含石蠟層幕墻動態傳熱特性實驗分析范文

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摘要：基于搭建的含石蠟層玻璃幕墻傳熱實驗裝置，在大慶地區室外環境開展幕墻填充石蠟前后及在不同熔點石蠟等條件下幕墻動態傳熱實驗，獲得秋季和初冬季節典型天氣下幕墻填充石蠟前后夾層溫度、房內溫度動態變化規律。實驗結果表明：太陽的輻照度對環境溫度升降有明顯的促進作用；幕墻夾層填充石蠟使其溫度顯著降低，太陽輻照度越高，其降溫效果越明顯，而實驗房內夜間溫度升高、日間溫度降低，使房內熱舒適性明顯改善。

關鍵詞：幕墻；石蠟；傳熱；實驗

引言

據統計，建筑能耗約占社會總能耗的30%，其中建筑圍護結構占建筑能耗的50%，而玻璃幕墻類圍護結構能耗尤為嚴重［1，2］。目前在玻璃圍護結構中添加石蠟等半透明相變材料改善其光熱性能是新技術之一，但其動態傳熱機理和材料物性研究尚處于起步階段［3，4］。國內外眾多學者對含相變材料玻璃圍護結構傳熱過程進行了研究［5~10］。例如Alvaro等［5，6］測試含SP-22相變材料雙層玻璃幕墻系統內表面溫度，發現其可有效減少空調負荷。Francesco等［7］對含石蠟相變玻璃窗與傳統玻璃窗進行對比實驗，發現供熱和制冷季節含相變材料窗室內可形成更舒適的熱環境。Silva等［8］搭建含相變材料和不含相變材料對比實驗房，研究結果說明相變材料潛熱能夠調節一定的室內環境溫度，并能提高建筑的能源利用效率。上述文獻表明填充半透明相變材料可改善玻璃圍護結構光熱性能，但目前針對嚴寒地區的相關實驗研究尚少。本文考慮嚴寒地區環境特點，搭建含石蠟層玻璃幕墻傳熱實驗裝置，進行實驗研究，分析幕墻填充石蠟前后夾層溫度及房內溫度動態變化情況，并研究石蠟熔點對其影響。

1實驗方法

含石蠟層玻璃幕墻傳熱實驗裝置位于東北石油大學，其主要包括3組對比實驗房、分光譜輻射表、輻射自計儀、T型熱電偶、安捷倫溫度巡檢儀、計算機等。實驗房外部尺寸為86cm×96cm×120cm、內部尺寸為58cm×84cm×93cm，如圖1a所示。圖1b為標記3組實驗實物照片，由右至左編號依次為1#、2#、3#，實驗房朝南向陽側為由前玻璃板和后玻璃板組成的玻璃幕墻類通道，該通道寬度為145mm，其中1#、2#實驗房幕墻類通道中間層為內嵌相變材料的雙層玻璃幕墻。玻璃和石蠟層厚度分別為4.0mm和5.5mm。1#石蠟層的相變點為299K（26℃）、相變潛熱為224kJ/kg，2#石蠟層的相變點為305K（32℃）、相變潛熱為238kJ/kg。實驗所用儀器設備見表1。安捷倫溫度巡檢儀通過T型熱電偶對3組對比實驗房幕墻通道及室內外實時溫度數據進行監測，同時輻射自計儀記錄下分光譜輻射表所接受到的瞬時太陽輻射，由計算機自動記錄下輻射和溫度數據，其中溫度巡檢儀和輻射自計儀記錄周期為10min。實驗房幕墻內側熱流密度表達式可近似表示為：q=α(T5-T6)（1）式中，q——室內熱流密度，W/m2；α——空氣耦合換熱系數，取7.43W/（m•K）；T5——幕墻室內側溫度；T6——實驗房室內溫度。

