相变窗传热特性实验研究

(1 苏州科技大学环境科学与工程学院 苏州 215009； 2 麦克维尔中央空调有限公司苏州分公司 苏州 215009)

相变材料(PCMs)是指在相变过程中进行能量储存或释放的材料，具有储能密度大，温度变化小等优点。相变材料被广泛应用于航空、医疗、工业、建筑等行业。在我国，建筑能耗占社会总能耗40%以上，其中，空调和采暖占建筑总能耗50%左右，建筑节能已成为社会关注的焦点[1]。将相变材料与建筑围护结构相结合，可以有效减小室内外热流强度波动幅度[2-4]，提高室内热舒适度，减小空调能耗，缓解电力供应与需求在时间和空间上不匹配的矛盾。

窗户作为建筑围护结构的重要组成部分，同时也是整个建筑围护结构保温性能最薄弱的环节，窗户的能耗[5]占整个围护结构的30%左右。改善窗户的隔热保温性能，对降低建筑能耗具有重要意义。针对窗户的节能问题，国内外已有诸多研究。例如，能够有效增加窗户密封性的固定窗，窗户遮阳的自动调节设计，具有良好隔热性能和透光度的Low-e玻璃窗[6]。但这些节能技术普遍存在使用不便、制造成本高、全年节能效果不明显等缺点[7]，窗户的节能技术[8]有待进一步研究。F. Goia等[9]以石蜡为原料制备相变窗，进行对比实验，评价了相变窗的传热性能以及对室内热舒适的影响。罗庆等[10]以CaCl2·6H2O为充注材料，制备相变窗，通过实验与模拟相结合的方法，表明相变窗具有良好的温度调节能力，内壁面峰值温度比中空玻璃窗降低3～4 ℃。Li S. H.等[11]搭建玻璃窗动态传热性能测试装置，获得了夏季晴天相变窗内表面温度变化规律，并以此验证模型，进一步论证相变窗在冬季、过渡季的实用性。

本文以脂肪酸和脂肪醇为原料，制备复合相变材料，相比于无机相变材料，具有过冷度小，无相分离的优点[12-15]，在应用中更加稳定可靠。制备相变窗，采用实验测量方法，得到相变窗温度调节及节能效果。

1 实验

1.1 原料与仪器

实验材料为十四酸(MA)和十六醇(HD)，主要参数见表1。相变材料制备主要仪器包括数据采集仪和温度传感器等，具体参数见表2。

表1 原材料物性参数Tab.1 Raw material physical parameters

表2 实验设备Tab.2 Experimental installations

1.2 相变窗制备

首先制备复合相变材料。称取一定质量的MA和HD，按48∶52比例混合[15]，将装有相变材料的试管置于70 ℃的恒温水浴中加热，在熔融状态下用玻璃棒搅拌5 min，混合均匀，再冷却至室温，得到MA-HD二元复合相变材料。

采用6 mm厚普通白玻璃制备双层玻璃窗，尺寸为300 mm×200 mm。玻璃四周采用厚度为10 mm的中空铝条和中性硅酮密封胶进行支撑和密封，并对双层窗进行水压实验，持续时间24 h，确保无泄漏。建立实验对照组，测试对象分为两类：1)普通玻璃窗，内注空气；2)相变玻璃窗，内注MA-HD复合相变材料，质量200 g。

1.3 实验过程

实验研究了复合相变材料的热稳定性。设定高低温交变试验箱温度为15 ℃，保持稳定。先将装有MA-HD低共晶混合物的试管置于60 ℃的水浴中熔化，试管内的PCMs完全熔化后，放在高低温交变试验箱中，直至PCMs完全凝固，记录试管内温度变化，记录时间间隔为100 s，重复上述过程300次。

利用差示扫描量热法(DSC)测量MA-HD混合相变材料的相变潜热。称取MA-HD低共晶混合相变材料3～6 mg，采用Pyris Diamond DSC测试实验样品相变潜热。将样品置于铝制坩埚中，并放入炉腔内，测试气氛为氮气(20 mL/min)，扫描温度范围为15～60 ℃，升温速率为2 ℃/min。

