相變材料復(fù)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(rùn)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(guó)建筑能源消費(fèi)總量年均增長(zhǎng)7.25%。到2017 年，建筑能源消費(fèi)總量為9.47 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.10%[1]。歐美國(guó)家已經(jīng)將建筑節(jié)能減排作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)[2-3]。2020 年 9 月，我國(guó)在第75 屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出：中國(guó)的CO2排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。我國(guó)碳減排工作已經(jīng)進(jìn)入總量控制階段，而建筑節(jié)能將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

智能建筑表皮能夠隨室內(nèi)外環(huán)境的變化而調(diào)節(jié)自身某些性能，從而在適應(yīng)不斷變化的氣候環(huán)境的基礎(chǔ)上，有效提高建筑室內(nèi)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(yīng)用于智能建筑表皮的材料。這兩種材料的共同點(diǎn)是可以隨溫度變化而改變自身的光學(xué)或熱學(xué)性能，且不需其他能源的消耗，是可以用于被動(dòng)式節(jié)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(yáng)輻射透過(guò)率，二氧化釩VO2鍍膜玻璃是其中一個(gè)典型代表。VO2作為一種熱敏材料，可以從低溫半導(dǎo)體單斜晶相到高溫金屬導(dǎo)體相實(shí)現(xiàn)可逆的變化，兩相狀態(tài)下的材料呈現(xiàn)出不同的光學(xué)特性。Long 和Ye（2014）[4]利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試與建筑能耗模擬相結(jié)合的方法，從節(jié)能的角度提出了VO2熱致變色玻璃光學(xué)屬性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。梁潤(rùn)琪等[5]通過(guò)EnergyPlus 仿真模擬，從采光和節(jié)能兩個(gè)方面對(duì)熱致變色玻璃和電致變色玻璃進(jìn)行了對(duì)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(zhì)狀態(tài)，但保持溫度相對(duì)恒定，這種特殊的物理性能，使得材料可以在一定范圍內(nèi)成為能量的“載體”。Gowreesunker 等（2013）[6]將雙層玻璃內(nèi)充滿(mǎn)相變材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究了該相變玻璃的光學(xué)和熱學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，相變材料在相變過(guò)程中可以利用自身潛熱，有效提升雙層玻璃的熱學(xué)性能，但在相變材料完全變?yōu)橐簯B(tài)后，需要避免因過(guò)度吸熱造成室內(nèi)過(guò)熱的現(xiàn)象。Liu等（2016）[7]采用有限差分法對(duì)夾有相變材料雙層天窗玻璃的熱學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值分析，量化了相變材料的厚度和消光系數(shù)對(duì)室內(nèi)得熱量和溫度變化的影響。Li 等（2018）[8]通過(guò)數(shù)值模擬，研究了三層相變保溫玻璃在冬季和夏季的熱學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)該玻璃在夏季可將能耗降低達(dá)32.8%，并有效防止過(guò)熱現(xiàn)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(jié)合作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的研究并不多見(jiàn)。Long 等（2014）[9]首次對(duì)熱致變色玻璃和含有相變材料的不透明外墻板進(jìn)行組合，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了，將這兩種材料組合應(yīng)用在制冷季節(jié)可明顯改善室內(nèi)熱舒適度。Bianco 等（2017）[10]將熱致變色玻璃與相變材料結(jié)合制成三層保溫玻璃，利用室外物理實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在意大利氣候條件下，相對(duì)于普通三層玻璃，此種玻璃可將夏季制冷負(fù)荷降低約1/3，并能明顯提高室內(nèi)熱舒適度，但此研究沒(méi)有給出相應(yīng)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(jìn)行組合，形成5 種復(fù)合玻璃。運(yùn)用Fluent 軟件，建立這5 種玻璃的熱學(xué)數(shù)值模型，并以南向玻璃窗為例，對(duì)這些復(fù)合玻璃窗應(yīng)用于上海氣候條件下的典型辦公室南立面時(shí)的夏季的節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 模型建立

在雙層和三層保溫玻璃的基礎(chǔ)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(hù)結(jié)構(gòu)透光/半透光部分的復(fù)合玻璃。本節(jié)主要包括對(duì)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(shù)的計(jì)算過(guò)程。

