻璃對室內空氣的輻射和對流傳熱增大。但是，從室內總得熱的角度看，直接透射的太陽輻射熱仍占主導作用，且由于普通玻璃的太陽輻射透射率高于熱致變色玻璃，因此，帶有熱致變色玻璃的組合隔熱效果更佳。

圖4 保溫玻璃室內外表面溫度變化（晴天）

在上午室外溫度和太陽輻射升高的過程中，G2、G4 和G5 中的相變材料，將部分得熱轉化為自身潛熱，從而延緩室內玻璃溫度的升高速率。結合圖6 可知，在中午12:00 后，相變材料全部由固體轉化為液體，因此，12:00 之 后，G2、G4 和G5 的 室 內玻璃溫度升高速率明顯加快。由于晴天工況下，下午的室外氣溫和太陽輻射量均很大，因此，相變材料在晚上19:00 之前都處于液態。19:00 之后相變材料開始逐漸降溫凝固，部分潛熱被傳遞到室內，G2、G4 和G5 在晚間的室內得熱更多，但總體的熱量數值比較小。另外，G2、G4 和G5 將室內總得熱的高峰延后了1 h（圖5）。

圖5 太陽輻射透過量和室內總得熱量（晴天）

圖6 相變材料層的平均溫度和液相比（晴天）

在雙層玻璃的組合中，室內得熱最低的是G4，其峰值較G1 降低了23%，由室內總得熱量曲線對時間求積分，可計算得到全天室內得熱量相對G1 降低約23%。在所有玻璃組合中，G5 的室內得熱最低，峰值較G1降低了37%，全天室內得熱量降低了35%。

3.2 陰天工況

與晴天工況相比，陰天工況下，含有相變材料的玻璃室內外表面溫度比不含有相變材料的玻璃更低（圖7），這是由于，一方面，陰天時太陽輻射總量大幅減少，不到晴天工況的1/3，熱致變色玻璃吸收的太陽輻射熱減少；另一方面，略低的室外空氣溫度條件，使得相變材料不像晴天時上午溫度迅速升高并整個下午都完全處于液態，而是一直處于固液混合的狀態（圖9），從而更好地利用潛熱發揮隔熱作用。由圖9 可知，相變材料的潛熱在陰天工況下的最大利用率為70%～80%。與晴天工況類似，在16:00 之后至晚間，相變材料在融化過程中，將部分潛熱釋放到室內，因此，這段時間含有相變材料的玻璃，尤其是G2 和G4 的室內得熱量較高。G5 因為空氣層的隔熱作用，因此，室內的熱量明顯低于G2 和G4，但仍高于G1。

圖7 保溫玻璃室內外表面溫度變化（陰天）

圖8 太陽輻射透過量和室內總得熱量（陰天）

圖9 相變材料層液相比（陰天）

在陰天工況下，G2、G4 和G5中的熱致變色玻璃在太陽輻射不為零的時間段均處于變色溫度區間，即25～31℃。這使得這三種玻璃的太陽輻射透過率表現出更加活躍的變化，而在晴天工況下，這三種玻璃的熱致變色玻璃在10:00—11:00 之間與18:00—19:00 之間均處于完全變色狀態。

與晴天工況類似的是，在雙層玻璃的組合中，室內得熱量最低的是G4，其峰值較G1 降低了21.2%，全天室內得熱量降低了25%。而在所有玻璃組合中，G5 的室內得熱量最低，峰值較G1 降低了40.0%，全天室內得熱量降低了49%。

4 結語

本文將熱致變色玻璃和相變材料進行組合，形成具有熱惰性和遮陽效果的保溫玻璃。采用有限體積法，利用Fluent 軟件，對上海地區夏季天氣情況下南向玻璃的隔熱性能展開模擬與對比分析。在晴天和陰天工況下，相變材料和熱致變色玻璃的組合均能通過潛熱的吸收和釋放，以及對太陽輻射透過率的控制有效降低室內空調負荷，其中三層保溫玻璃效果更佳，可將室內得熱量的峰值降低至雙層low-e 保溫玻璃的60%，并能夠明顯改變峰值對應時間。全天室內得熱量在陰天工況下更明顯，約為雙層low-e 保溫玻璃的一半，晴天工況下也可降低約35%。