以高低温交变试验箱为热环境，模拟夏季室外白天温度变化，分别测试普通双层窗和相变窗内外表面的温度响应。窗户的外表面与高低温箱模拟热环境直接接触，内表面与室内环境接触，室内温度为20 ℃，模拟热环境的温度变化范围为18～58 ℃。模拟热环境温度变化分为升温段、高温段、降温段和低温段。升温段温度从18 ℃均匀升至58 ℃，持续时间200 min，在高温段58 ℃定温90 min，再在200 min内均匀降温至15 ℃，再定温30 min。数据采集仪记录窗内外表面温度变化，记录间隔10 min。实验装置如图1所示。

图1 实验装置Fig.1 Experimental device

图2 MA-HD低共晶混合物DSC曲线Fig.2 DSC curve of low eutectic mixture of MA and HD

2 结果与讨论

2.1 相变材料热性能

MA-HD 二元有机复合相变材料的DSC曲线如图2所示，相变起始温度为35.5 ℃，相变潜热为218.23 kJ/kg。在相变过程中，只存在一个吸热峰，这表明MA和HD混合均匀，已形成低共晶混合物。

将MA-HD低共晶混合物进行300次热循环实验，没有发生相分离。图3所示为MA-HD低共晶混合物300次降温曲线，MA-HD共晶混合物步冷曲线未发生明显改变，结晶温度变化在0.2 ℃以内，说明MA-HD共晶混合物具有良好的热稳定性。

图3 MA-HD低共晶混合物300次热循环降温曲线Fig.3 Cooling curves of low eutectic mixture of MA and HD within 300 times cycle

2.2 相变窗传热特性

制备双层窗和相变窗原材料物性参数见表3。

表3 材料物性参数Tab.3 Material physical parameters

表4 双层窗和相变窗各阶段平均温度Tab.4 The average temperatures of double windowand PCM-filled window of each stage

图4 双层窗和相变窗内外表面温度响应Fig.4 The inside and outside surface temperature response of double window and PCM-filled window

图4所示为普通双层窗和相变窗内外表面温度响应，表4所示为两组测试对象在各个阶段的平均温度。图4和表4表明，相变材料的加入改变了双层窗的传热过程，实现了能量的转移。与普通双层窗外表面温度变化相比，升温过程中相变窗外表面温度在140 min时升温速率大幅下降，温度在50 min内仅升高1.8 ℃。这是由于相变材料开始相变，吸收热量，减小进入室内的热量。相变过程结束后，温度继续升高，并保持稳定。相变窗在高温段外表面平均温度比双层窗低5.9 ℃，峰值温度降低明显。运行290 min时，温度开始降低，并出现短暂的控温平台。之后温度继续下降，且始终高于双层窗外表面温度。相变窗外表面温度曲线与双层窗外表面温度所围成的面积表明相变材料对进入室内的负荷具有良好的转移能力。

与双层窗内表面温度变化相比，在升温阶段，相变窗内表面温度高于双层窗，这是由于相变材料的导热性优于空气。相变窗在高温段的内表面平均温度比双层窗降低0.6 ℃，温度调节效果不明显。在290 min时，热环境温度开始降低，相变窗内表面温度始终保持一个恒定温度，持续100 min，随后温度降低，内表面温度始终高于双层窗内表面温度。在降温过程中，相变材料释放热量，减小了室内负荷衰减，从而保持温度恒定状态，说明相变窗具有良好的保温性能，且相变窗内表面降温曲线与双层窗内表面降温曲线围成的面积表明负荷的转移效果明显。

3 结论

1)采用熔融共混法制备了MA-HD二元复合相变材料，相变温度为35.5 ℃，相变潜热为218.23 kJ/kg。经过300次热循环实验，结晶温度变化在0.2 ℃以内，热稳定性良好，适用于建筑材料。

2)制备了双层窗与相变窗，分别进行了温度响应测试。加入相变材料有效改变了双层窗的传热过程。在升温过程中，相变过程持续50 min，降低了相变窗外表面升温速率。相变窗外表面峰值温度较双层窗降低5.9 ℃，外表面温度降低效果明显。在降温段，降温速率缓慢，外表面温度始终高于双层窗。

3)在相变材料的作用下，相变窗内表面温度峰值较双层窗降低0.6 ℃，随后在降温段依旧保持100 min的温度稳定，说明MA-HD复合相变材料具有良好的保温功能，对负荷的转移明显。

本文受江苏省自然科学基金项目(BK2012602)和苏州科技大学研究生创新项目(SKCX15_029)资助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No.BK2012602) and Graduate Innovation Fund of Suzhou University of Science and Technology (No.SKCX15_029).)

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