新型保温相变玻璃幕墙室内热环境研究
张春霞李栋杨瑞桐胡宛玉刘昌宇
（东北石泊大学土木建筑工程学院，大庆163318）
摘要玻璃暮增作为建筑外围护结构的薄别环节，在其夹层腔内填充二氧化硅气凝胶和相变材料可有效降低建筑能耗，以大庆地区过液季节典型晴天为计算气象条件，建立新型保温相变玻璃幕墙（TWSiOzPCM）室内热环境二维传热模型，研究含新型保温相变玻璃募增室内逐时调度分布，厘清相变器度为18°C、22°C和26°C的室内热环境变化规律，基干PMfV和PDD 方法开展室内热舒适性评价对比分析.结果表明：掌近玻璃喜墙内表面和竖墙区域空气温度波动大.在相同水平位置，调度随着高度增加面增加.同时，格点温度为 26°C 新型保温相变玻璃喜境室内热环境 PMV 值波动小，PPD< 10% 的舒适时间更长，室内热舒适性更高. 关键词玻璃暮墙：热舒适：相变材料：二氧化硅气凝胶 中图分类号：TK123文献标识码：A文章编号：0253-231X（2023）09-2560-07 The Study on Indoor Thermal Environment of The Three Layers Glass Curtain Wall Filled With Silica Aerogel and Phase Change Materials ZHANG Chunxia LI Dong YANG Ruitong HU Wanyu LIU Changyu Abstract As the weakest structure in the building envelope glass curtain walls can be filed withsilica aerogel and phase change materials in their laminated cavities to effctively reduce buildingenergy consumption. The two-dimensional heat transfer model of the three layers glass curtain wall o s ( ) s a e o typical sunny conditions in transition season at Daqing. The hourly temperature distribution ofindoor thermal environment is studied and the indoor thermal environment change rule with the PCM melting point temperatures of 18°C 22°C and 26°C is determined. Based on PMV and PDDmethods indoor thermal fort evaluation and parison analysis are carried out. The resultsas well as the vertical wall. At the same horizontal position the temperature increases with height show that the air temperature fluctuates greatly close to the inner surface of the glass curtain wallin the vertical direction. And when the melting point of PCM is 26°C the fluctuation of PMVis small the fort time with PPD<10% is longer and the indoor thermal environment is extra fortable. Key words multilayer glass curtain wall; thermal fort; phase change material; silica aerogel 0引言 目前，我国建筑能耗接近社会总能耗40%，玻波动的研究有很多，如LoW-e中空玻璃、幕墙遮度和耐久性等优点，但由于玻璃幕墙热悄性小，使统中空玻璃可降低夏季空调运行能耗，削弱室内温可降低建筑冷热负荷，M.Bessoudo等同研究内遮阳卷帘对室内热舒适的影响.Umberto7研究双时众多学者研究双层玻璃围护结构内填充相变材 层玻璃幕墙内填充气凝胶，具有一定节能效果，同 璃围护结构所带来的能耗占建筑总能耗的30%.