相变玻璃围护结构蓄能特性及对室内热环境影响研究

李 栋，胡宛玉，张成俊，刘昌宇，杨瑞桐

(东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318)

建筑能耗在社会总能耗中占比超过30%且持续增加[1]，发展低能耗建筑是降低建筑能耗、实现建筑领域碳中和的重要手段.建筑围护结构是影响建筑能耗的重要部位，也是影响发展低能耗建筑的重要环节.玻璃围护结构透光性强、传热系数大，是改善建筑围护结构的重要关注部位[2].

在玻璃围护结构内填充相变材料及二氧化硅气凝胶[3-6]，可提升其隔热及蓄热性能[7]，降低建筑能耗并延长其使用寿命[8].部分学者研究了填充保温材料玻璃围护结构传热和蓄热特性.Moretti[9]等、Buratti[10]等制备颗粒状气凝胶并添加到双层玻璃窗，发现其比与传统双层玻璃窗保温更好.部分学者研究了适用于玻璃围护结构的相变材料[11]，并在玻璃围护结构填充，通过相变吸放热实现太阳能光热利用[12-13].作者团队[14-15]前期发现含相变材料玻璃结构存在一定的太阳能蓄热效果，可使外界影响室内传热峰值减小和延迟.现有研究成果表明玻璃围护结构填充相变材料后，其热惰性显著增大，可降低建筑能耗.然而，有关含相变材料玻璃围护结构蓄能过程对建筑内部热环境影响研究较少.

本文以玻璃围护结构蓄能特性调控为研究目标，建立了填充多种材料玻璃围护结构建筑热分析模型，分析了填充空气、二氧化硅气凝胶、相变材料等对玻璃围护结构蓄能特性的影响，并进一步研究了其对室内热环境的影响.

1 数理模型

1.1 物理模型

如图1，研究对象房间尺寸为3 m×3 m×3 m，玻璃厚度为4 mm，填充材料厚度为20 mm，房间内部监测点布置如图1(b).填充材料玻璃围护结构主要分为三部分，内外层均为玻璃，中间层分别填充相变材料、空气以及二氧化硅气凝胶.太阳辐射通过玻璃围护结构时分为三部分，一是外层玻璃反射，二是填充材料、玻璃所吸收，三是穿过玻璃围护结构转换成室内得热量.室外侧玻璃外表面与外部环境、室内侧玻璃内表面与室内空间均发生对流与辐射的耦合换热.

图1 传热模型及监测点位置

为简化计算，作如下假设：

(1)空气、二氧化硅气凝胶、相变材料和玻璃均为各向同性材料；

(2)忽略相变过程体积膨胀及散射效应；

(3)除相变潜热外，文中涉及不同熔点相变材料物性参数均相等.

1.2 数学模型

玻璃围护结构中玻璃、二氧化硅气凝胶和空气区域传热方程为

(1)

其中：τ为时间，s；Tg为温度，K；ρg，kg和Cp,g分别为玻璃、二氧化硅气凝胶和空气的密度，kg·m-3，导热系数(W·m-1·K-1)和比热(J·kg-1·K-1)，ST为辐射源，W·m-3.

相变材料区域为

(2)

其中：H为相变材料比焓，J·kg-1；ρp和kp分别为相变材料的密度，kg·m-3和导热系数，W·m-1·K-1.

(3)

β=0,T

(4)

(5)

β=1,T>Tl

(6)

其中，Tref为参考温度，K；Ts与Tl分别为相变材料固相和液相温度，K；c为相变材料比热，J·kg-1·K-1；QL为相变材料相变过程的潜热，J·kg-1；β为计算区域液相率.

源项ST传热方程为

(7)

辐射传热方程为

(8)

玻璃围护结构最外层边界条件如下.

(9)

其中：qrad为外玻璃层外表面与外界环境辐射换热，W·m-2，hout、Tout和Ta,out分别为外层玻璃外表面对流换热系数，W·m-2·K-1；Tout外层玻璃外表面温度，K和Ta,out环境温度，K.

与外界环境辐射换热qrad计算如下：

qrad=qrad,air+qrad,sky+qrad,ground

(10)

其中，qrad,air、qrad,sky和qrad,ground分别为玻璃结构与大气、天空和地面的辐射换热量，W·m-2.

内层玻璃内表面边界条件为

(11)

其中，hin、Tin和Ta,in分别为内层玻璃内表面对流换热系数，W·m-2·K-1、温度和室内温度，K.

中间材料层和内层玻璃交界处边界条件：

(12)

Tg=TI

(13)

其中，Tg和TI分别为外侧玻璃内表面温度和中间材料层外表面温度，K.

