含石蠟相變玻璃窗在新疆地區節能潛力分析

張 姝,王澤美,高 夢,李 棟,馬鵬博

(東北石油大學 土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163318)

當前我國建筑能耗約占社會總能耗三分之一，嚴寒地區采暖能耗巨大，推進嚴寒地區建筑節能具有重要意義[1-2]。玻璃窗具有采光、通風、隔熱多種功能，但其高透光性和低熱惰性特點，導致其成為建筑保溫最薄弱環節[3]。有學者提出在中空玻璃窗中添加石蠟材料，白天石蠟相變蓄存太陽能熱量，夜晚再將其釋放出來，不但可以提高室內熱舒適性，還可以降低房間冷熱負荷[4]。新疆位于我國嚴寒地區，冬季寒冷且漫長，然而當地日照充足，年輻射總量達5 430～6 670 MJ/m2，尤其適合采用相變玻璃窗[5]。

近二十年，國內外學者對相變玻璃窗的節能效果開展了大量研究。Ismail等[6]研究了雙層相變玻璃窗光熱傳輸特性，得出了增加相變材料后得熱量降低，透光率降低的結論。Goia等[7]研究含石蠟相變玻璃窗和傳統窗戶在冬、夏和過渡季節室內能耗狀況，結果表明含石蠟相變玻璃窗更節能。羅慶等[8]通過對比試驗測試了雙層相變玻璃窗與普通中空玻璃窗的傳熱特性，結果表明相變玻璃窗的調溫性能比普通中空玻璃窗好。鐘克承[9]等研究了相變玻璃窗在南京地區的動態調溫與節能特性，相比于中空玻璃窗，相變玻璃窗內壁面溫度降低，通過相變玻璃窗進入室內的熱量減少。李棟等[10]在嚴寒地區開展了含石蠟玻璃幕墻傳熱實驗研究，發現幕墻夾層填充石蠟可明顯提升實驗房內熱舒適性。孫高峰[11]分析了建筑中應用相變玻璃窗的經濟性并對其全年節能效果進行評價。

上述研究表明，玻璃窗填充相變材料可有效改善其隔熱和透光性能，減小室內冷熱負荷。然而，相變玻璃窗節能效果受室外氣象條件、石蠟熔點及厚度等多方面因素影響。為此，在烏魯木齊的氣象條件下，本文利用前期研究建立的相變玻璃窗一維瞬態模型，對冬季和夏季相變玻璃窗的傳熱性能進行模擬，分析熔點溫度和石蠟厚度的影響，研究相變玻璃窗的節能潛力，為該項技術在新疆地區的應用推廣提供理論依據。

1 數理模型

圖1為含石蠟相變玻璃窗的物理模型。對模型進行如下假設[12]：(1)一維非穩態傳熱；(2)忽略石蠟對流；(3)石蠟層僅通過短波輻射；(4)玻璃和石蠟各向同性；(5)忽略石蠟散射。

將節能窗分成三個計算區域：外玻璃層、石蠟層、外玻璃層。如圖 2 所示。玻璃區能量方程[12]

(1)

式中t——時間；

T——溫度；

a——熱擴散率；

φ——源項；

小角標g——玻璃。

圖1 含石蠟相變玻璃窗物理模型[12]

圖2 含石蠟雙層玻璃窗計算分區[12]

石蠟區能量方程

(2)

式中ρ和λ——密度和導熱系數；

小角標p——石蠟;

H——比焓，可由下式計算

(3)

(4)

式中Tref——參考溫度；

cp和γ——石蠟比熱和相變潛熱；

ω——液相率；

Ts和Tl——石蠟固相和液相溫度。

源項計算式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中I0——太陽輻射強度；

τ——透射率；

α——吸收率；

L——厚度。

玻璃層1外表面邊界條件為[12]

(9)

式中qrad——玻璃層1外表面與外界環境的輻射換熱量；

hout、Tout——玻璃層1外表面的對流換熱系數和溫度；

Ta,out——室外環境溫度。

玻璃層2內表面邊界條件如下[12]

(10)

式中hin、Tin——玻璃層2內表面的對流換熱系數和溫度；

Ta,in——室內環境溫度；

ε——玻璃表面發射率。

上述控制方程及邊界條件方程通過顯示有限差分算法進行求解，利用Fortran 6.0軟件編制計算程序，并利用實驗數據對模擬程序的計算結果進行了驗證。詳細內容請參見文獻[12]。

2 結果與分析

2.1 參數設定

玻璃的厚度為6 mm，發射率為0.88，分別選用18 ℃、26 ℃、32 ℃熔點石蠟，材料的物性參數如表1所示。玻璃內外表面對流換熱系數分別為7.75 W/m2·K和7.43 W/m2·K。根據烏魯木齊市當地情況，選取冬季計算時間為10月15日至次年4月14日，夏季計算時間為6月15日至8月31日，冬季典型日1月20日，夏季典型日7月18日。圖3為夏季和冬季典型日環境溫度和太陽輻射強度。冬季和夏季室內溫度為18℃和26℃。