阳、气凝胶幕墙和相变玻璃幕墙等技术回.孙海玻璃幕墙是常见的玻璃围护结构，具有美观，高强英等通过实验对比研究Low-e中空玻璃较传得室内房间的温度随太阳辐射波动较大，建筑能耗度波动.Palmero-Marrero等同研究一种外遮阳高.可采用新型保温玻璃幕墙结构，提高室内舒适性，降低建筑运行能耗，减少碳排放，对发展舒适健康的绿色节能建筑有重要意义. 国内外对降低玻璃幕墙能耗，减小室内温度 料的传热特性9，但由于严寒地区冬季室外环境以张成俊等1研究了一种外设二氧化硅气凝胶 温度较低，相变材料受外界环境温度影响较大，所保温材料的相变玻璃窗，结果发现，该种结构可保障相变材料冬季有效相变.然而，目前该结构的较少. 研究还在初期，针对其室内环境舒适性影响的研究 本文选取大庆地区过渡季节的晴天，建立新型保温相变玻璃幕墙（TWSiOPCM)室内环境的气温度的变化及石蜡相变熔点对室内环境舒适性的 二维数理模型，分析其室内环境水平与竖直方向空影响. 图2新型保温相变玻璃幕墙室内环境的传热物理模型Fig. 2 Physical model of heat transfer of indloor environment of the TWSIOPCM 1数学模型 1.2数学模型 1.1物理模型 图1为新型保温相变玻璃幕墙的结构简图，新型保温相变玻璃幕墙是由玻璃、二氧化硅气凝胶及相变材料石蜡组成，玻璃和空腔尺寸如图1所示（单位为mm），外空腔填充保温材料二氧化硅气凝胶，内空腔填充相变材料石蜡.太阳辐射通过透射、 吸收和反射经过新型保温相变玻璃幕墙进入室内，内外环境与新型保温相变玻璃幕墙通过导热、热对流和热辐射进行热量交换. 1.2.1流动计算 连续性方程： (1) 雷诺平均N-S方程： 程，房间内尺寸（长x高）为3mx3m，房间上下 图2为新型保温相变玻璃幕墙室内环境传热过墙为绝热，竖直墙体为定温，为18°C. (2) 热系数、比热容等）在固液相中不随温度发生变化， 模型假设：相变材料石蜡热物性参数（密度、导在处于熔融状态时吸收系数随温度线性变化：空腔内填充空气的物性参数不随温度发生变化，且处于随温度变化：忽略相变过程中石蜡体积膨胀和散射 层流状态：室内空气采用Boussinesq假设，密度效应：玻璃和二氧化硅气凝胶物性参数均匀且各向同性. 式中，u和u速度分量：f为质量力：T质为粘性应力：p室内空气的密度，kg-m-3；P为压力，Pa:μ压为涡粘性系数. 除此本文选用Fluent中RNG方程淄流模型，涉及K和e的计算，方程如下： (3) （4） (5) kg-m-1.s-：μ为淄流黏度，kg-m-s-1. 式中，K为滿动能，J：为耗散率：为动力黏度， 图1新型保温相变玻璃幕墙的结构简图Fig. 1 Schematic diagram of the TWSiO PCM 1.2.2传热模型计算 ST辐射源方程： 相变层区域： 新型保温相变玻璃幕墙室内环境可分为玻璃层、保温层、相变层、空气层四个区域. 玻璃层、保温层及空气层区域传热方程： 式中，为时间，s:T、T和T，为温度，K：P 和g分别为玻璃、空气和二氧化硅气凝胶的密度，kg-m-3：A、入.和入 分别为玻璃、空气和二氧化硅气凝胶的导热系数，W-m-1.k-1：ST为辐射源，W-m-3 式中，H为石蜡材料的比焙，J-kg-：P为石 蜡材料的密度，kg-m-3：入为石蜡的导热系数，W-m-1.K-1. 度，K：T为石蜡液相温度，K：c为石蜡材料比热， 式中，T为参考温度，K：T为石蜡融化初始温J-kg-1-K-1：Q为石蜡相变过程的潜热，J-kg-：β为计算区域液相率. 外玻璃层（r=-0.042m）处边界条件： (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) 热，W-m-²：ha为外玻璃窗表面对流换热系数， 式中，为外玻璃窗表面与外界环境辐射换W-m-2.K-1:Tou为外玻璃窗外表面温度，K：Tan为环境温度，K. 外界环境辐射换热： 式中，4x为玻璃通道向大气的辐射换热，W-m-2：9sky为天空的辐射换热，Wm-2；r.cround为地面 的辐射换热，W-m-². 