通風(fēng)相變雙層玻璃幕墻的隔熱性能研究＊

肖陽，許志慧，田耀月，張可凡，宋小生，蔣達(dá)華

（江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

隨著中國城市建設(shè)發(fā)展，越來越多的高層和地標(biāo)建筑開始采用雙層玻璃幕墻美化景觀、提升建筑舒適度。雙層玻璃幕墻不僅對建筑的室內(nèi)光環(huán)境有一定影響，作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，它直接影響著建筑的供暖和空調(diào)能耗[1]。玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計從玻璃材質(zhì)、型材和遮陽系統(tǒng)等方面進(jìn)行選擇，根據(jù)外界氣候環(huán)境的變化，自動調(diào)節(jié)玻璃幕墻的保溫、遮陽和通風(fēng)系統(tǒng)[2]。含半透明相變材料的幕墻是一種新型建筑節(jié)能技術(shù)，是傳統(tǒng)型玻璃幕墻的改良版，其原理是將內(nèi)置遮陽卷簾替換為封裝石蠟類半透明相變材料百葉，百葉可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以充分吸收部分光譜下的太陽能而達(dá)到蓄熱目的[3-5]。相變材料具有體積小、造價低廉、儲能密度大、節(jié)能效果明顯、相變溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度控制、廢熱和余熱回收、太陽能儲存等領(lǐng)域[6]。本文提出一種基于相變材料的通風(fēng)散熱雙層玻璃幕墻，并研究了其散熱性能。

1 設(shè)計方案

太陽能通風(fēng)相變散熱雙層玻璃幕墻主要由雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)、太陽能發(fā)電集熱百葉結(jié)構(gòu)、玻璃百葉通風(fēng)口結(jié)構(gòu)、半透明石蠟相變材料蜂窩結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成[7]。

幕墻結(jié)構(gòu)如圖1 所示，從圖中可以看出，雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)由外側(cè)單層玻璃和內(nèi)側(cè)雙層玻璃組成。為使玻璃幕墻更美觀，外側(cè)單層玻璃采用鋼化玻璃并通過支架固定在建筑墻體外側(cè)；內(nèi)側(cè)雙層玻璃采用雙層Low-E 玻璃（低輻射玻璃）并采取類似固定落地窗的形式固定在建筑墻體內(nèi)側(cè)，且內(nèi)嵌半透明石蠟相變材料。外側(cè)單層玻璃與內(nèi)側(cè)雙層玻璃之間形成30～50 cm厚的空氣夾層。在雙層玻璃幕墻中間填充半透明石蠟相變材料，采用蜂窩結(jié)構(gòu)；并采用十八烷石蠟，它在27 ℃時為固態(tài)，32 ℃時為液態(tài)，在夏季吸收室內(nèi)熱量，達(dá)到冷卻目的，在冬季具有一定的蓄熱保溫作用，與太陽能通風(fēng)裝置結(jié)合，在一定程度上強(qiáng)化了相變散熱效果。

圖1 幕墻結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)分析

本次實(shí)驗(yàn)利用模型進(jìn)行了2 組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一主要由單層玻璃和雙層中空玻璃組成，單層玻璃安裝在外側(cè)，雙層中空玻璃安裝在內(nèi)側(cè)，2 面玻璃之間存在空氣夾層，空氣熱阻大，能起到很好的隔熱效果，而雙層中空玻璃能進(jìn)一步加強(qiáng)隔熱效果。將2 面單層玻璃間隔一定距離粘在一起，制成雙層中空玻璃，按1∶100比例制作封閉式雙層玻璃幕墻模型，如圖2 所示。利用室內(nèi)加熱器在距離模型1 m 處進(jìn)行照射，對模型進(jìn)行加熱，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溫度及溫差變化圖對其隔熱效果進(jìn)行分析，如圖3 所示。