表1 材料熱物性參數[13]

2.2 有無相變層及石蠟熔點的影響

為分析有無相變材料及相變溫度的影響，設定空氣層厚度為12 mm，石蠟熔點分別為18 ℃、26 ℃、32 ℃。圖4為冬季四種情況下玻璃窗的傳熱性能曲線。從圖4(a)可以看到，在8:00～17:00之間，四種情況太陽能得熱量有明顯差異，無相變層時最大，有相變層時隨著熔點溫度升高，太陽能得熱量隨之降低，不利于降低冬季采暖能耗。從圖4(b)可以看到，添加石蠟相變層使玻璃內表面溫度升高。隨著石蠟熔點溫度升高，內表面峰值溫度隨之升高。18℃、26℃熔點時內表面溫度全天變化更平緩，室內舒適性更好。

圖5為夏季四種情況下玻璃窗的傳熱性能曲線。從圖5(a)可以看到，在6:00～21:00，無相變層時太陽能得熱量大于有相變層情況。隨著熔點溫度升高，石蠟開始融化的時間延后，凝固的時間提前。當完全融化為液體之后，太陽能得熱量基本一致。石蠟熔點越高，太陽能總得熱量越少。這是因為固態石蠟吸收系數高于液態石蠟吸收系數，隨著熔點溫度升高，吸收的太陽能增加，透過的太陽能減少。從圖5(b)可以看到，有相變層時內表面溫度高于無相變層的情況，峰值溫差接近10℃，出現在12:00。熔點溫度對內表面溫度有一定影響，但在9:00～17:00之間，三種熔點內表面溫度基本一致。

表2為冬季和夏季四種情況下玻璃窗的節能效果比較。從表中可以看到，冬季填充相變層后，太陽能得熱量和總失熱量都減小，并且隨著熔點溫度升高，節能率降低。夏季填充相變層后，太陽能得熱量和總得熱量都減小，并且隨著熔點溫度升高，節能率升高。綜合冬夏總耗能情況，填充18 ℃和26 ℃熔點石蠟的玻璃窗節能效果較好，節能率均接近20%。其中18 ℃熔點石蠟玻璃窗的透光性更優。

圖3 典型日環境溫度和太陽輻射逐時變化

圖4 冬季中間空氣層和不同熔點石蠟層玻璃窗傳熱性能

表2 冬季和夏季中間空氣層和不同熔點石蠟層玻璃窗節能效果比較

2.3 石蠟厚度的影響

為分析不同相變層厚度的影響，設置石蠟相變溫度為26 ℃，填充層厚度分別為6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm。圖6為冬季五種厚度石蠟層玻璃窗的傳熱性能曲線。從圖6(a)可以看到，在8:00～17:00之間，隨著相變層厚度增加，太陽能得熱量隨之減小。從圖6(b)可以看到，隨著相變層厚度增加，內表面溫度升高，達到峰值點的時間延后。

圖7為夏季五種厚度石蠟層玻璃窗的傳熱性能曲線。從圖7(a)可以看到，太陽得熱量出現在5:00～20:00之間。隨著相變層厚度增加，太陽能得熱量降低。從圖7(b)可以看到，與冬季相比，夏季相變層厚度對玻璃內表面溫度的影響更加顯著。隨著相變層厚度增加，玻璃內表面溫度隨之增加，并且波動幅度更大。

表3為冬季和夏季五種厚度石蠟層玻璃窗的節能效果比較，表中的節能率仍然以12 mm空氣層的普通中空玻璃窗為基準進行計算。從表中可以看到，相變層厚度變化對太陽能得熱量及能耗影響較大。隨著相變層厚度增加，太陽能得熱量降低，冬夏能耗均隨之減小、節能率顯著提高。兼顧玻璃窗透光性和節能性的雙重需要，填充石蠟層的厚度應選用12～15 mm，全年節能率在19.71%～24.54%之間。

圖5 夏季中間空氣層和不同熔點石蠟層玻璃窗傳熱性能

圖6 冬季不同厚度石蠟層玻璃窗傳熱性能

表3 冬季和夏季不同厚度石蠟層玻璃窗節能效果比較

圖7 夏季不同厚度石蠟層玻璃窗傳熱性能

3 結論

(1)在中空玻璃窗中填充石蠟后，太陽能透射率降低，內表面溫度升高，冬夏均有顯著的節能效果。

(2)石蠟熔點和石蠟厚度對玻璃窗的光熱傳遞均有一定影響。熔點在冬季的影響更加明顯，熔點越低相變時段越長，內表面溫度變化越平緩。厚度增加導致玻璃窗蓄熱容量增大，太陽能透射率降低。

(3)石蠟熔點和石蠟厚度對玻璃窗的節能效果影響顯著。兼顧透光性和節能性，新疆地區推薦采用18 ℃熔點、12 mm厚石蠟層，冬夏季節能率分別為24.77%和14.37%，全年節能率為19.93%。