2實驗結果及分析

圖2為2015年9月24日（多云）、10月8日（晴）、10月17日（陰雨）的太陽輻照度與溫度測量數據。由圖2可知，多云天氣時由于云彩遮擋太陽，輻照度存在一定波動，在陰雨天太陽輻照度小于180W/m2，在晴朗天氣時太陽輻射強度達到峰值786W/m2。此外由圖2還可知，在多云和晴朗天氣下室外溫度峰值時間比太陽輻照度延遲1.5h，說明太陽輻照對環境溫度的升降有明顯促進作用。 圖3為幕墻夾層溫度分布情況，圖4是幕墻靠近室內側玻璃表面溫度情況，圖5為實驗房內空氣溫度情況，圖6是實驗房幕墻內側表面熱流密度情況。由圖3可知，填充石蠟層后幕墻夾層溫度發生明顯改變，在陰雨時3#實驗房幕墻內空氣溫度較1#、2#實驗房石蠟層溫度高4℃，在多云時高8℃，在晴朗時高11℃。由此說明石蠟的存在使幕墻夾層溫度顯著降低，并且太陽輻射強度越高、其降溫效果越明顯，其原因在于石蠟吸收大量的太陽能而發生相變導致幕墻夾層升溫幅度較小。由圖4和圖5可知，多云天氣時，在夜間時段3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最小值同1#、2#實驗房相比低2℃，但在正午時段內3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最大值同1#、2#實驗房相比高7℃；在陰雨時，在夜間時段3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最小值同1#、2#實驗房相比低1.5℃，而在正午時段內3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最大值同1#、2#實驗房相比高3℃；晴朗天氣時，在夜間時段3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最小值同1#、2#實驗房相比低4℃，而在正午時段3#實驗房幕墻內側玻璃表面溫度和房內空氣溫度最大值同1#、2#實驗房相比高10℃。同時由圖5可知，玻璃幕墻填充石蠟后其房內溫度峰值時間明顯延遲，但填充兩者不同熔點石蠟對其影響較小。由此說明，幕墻填充石蠟后，實驗房內夜間溫度升高、日間溫度降低，熱舒適性得到明顯改善。由圖6可知，不同天氣狀況時3#實驗房熱流密度與1#、2#實驗房顯著不同。多云天氣時3#實驗房熱流密度在正午（約12:00）達到峰值，為15W/m2，而在日落后（17:00~20:00）其熱流密度呈現負值，這是由于此時間段室外溫度降低而室內溫度變化較小的緣故；但隨著室內熱量傳到室外造成室內溫度與室外溫度基本一致，導致20:00~次日06:00（太陽升起前）的熱流密度很小。由于石蠟的吸熱融化影響，導致1#、2#實驗房幕墻內側溫度明顯低于其室內溫度，從而導致部分時刻熱流密度出現負值，但隨著1#、2#實驗房吸收太陽能輻射的增加以及石蠟融化，幕墻內側溫度高于室內溫度造成熱流密度為正值。陰雨時，同3#實驗房相比，含石蠟層實驗房熱流密度波動范圍明顯減小，其原因在于石蠟層增加了圍護結構的蓄熱能力。在晴天時，在室外溫度和太陽輻射的影響下，3種實驗房熱流密度在中午時刻顯著不同，而在無太陽時刻其差距較小，其原因在于晴天石蠟層吸收的能量滿足最大潛熱后其溫度在一定時間段內變化緩慢，同時透過石蠟層的太陽輻射能使得室內空氣溫度升高。

3結論

為降低嚴寒地區玻璃圍護結構建筑能耗，提高其蓄熱能力，可發展含石蠟類半透明相變材料玻璃幕墻圍護結構技術，本文對此技術進行室外條件實驗探索研究，得出如下主要結論：1）幕墻夾層填充石蠟使其溫度顯著降低，在晴朗時其溫度可降低11℃，并且太陽輻射強度越高，降溫效果越明顯。2）幕墻填充石蠟后，實驗房內夜間溫度升高、日間溫度降低，其熱舒適性得到明顯改善，但填充石蠟熔點對其影響較小。3）玻璃幕墻填充石蠟后其房內溫度峰值時間明顯延遲，說明相變材料可有效提高幕墻的隔熱性能。

［參考文獻］

［1］孫紅三，吳如宏，燕達.太陽輻射的室內表面能量計算方法研究與開發［J］.太陽能學報，2015，36（12）：3054—3059.

［2］韓宗偉，王一茹，阿不來提•依米提.太陽能熱泵相變蓄熱供暖系統參數影響研究［J］.太陽能學報，2015，36（8）：2028—2035.

作者：李棟 吳洋洋 劉昌宇 周英明 劉曉燕 單位：東北石油大學土木建筑工程學院