含石蜡相变玻璃窗在新疆地区节能潜力分析

张 姝,王泽美,高 梦,李 栋,马鹏博

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

当前我国建筑能耗约占社会总能耗三分之一，严寒地区采暖能耗巨大，推进严寒地区建筑节能具有重要意义[1-2]。玻璃窗具有采光、通风、隔热多种功能，但其高透光性和低热惰性特点，导致其成为建筑保温最薄弱环节[3]。有学者提出在中空玻璃窗中添加石蜡材料，白天石蜡相变蓄存太阳能热量，夜晚再将其释放出来，不但可以提高室内热舒适性，还可以降低房间冷热负荷[4]。新疆位于我国严寒地区，冬季寒冷且漫长，然而当地日照充足，年辐射总量达5 430～6 670 MJ/m2，尤其适合采用相变玻璃窗[5]。

近二十年，国内外学者对相变玻璃窗的节能效果开展了大量研究。Ismail等[6]研究了双层相变玻璃窗光热传输特性，得出了增加相变材料后得热量降低，透光率降低的结论。Goia等[7]研究含石蜡相变玻璃窗和传统窗户在冬、夏和过渡季节室内能耗状况，结果表明含石蜡相变玻璃窗更节能。罗庆等[8]通过对比试验测试了双层相变玻璃窗与普通中空玻璃窗的传热特性，结果表明相变玻璃窗的调温性能比普通中空玻璃窗好。钟克承[9]等研究了相变玻璃窗在南京地区的动态调温与节能特性，相比于中空玻璃窗，相变玻璃窗内壁面温度降低，通过相变玻璃窗进入室内的热量减少。李栋等[10]在严寒地区开展了含石蜡玻璃幕墙传热实验研究，发现幕墙夹层填充石蜡可明显提升实验房内热舒适性。孙高峰[11]分析了建筑中应用相变玻璃窗的经济性并对其全年节能效果进行评价。

上述研究表明，玻璃窗填充相变材料可有效改善其隔热和透光性能，减小室内冷热负荷。然而，相变玻璃窗节能效果受室外气象条件、石蜡熔点及厚度等多方面因素影响。为此，在乌鲁木齐的气象条件下，本文利用前期研究建立的相变玻璃窗一维瞬态模型，对冬季和夏季相变玻璃窗的传热性能进行模拟，分析熔点温度和石蜡厚度的影响，研究相变玻璃窗的节能潜力，为该项技术在新疆地区的应用推广提供理论依据。

1 数理模型

图1为含石蜡相变玻璃窗的物理模型。对模型进行如下假设[12]：(1)一维非稳态传热；(2)忽略石蜡对流；(3)石蜡层仅通过短波辐射；(4)玻璃和石蜡各向同性；(5)忽略石蜡散射。

将节能窗分成三个计算区域：外玻璃层、石蜡层、外玻璃层。如图 2 所示。玻璃区能量方程[12]

(1)

式中t——时间；

T——温度；

a——热扩散率；

φ——源项；

小角标g——玻璃。

图1 含石蜡相变玻璃窗物理模型[12]

图2 含石蜡双层玻璃窗计算分区[12]

石蜡区能量方程

(2)

式中ρ和λ——密度和导热系数；

小角标p——石蜡;

H——比焓，可由下式计算

(3)

(4)

式中Tref——参考温度；

cp和γ——石蜡比热和相变潜热；

ω——液相率；

Ts和Tl——石蜡固相和液相温度。

源项计算式如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中I0——太阳辐射强度；

τ——透射率；

α——吸收率；

L——厚度。

玻璃层1外表面边界条件为[12]

(9)

式中qrad——玻璃层1外表面与外界环境的辐射换热量；

hout、Tout——玻璃层1外表面的对流换热系数和温度；

Ta,out——室外环境温度。

玻璃层2内表面边界条件如下[12]

(10)

式中hin、Tin——玻璃层2内表面的对流换热系数和温度；

Ta,in——室内环境温度；

ε——玻璃表面发射率。

上述控制方程及边界条件方程通过显示有限差分算法进行求解，利用Fortran 6.0软件编制计算程序，并利用实验数据对模拟程序的计算结果进行了验证。详细内容请参见文献[12]。

2 结果与分析

2.1 参数设定

玻璃的厚度为6 mm，发射率为0.88，分别选用18 ℃、26 ℃、32 ℃熔点石蜡，材料的物性参数如表1所示。玻璃内外表面对流换热系数分别为7.75 W/m2·K和7.43 W/m2·K。根据乌鲁木齐市当地情况，选取冬季计算时间为10月15日至次年4月14日，夏季计算时间为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。图3为夏季和冬季典型日环境温度和太阳辐射强度。冬季和夏季室内温度为18℃和26℃。

