相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能特性及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)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(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

建筑能耗在社會(huì)總能耗中占比超過30%且持續(xù)增加[1]，發(fā)展低能耗建筑是降低建筑能耗、實(shí)現(xiàn)建筑領(lǐng)域碳中和的重要手段.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是影響建筑能耗的重要部位，也是影響發(fā)展低能耗建筑的重要環(huán)節(jié).玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)透光性強(qiáng)、傳熱系數(shù)大，是改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重要關(guān)注部位[2].

在玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhǎng)其使用壽命[8].部分學(xué)者研究了填充保溫材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)其比與傳統(tǒng)雙層玻璃窗保溫更好.部分學(xué)者研究了適用于玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)的相變材料[11]，并在玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)填充，通過相變吸放熱實(shí)現(xiàn)太陽能光熱利用[12-13].作者團(tuán)隊(duì)[14-15]前期發(fā)現(xiàn)含相變材料玻璃結(jié)構(gòu)存在一定的太陽能蓄熱效果，可使外界影響室內(nèi)傳熱峰值減小和延遲.現(xiàn)有研究成果表明玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(guān)含相變材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能過程對(duì)建筑內(nèi)部熱環(huán)境影響研究較少.

本文以玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能特性調(diào)控為研究目標(biāo)，建立了填充多種材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能特性的影響，并進(jìn)一步研究了其對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響.

1 數(shù)理模型

1.1 物理模型

如圖1，研究對(duì)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(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1(b).填充材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要分為三部分，內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成室內(nèi)得熱量.室外側(cè)玻璃外表面與外部環(huán)境、室內(nèi)側(cè)玻璃內(nèi)表面與室內(nèi)空間均發(fā)生對(duì)流與輻射的耦合換熱.

圖1 傳熱模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：

(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(yīng)；

(3)除相變潛熱外，文中涉及不同熔點(diǎn)相變材料物性參數(shù)均相等.

1.2 數(shù)學(xué)模型

玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)中玻璃、二氧化硅氣凝膠和空氣區(qū)域傳熱方程為

(1)

其中：τ為時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)(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(qū)域?yàn)?/p>

(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(dǎo)熱系數(shù)，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(jì)算區(qū)域液相率.

源項(xiàng)ST傳熱方程為

(7)

輻射傳熱方程為

(8)

玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(huán)境輻射換熱，W·m-2，hout、Tout和Ta,out分別為外層玻璃外表面對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1；Tout外層玻璃外表面溫度，K和Ta,out環(huán)境溫度，K.

與外界環(huán)境輻射換熱qrad計(jì)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(jié)構(gòu)與大氣、天空和地面的輻射換熱量，W·m-2.

內(nèi)層玻璃內(nèi)表面邊界條件為

(11)

其中，hin、Tin和Ta,in分別為內(nèi)層玻璃內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)，W·m-2·K-1、溫度和室內(nèi)溫度，K.

中間材料層和內(nèi)層玻璃交界處邊界條件：

(12)

Tg=TI

(13)

其中，Tg和TI分別為外側(cè)玻璃內(nèi)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(dòng)量、能量及DO模型方程的離散格式分別為二階迎風(fēng)、一階迎風(fēng)、一階迎風(fēng).

采用三組網(wǎng)格數(shù)據(jù)驗(yàn)證其獨(dú)立性：第一組玻璃填充層網(wǎng)格尺寸為40 mm×10 mm，室內(nèi)空間網(wǎng)格尺寸為40 mm×40 mm，網(wǎng)格數(shù)為8 000；第二組玻璃填充層網(wǎng)格尺寸為20 mm×10 mm，室內(nèi)空間網(wǎng)格尺寸為20 mm×10 mm，網(wǎng)格數(shù)為20 000；第三組玻璃填充層網(wǎng)格尺寸為20 mm×10 mm，室內(nèi)空間網(wǎng)格采用內(nèi)疏外密劃分方式，網(wǎng)格數(shù)為12 000.圖2為網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果，經(jīng)過分析最終網(wǎng)格數(shù)選取12 000，其網(wǎng)格形式如圖3.

圖2 網(wǎng)格驗(yàn)證結(jié)果

圖3 網(wǎng)格形式

采用文獻(xiàn)[13]中的算例驗(yàn)證本文模型，圖4為驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比，本文模擬值與文獻(xiàn)平均相對(duì)偏差為6.03%，表明本文模型的可靠性.

圖4 模型驗(yàn)證結(jié)果

2 分析與討論

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

表1 材料光熱物性參數(shù)

由圖5(a)可知，同填充空氣、二氧化硅氣凝膠相比，玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)添加相變材料后，其內(nèi)表面溫度分別降低1.50 K和3.54 K；中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度在0.5 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，氣凝膠玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)、相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別經(jīng)歷1 h、2.8 h達(dá)到穩(wěn)定，相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間是氣凝膠、中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)的2.8、5.6倍，說明其熱惰性明顯強(qiáng)于其他兩類玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu).原因在于相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)相變材料吸收太陽能，減少了輻射能直接進(jìn)入室內(nèi)的機(jī)會(huì).

圖5 春季填充不同材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)添加相變材料后其內(nèi)表面峰值熱流的絕對(duì)值分別降低1.26 W·m-2和2.62 W·m-2.同時(shí)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(dòng)，由于室內(nèi)側(cè)表面溫度保持291.15 K造成相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表溫度降低而導(dǎo)致其熱流密度絕對(duì)值減小，從而造成如圖5(c)室內(nèi)中點(diǎn)(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(hù)結(jié)構(gòu)，但室內(nèi)空氣溫度仍然在降低，從而說明玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)填充相變材料顯著提高其熱惰性，并有效改善室內(nèi)側(cè)溫度調(diào)控力度.

圖6為A、E兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫差，其用來評(píng)估室內(nèi)的溫度均勻性，如圖可知玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)填充相變材料后，其室內(nèi)溫度均勻性明顯強(qiáng)于其他兩類玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在夏季則更加顯著，其室內(nèi)溫度分布均勻性比中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)和氣凝膠玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別提升了73%和57%.

圖6 填充不同材料的玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)室內(nèi)A、E兩點(diǎn)的溫差

3 結(jié)論

本文建立了雙層玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能特性的影響，并進(jìn)一步分析其對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：

(1)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)添加相變材料后其內(nèi)表面溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間明顯增加，在相同條件下相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間分別為氣凝膠玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)、中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)的2.8倍和5.6倍，說明相變玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄能效果增強(qiáng)；

(2)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)填充相變材料后，其內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)、中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比其內(nèi)表面溫度分別降低1.50 K和3.54 K，內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)填充相變材料后，由于其蓄能效果和熱惰性能提升，導(dǎo)致其室內(nèi)溫度分布更加均勻；同二氧化硅氣凝膠玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)、中空玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其溫度分布均勻性分別升高73%和57%，使其室內(nèi)熱舒適程度明顯改善.