1.3 模型求解方法

基于有限体积法求解本文模型，其压力-速度耦合方程选用SIMPLE算法，辐射传热采用DO模型.压力采用PRESTO!离散求解，动量、能量及DO模型方程的离散格式分别为二阶迎风、一阶迎风、一阶迎风.

采用三组网格数据验证其独立性：第一组玻璃填充层网格尺寸为40 mm×10 mm，室内空间网格尺寸为40 mm×40 mm，网格数为8 000；第二组玻璃填充层网格尺寸为20 mm×10 mm，室内空间网格尺寸为20 mm×10 mm，网格数为20 000；第三组玻璃填充层网格尺寸为20 mm×10 mm，室内空间网格采用内疏外密划分方式，网格数为12 000.图2为网格独立性验证结果，经过分析最终网格数选取12 000，其网格形式如图3.

图2 网格验证结果

图3 网格形式

采用文献[13]中的算例验证本文模型，图4为验证结果对比，本文模拟值与文献平均相对偏差为6.03%，表明本文模型的可靠性.

图4 模型验证结果

2 分析与讨论

计算条件：春季室内、室外温度分别为18 ℃、20 ℃，太阳辐照为450 W·m-2，室内外对流换热系数分别为8.7 W·m-2·K-1和15 W·m-2·K-1.夏季室内、室外温度分别为26 ℃、38 ℃，太阳辐照为600 W·m-2，室内外对流换热系数分别为8.7 W·m-2·K-1和19 W·m-2·K-1.计算初始温度均为20 ℃.春季所用的相变材料融点为20～22 ℃，夏季所用相变材料融点为27～29 ℃，相变材料、二氧化硅气凝胶、空气和玻璃的物性参数如表1.

表1 材料光热物性参数

由图5(a)可知，同填充空气、二氧化硅气凝胶相比，玻璃围护结构添加相变材料后，其内表面温度分别降低1.50 K和3.54 K；中空玻璃围护结构内表面温度在0.5 h内达到稳定，气凝胶玻璃围护结构、相变玻璃围护结构分别经历1 h、2.8 h达到稳定，相变玻璃围护结构内表面温度达到稳定时间是气凝胶、中空玻璃围护结构的2.8、5.6倍，说明其热惰性明显强于其他两类玻璃围护结构.原因在于相变玻璃围护结构内相变材料吸收太阳能，减少了辐射能直接进入室内的机会.

图5 春季填充不同材料玻璃围护结构性能曲线

由图5(b)可知，同填充空气、二氧化硅气凝胶相比，玻璃围护结构添加相变材料后其内表面峰值热流的绝对值分别降低1.26 W·m-2和2.62 W·m-2.同时由图可见，相变材料虽然吸收太阳能熔化但保持其在一定的温度范围波动，由于室内侧表面温度保持291.15 K造成相变玻璃围护结构内表温度降低而导致其热流密度绝对值减小，从而造成如图5(c)室内中点(高度为1.5 m，且与外窗水平距离为1.5 m)的温度分布.由此可见，虽然太阳辐照相变玻璃围护结构，但室内空气温度仍然在降低，从而说明玻璃围护结构填充相变材料显著提高其热惰性，并有效改善室内侧温度调控力度.

图6为A、E两个监测点的温差，其用来评估室内的温度均匀性，如图可知玻璃围护结构填充相变材料后，其室内温度均匀性明显强于其他两类玻璃围护结构，在夏季则更加显著，其室内温度分布均匀性比中空玻璃围护结构和气凝胶玻璃围护结构分别提升了73%和57%.

图6 填充不同材料的玻璃围护结构室内A、E两点的温差

3 结论

本文建立了双层玻璃围护结构建筑热分析模型，研究空气、二氧化硅气凝胶、相变材料等填充物对玻璃围护结构蓄能特性的影响，并进一步分析其对室内热环境的影响，得到如下结论：

(1)玻璃围护结构添加相变材料后其内表面温度达到稳定的时间明显增加，在相同条件下相变玻璃围护结构内表面温度达到稳定时间分别为气凝胶玻璃围护结构、中空玻璃围护结构的2.8倍和5.6倍，说明相变玻璃围护结构蓄能效果增强；

(2)玻璃围护结构填充相变材料后，其内表面温度和热流密度均明显降低，在相同条件下，同二氧化硅气凝胶玻璃围护结构、中空玻璃围护结构相比其内表面温度分别降低1.50 K和3.54 K，内表面峰值热流分别降低1.26 W·m-2和2.62 W·m-2；

(3)玻璃围护结构填充相变材料后，由于其蓄能效果和热惰性能提升，导致其室内温度分布更加均匀；同二氧化硅气凝胶玻璃围护结构、中空玻璃围护结构相比，其温度分布均匀性分别升高73%和57%，使其室内热舒适程度明显改善.