1.1 物理模型

如圖1 所示，本文對(duì)以下5 種復(fù)合玻璃進(jìn)行模擬分析，其中包括：G1-雙層中空l(shuí)ow-e 保溫玻璃；G2-雙層普通玻璃空腔內(nèi)充滿(mǎn)相變材料；G3-雙層玻璃，外側(cè)為熱致變色玻璃，內(nèi)側(cè)為普通玻璃；G4-雙層玻璃空腔內(nèi)充滿(mǎn)相變材料，外側(cè)玻璃為熱致變色玻璃，內(nèi)側(cè)玻璃為普通玻璃；G5-三層玻璃保溫玻璃，外層空腔內(nèi)充滿(mǎn)相變材料，內(nèi)外側(cè)玻璃為普通玻璃，中層玻璃為low-e 玻璃。復(fù)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(fù)合玻璃構(gòu)造示意圖（右側(cè)為室外，左側(cè)為室內(nèi)）

1.2 相變材料物理參數(shù)假設(shè)與計(jì)算

相變材料選取自RUBITHERM?GmBH生產(chǎn)的RT27有機(jī)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(dá)到一定量才能發(fā)揮明顯作用，但需要控制玻璃總重量，因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shù)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(jì)算：

其中，T為材料溫度（℃）。

密度ρ（kg/m3）按公式（2）[13]計(jì)算：

其中，β為液相比，按公式（3）計(jì)算：

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

材料的光學(xué)厚度d可由公式（4）[6]計(jì)算得到：

其中，s為材料的厚度。

同時(shí)，根據(jù)定義，可得消光系數(shù)：

且根據(jù)朗伯比爾定律可得：

其中，τPCM為相變材料的太陽(yáng)輻射透過(guò)率。

由（4）（5）（6）可得：

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

同時(shí)，由公式（10）可計(jì)算得到任意溫度下的消光系數(shù)

任意溫度下的散射系數(shù)σs則可由公式（5）計(jì)算獲得。

1.3 玻璃相關(guān)物理參數(shù)假設(shè)與計(jì)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(zhuǎn)變溫度為28℃，變色溫度區(qū)間為6℃[14]。內(nèi)層玻璃為6 mm 普通玻璃。兩種玻璃的太陽(yáng)輻射反射率、透射率和吸收率見(jiàn)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(dǎo)熱系數(shù)為1.3 W/ mK，折射率為1.5，不考慮散射。普通玻璃表面發(fā)射率取0.85，low-e 玻璃發(fā)射率取0.03。

表2 熱致變色玻璃和普通玻璃的太陽(yáng)輻射熱相關(guān)系數(shù)

2 數(shù)值模型

運(yùn)用Fluent 軟件，對(duì)以上5 種復(fù)合玻璃，在上海氣候條件下應(yīng)用于南向辦公建筑時(shí)的熱學(xué)性能進(jìn)行模擬。

2.1 幾何模型

采用Fluent 軟件進(jìn)行二維傳熱模擬。利用DesignModeller 進(jìn)行幾何建模，網(wǎng)格單元大小為1 mm×1 mm，劃分網(wǎng)格后將模型（圖2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fluent 進(jìn)行計(jì)算設(shè)置。

圖2 網(wǎng)格劃分后的相變材料復(fù)合三層保溫玻璃模型

2.2 邊界條件設(shè)置

采用上海典型氣象年數(shù)據(jù)，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(jìn)行模擬。假定室外無(wú)遮擋，將天氣數(shù)據(jù)中的太陽(yáng)總輻射轉(zhuǎn)化成南立面太陽(yáng)輻射。室外空氣溫度和南立面太陽(yáng)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(dá)到32.4℃，夜間溫度最低為25.6℃，南立面太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)總輻射量