圖2 封閉式雙層玻璃幕墻模型示意圖

圖3 封閉式雙層玻璃幕墻內(nèi)外側(cè)溫度及溫差隨時間變化曲線

由圖3 可知，玻璃幕墻內(nèi)外側(cè)初始溫度分別為23.1 ℃和23.3 ℃。隨著室內(nèi)加熱器照射時長的增加，內(nèi)外側(cè)溫度均逐漸上升，但玻璃幕墻外側(cè)溫度相對于內(nèi)側(cè)溫度而言，上升速度更快。28 min 后，內(nèi)側(cè)溫度穩(wěn)定在25.2 ℃左右，外側(cè)溫度穩(wěn)定在33.2 ℃左右。

實(shí)驗(yàn)二主要由單層玻璃和雙層玻璃（內(nèi)置石蠟）組成，單層玻璃安裝在外側(cè)且上下方均有通風(fēng)孔，雙層玻璃安裝在內(nèi)側(cè)，2 面玻璃之間存在空氣夾層。開啟通風(fēng)口5、6，閉合通風(fēng)口7、8，在熱壓作用下，外界較冷的空氣從下通風(fēng)孔進(jìn)入空氣夾層，空氣夾層中較熱的空氣則從上通風(fēng)孔排除，通過空氣不斷循環(huán)，帶走空氣夾層的熱量，而雙層玻璃由于內(nèi)置石蠟?zāi)苓M(jìn)一步加強(qiáng)隔熱效果，且溫度達(dá)到石蠟熔點(diǎn)時，可以吸收雙層玻璃內(nèi)側(cè)熱量。按1∶100 比例制作外循環(huán)式雙層玻璃幕墻模型，如圖4 所示。利用室內(nèi)加熱器在距離模型1 m 處進(jìn)行照射，對模型進(jìn)行加熱，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制溫度及溫差變化圖對其隔熱效果進(jìn)行分析，如圖5 所示。

圖4 外循環(huán)式雙層玻璃幕墻（內(nèi)置石蠟）模型示意圖

圖5 外循環(huán)式雙層玻璃幕墻內(nèi)外側(cè)溫度及溫差隨時間變化曲線

由圖5 可知，外循環(huán)式雙層玻璃幕墻（內(nèi)置石蠟）內(nèi)外側(cè)初始溫度分別為21.8 ℃和22.1 ℃。隨著室內(nèi)加熱器照射時長的增加，內(nèi)外側(cè)溫度均逐漸上升，但玻璃幕墻外側(cè)溫度相對于內(nèi)側(cè)溫度而言，上升速度更快。28 min 后，內(nèi)外側(cè)溫度趨于穩(wěn)定，內(nèi)側(cè)溫度穩(wěn)定在24.5 ℃左右，外側(cè)溫度穩(wěn)定在29.7 ℃左右。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，封閉式雙層玻璃幕中，當(dāng)雙層玻璃幕墻內(nèi)外側(cè)溫度趨于穩(wěn)定時，內(nèi)側(cè)溫度比外側(cè)溫度低4.2 ℃左右；外循環(huán)通風(fēng)模式下，當(dāng)雙層玻璃幕墻內(nèi)外側(cè)溫度趨于穩(wěn)定時，內(nèi)側(cè)溫度比外側(cè)溫度低5 ℃左右。研究表明，雙層玻璃幕墻在夏季具有較好的隔熱散熱效果，對降低建筑物用于制冷供暖能耗起到了輔助作用，具有一定的節(jié)能作用。

3 結(jié)論

將雙層玻璃幕墻與太陽能百葉窗相結(jié)合，通過不同的通風(fēng)口組合，實(shí)現(xiàn)了各個季節(jié)無風(fēng)感室內(nèi)空氣循環(huán)；在雙層玻璃幕墻中間添加石蠟半透明相變材料，采用蜂窩結(jié)構(gòu)，加大了利用空間并增強(qiáng)了穩(wěn)固性，相變材料可以強(qiáng)化換熱，更好地帶走室內(nèi)熱量；通過通風(fēng)散熱及集熱金屬保溫，有效改善室內(nèi)溫度，節(jié)約了空調(diào)所需消耗的能源，且設(shè)置了自動調(diào)節(jié)太陽能百葉，可根據(jù)室外光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元角度進(jìn)行遮陽。