含石蠟相變玻璃窗在新疆地區(qū)節(jié)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(qū)采暖能耗巨大，推進嚴寒地區(qū)建筑節(jié)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(huán)節(jié)[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(nèi)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(qū)，冬季寒冷且漫長，然而當?shù)厝照粘渥?，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(nèi)外學者對相變玻璃窗的節(jié)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(tǒng)窗戶在冬、夏和過渡季節(jié)室內(nèi)能耗狀況，結果表明含石蠟相變玻璃窗更節(jié)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(diào)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(qū)的動態(tài)調(diào)溫與節(jié)能特性，相比于中空玻璃窗，相變玻璃窗內(nèi)壁面溫度降低，通過相變玻璃窗進入室內(nèi)的熱量減少。李棟等[10]在嚴寒地區(qū)開展了含石蠟玻璃幕墻傳熱實驗研究，發(fā)現(xiàn)幕墻夾層填充石蠟可明顯提升實驗房內(nèi)熱舒適性。孫高峰[11]分析了建筑中應用相變玻璃窗的經(jīng)濟性并對其全年節(jié)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(nèi)冷熱負荷。然而，相變玻璃窗節(jié)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(tài)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(jié)能潛力，為該項技術在新疆地區(qū)的應用推廣提供理論依據(jù)。

1 數(shù)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(wěn)態(tài)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(jié)能窗分成三個計算區(qū)域：外玻璃層、石蠟層、外玻璃層。如圖 2 所示。玻璃區(qū)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(qū)[12]

石蠟區(qū)能量方程

(2)

式中ρ和λ——密度和導熱系數(shù)；

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(huán)境的輻射換熱量；

hout、Tout——玻璃層1外表面的對流換熱系數(shù)和溫度；

Ta,out——室外環(huán)境溫度。

玻璃層2內(nèi)表面邊界條件如下[12]

(10)

式中hin、Tin——玻璃層2內(nèi)表面的對流換熱系數(shù)和溫度；

Ta,in——室內(nèi)環(huán)境溫度；

ε——玻璃表面發(fā)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(shù)據(jù)對模擬程序的計算結果進行了驗證。詳細內(nèi)容請參見文獻[12]。

2 結果與分析

2.1 參數(shù)設定

玻璃的厚度為6 mm，發(fā)射率為0.88，分別選用18 ℃、26 ℃、32 ℃熔點石蠟，材料的物性參數(shù)如表1所示。玻璃內(nèi)外表面對流換熱系數(shù)分別為7.75 W/m2·K和7.43 W/m2·K。根據(jù)烏魯木齊市當?shù)厍闆r，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(huán)境溫度和太陽輻射強度。冬季和夏季室內(nèi)溫度為18℃和26℃。

表1 材料熱物性參數(shù)[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(nèi)表面溫度升高。隨著石蠟熔點溫度升高，內(nèi)表面峰值溫度隨之升高。18℃、26℃熔點時內(nèi)表面溫度全天變化更平緩，室內(nèi)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(tài)石蠟吸收系數(shù)高于液態(tài)石蠟吸收系數(shù)，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(nèi)表面溫度高于無相變層的情況，峰值溫差接近10℃，出現(xiàn)在12:00。熔點溫度對內(nèi)表面溫度有一定影響，但在9:00～17:00之間，三種熔點內(nèi)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)能效果較好，節(jié)能率均接近20%。其中18 ℃熔點石蠟玻璃窗的透光性更優(yōu)。

圖3 典型日環(huán)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(jié)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(nèi)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(xiàn)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(nèi)表面溫度的影響更加顯著。隨著相變層厚度增加，玻璃內(nèi)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(jié)能效果比較，表中的節(jié)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(jié)能率顯著提高。兼顧玻璃窗透光性和節(jié)能性的雙重需要，填充石蠟層的厚度應選用12～15 mm，全年節(jié)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(jié)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(nèi)表面溫度升高，冬夏均有顯著的節(jié)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(nèi)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(jié)能效果影響顯著。兼顧透光性和節(jié)能性，新疆地區(qū)推薦采用18 ℃熔點、12 mm厚石蠟層，冬夏季節(jié)能率分別為24.77%和14.37%，全年節(jié)能率為19.93%。