表1 材料热物性参数[13]

2.2 有无相变层及石蜡熔点的影响

为分析有无相变材料及相变温度的影响，设定空气层厚度为12 mm，石蜡熔点分别为18 ℃、26 ℃、32 ℃。图4为冬季四种情况下玻璃窗的传热性能曲线。从图4(a)可以看到，在8:00～17:00之间，四种情况太阳能得热量有明显差异，无相变层时最大，有相变层时随着熔点温度升高，太阳能得热量随之降低，不利于降低冬季采暖能耗。从图4(b)可以看到，添加石蜡相变层使玻璃内表面温度升高。随着石蜡熔点温度升高，内表面峰值温度随之升高。18℃、26℃熔点时内表面温度全天变化更平缓，室内舒适性更好。

图5为夏季四种情况下玻璃窗的传热性能曲线。从图5(a)可以看到，在6:00～21:00，无相变层时太阳能得热量大于有相变层情况。随着熔点温度升高，石蜡开始融化的时间延后，凝固的时间提前。当完全融化为液体之后，太阳能得热量基本一致。石蜡熔点越高，太阳能总得热量越少。这是因为固态石蜡吸收系数高于液态石蜡吸收系数，随着熔点温度升高，吸收的太阳能增加，透过的太阳能减少。从图5(b)可以看到，有相变层时内表面温度高于无相变层的情况，峰值温差接近10℃，出现在12:00。熔点温度对内表面温度有一定影响，但在9:00～17:00之间，三种熔点内表面温度基本一致。

表2为冬季和夏季四种情况下玻璃窗的节能效果比较。从表中可以看到，冬季填充相变层后，太阳能得热量和总失热量都减小，并且随着熔点温度升高，节能率降低。夏季填充相变层后，太阳能得热量和总得热量都减小，并且随着熔点温度升高，节能率升高。综合冬夏总耗能情况，填充18 ℃和26 ℃熔点石蜡的玻璃窗节能效果较好，节能率均接近20%。其中18 ℃熔点石蜡玻璃窗的透光性更优。

图3 典型日环境温度和太阳辐射逐时变化

图4 冬季中间空气层和不同熔点石蜡层玻璃窗传热性能

表2 冬季和夏季中间空气层和不同熔点石蜡层玻璃窗节能效果比较

2.3 石蜡厚度的影响

为分析不同相变层厚度的影响，设置石蜡相变温度为26 ℃，填充层厚度分别为6 mm、9 mm、12 mm、15 mm、18 mm。图6为冬季五种厚度石蜡层玻璃窗的传热性能曲线。从图6(a)可以看到，在8:00～17:00之间，随着相变层厚度增加，太阳能得热量随之减小。从图6(b)可以看到，随着相变层厚度增加，内表面温度升高，达到峰值点的时间延后。

图7为夏季五种厚度石蜡层玻璃窗的传热性能曲线。从图7(a)可以看到，太阳得热量出现在5:00～20:00之间。随着相变层厚度增加，太阳能得热量降低。从图7(b)可以看到，与冬季相比，夏季相变层厚度对玻璃内表面温度的影响更加显著。随着相变层厚度增加，玻璃内表面温度随之增加，并且波动幅度更大。

表3为冬季和夏季五种厚度石蜡层玻璃窗的节能效果比较，表中的节能率仍然以12 mm空气层的普通中空玻璃窗为基准进行计算。从表中可以看到，相变层厚度变化对太阳能得热量及能耗影响较大。随着相变层厚度增加，太阳能得热量降低，冬夏能耗均随之减小、节能率显著提高。兼顾玻璃窗透光性和节能性的双重需要，填充石蜡层的厚度应选用12～15 mm，全年节能率在19.71%～24.54%之间。

图5 夏季中间空气层和不同熔点石蜡层玻璃窗传热性能

图6 冬季不同厚度石蜡层玻璃窗传热性能

表3 冬季和夏季不同厚度石蜡层玻璃窗节能效果比较

图7 夏季不同厚度石蜡层玻璃窗传热性能

3 结论

(1)在中空玻璃窗中填充石蜡后，太阳能透射率降低，内表面温度升高，冬夏均有显著的节能效果。

(2)石蜡熔点和石蜡厚度对玻璃窗的光热传递均有一定影响。熔点在冬季的影响更加明显，熔点越低相变时段越长，内表面温度变化越平缓。厚度增加导致玻璃窗蓄热容量增大，太阳能透射率降低。

(3)石蜡熔点和石蜡厚度对玻璃窗的节能效果影响显著。兼顾透光性和节能性，新疆地区推荐采用18 ℃熔点、12 mm厚石蜡层，冬夏季节能率分别为24.77%和14.37%，全年节能率为19.93%。