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

2.3 求解模型

采用二維、非穩(wěn)態(tài)求解器，對(duì)于包含相變材料的玻璃模型使用凝固/融化模型。對(duì)于G1～G4 選擇SIMPLEC 算法，G5 選擇Coupled 算法，數(shù)學(xué)方程選用二階迎風(fēng)格式，能量松弛因子設(shè)為0.9，密度松弛因子設(shè)為0.7，以促進(jìn)收斂。計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)度為5 min?？紤]前一日天氣條件的影響，在模擬時(shí)將開(kāi)始計(jì)算的時(shí)間提前至前一日的20:00。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)通過(guò)對(duì)晴天和陰天兩種工況下的不同復(fù)合玻璃的隔熱性能的對(duì)比分析，研究熱致變色玻璃和相變材料隨室外溫度和太陽(yáng)輻射的變化對(duì)室內(nèi)得熱的調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而對(duì)不同復(fù)合玻璃的節(jié)能效果進(jìn)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(duì)太陽(yáng)輻射的透射率更低，但對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率較高，G3 的室內(nèi)、外玻璃的表面溫度均高于G1，進(jìn)而導(dǎo)致室內(nèi)玻璃對(duì)室內(nèi)空氣的輻射和對(duì)流傳熱增大。但是，從室內(nèi)總得熱的角度看，直接透射的太陽(yáng)輻射熱仍占主導(dǎo)作用，且由于普通玻璃的太陽(yáng)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(nèi)外表面溫度變化（晴天）

在上午室外溫度和太陽(yáng)輻射升高的過(guò)程中，G2、G4 和G5 中的相變材料，將部分得熱轉(zhuǎn)化為自身潛熱，從而延緩室內(nèi)玻璃溫度的升高速率。結(jié)合圖6 可知，在中午12:00 后，相變材料全部由固體轉(zhuǎn)化為液體，因此，12:00 之 后，G2、G4 和G5 的 室 內(nèi)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(yáng)輻射量均很大，因此，相變材料在晚上19:00 之前都處于液態(tài)。19:00 之后相變材料開(kāi)始逐漸降溫凝固，部分潛熱被傳遞到室內(nèi)，G2、G4 和G5 在晚間的室內(nèi)得熱更多，但總體的熱量數(shù)值比較小。另外，G2、G4 和G5 將室內(nèi)總得熱的高峰延后了1 h（圖5）。

圖5 太陽(yáng)輻射透過(guò)量和室內(nèi)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(nèi)得熱最低的是G4，其峰值較G1 降低了23%，由室內(nèi)總得熱量曲線對(duì)時(shí)間求積分，可計(jì)算得到全天室內(nèi)得熱量相對(duì)G1 降低約23%。在所有玻璃組合中，G5 的室內(nèi)得熱最低，峰值較G1降低了37%，全天室內(nèi)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(nèi)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(shí)太陽(yáng)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(yáng)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(shí)上午溫度迅速升高并整個(gè)下午都完全處于液態(tài)，而是一直處于固液混合的狀態(tài)（圖9），從而更好地利用潛熱發(fā)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(lèi)似，在16:00 之后至晚間，相變材料在融化過(guò)程中，將部分潛熱釋放到室內(nèi)，因此，這段時(shí)間含有相變材料的玻璃，尤其是G2 和G4 的室內(nèi)得熱量較高。G5 因?yàn)榭諝鈱拥母魺嶙饔?，因此，室?nèi)的熱量明顯低于G2 和G4，但仍高于G1。

圖7 保溫玻璃室內(nèi)外表面溫度變化（陰天）

圖8 太陽(yáng)輻射透過(guò)量和室內(nèi)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(yáng)輻射不為零的時(shí)間段均處于變色溫度區(qū)間，即25～31℃。這使得這三種玻璃的太陽(yáng)輻射透過(guò)率表現(xiàn)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(tài)。

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

4 結(jié)語(yǔ)

本文將熱致變色玻璃和相變材料進(jìn)行組合，形成具有熱惰性和遮陽(yáng)效果的保溫玻璃。采用有限體積法，利用Fluent 軟件，對(duì)上海地區(qū)夏季天氣情況下南向玻璃的隔熱性能展開(kāi)模擬與對(duì)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(guò)潛熱的吸收和釋放，以及對(duì)太陽(yáng)輻射透過(guò)率的控制有效降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，其中三層保溫玻璃效果更佳，可將室內(nèi)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(duì)應(yīng)時(shí)間。全天室內(nèi)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%。