保温层和内玻璃窗交界处边界条件： 1.3模型验证 针对新型保温相变玻璃幕墙室内热环境仿真模型的可靠性进行验证，通过Fluent软件仿真得到双层玻璃窗室内平均温度的数值结果与参考文献[11] 中的模拟数据进行对比，如图3所示，Fluent模拟的室内平均温度与文献模拟结果曲线趋势相同且测点的速率变化趋势十分相近，模拟数据相差很小，平均误差为5.87%，故本文采用Fluent对数值模型 进行仿真的结果是可靠的. Fig. 3 Model validation data parison 图3模型验证数据对比 2结果与分析 以中国大庆市为例，选取过渡季6月2日，室外温度与太阳辐射如图4所示.材料参数如表1所示，外玻璃幕墙对流换热系数为15Wm-²-K-. (16) (17) (18) (19) Fig. 4 Environmental climate curve in Daqing on June 2nd 图4大庆地区6月2日环境气候曲线 Table 1 Material parameters 表1材料参数 玻璃 石蜡 二氧化硅气凝胶熔点范围/²℃ 周态 18~26 液态导热系数/W-m*K- 密度/kg-m-3 2700 1 0.21 885 0.018 100比热容/J-kg²K- 潜热/kJ-kg- 840 2320 1500吸收系数/m-1 12 08 185 20 12折射率 1.5 1.3 1.01 2.1新型保温相变玻璃幕墙室内热环境 2.1.1新型保温相变玻璃幕墙室内热环境温度 分布 为研究新型保温相变玻璃幕墙室内热环境影响，模拟加装新型保温相变玻璃幕墙的室内热环境，室内温度分布. 熔点温度为18°C，分析其8:00、12:00和16:00的 图5为8:00室内热环境温度分布图.从图5可知，在0~0.5m高度区域范围内，室内左下方形成竖直方向呈梯度分布，随着高度增加温度递增：在 了低温团：在0.5~2.5m高度区域范围内，温度在2.5~3m高度区域内形成两个高温团.从水平方向分析，<0.5m（距离玻璃内表面0.5m区域内）温度梯度变化较大，温度线形成了下凹曲线，在0.5 m≤x≤2.5m区域内温度线呈水平直线，2.5m<r<3m（距离竖直墙体内表面0.5m区域内）温度梯度变化较大，温度线形成了上凸曲线.这是由于靠近玻璃幕墙内表面区域的空气温度小于同水平 高度室内中心温度，冷空气呈向下运动的趋势：而靠近竖直墙体区域的空气温度大于同水平高度室内中心的温度，热空气星向上运动的趋势.8:00室内 温度分布区间为16.60~17.99°C，温度波动振幅为 Fig. 5 The indoor thermal environment temperature 图58:00新型保温相变玻璃幕墙室内热环境温度分布distribution of tbe TWSiOPCM 8 o’clock 知，从竖直方向分析，温度分布随着高度增加温度 图6为12:00室内热环境温度分布图.从图可递增：在0~0.5m高度区域范围内，低温团转移至室内右下方，温度线围绕着低温团向外扩展.从大.温度线形成了上凸曲线，0.8m≤r≤2.7m 水平方向分析，x<0.8m区域内温度梯度变化较区域内温度线呈上下波动，2.7m<x<3m区域内温度梯度变化较大，温度线形成了上凹曲线.这大于同水平高度室内中心的温度，热空气呈向上运 是由于该时刻靠近玻璃幕墙内表面区域的空气温度动的趋势：而靠近竖直墙体区域的空气温度小于同水平高度室内中心的温度，冷空气呈向下运动的趋 势，12:00室内温度分布区间为18.01~19.16°C，温度波动降低17.27%. Fig. 6 The indoor thermal environment temperature 图612:00新型保温相变玻璃幕墙室内热环境温度分布distribution of the TWSiO PCM 12 o’clock 图7为16:00室内热环境温度分布图.从图可 知，该时刻室内温度分布均匀，从竖直方向分析，与8:00和12:00超势相同，随着高度增加温度递增： 在2.7~3.0m高度区域范围内，室内左上方区域内形成了高温层较12:00相比厚度增加.从水平方向分析，<0.5m区域内温度线形成了上凸的曲线，0.5m≤x≤2.5m区域内温度线呈水平直线，2.5 m<x<3m区域内温度线形成了上凹曲线.16:00室内温度分布区间为18.46~30.47°C，温度波动振幅为12.01°C. 图716:00新型保温相变玻璃幕墙室内热环境温度分布Fig. 7 The indoor thermal environment temperature distribution of the TWSiO PCM at 16 oclock 2.2相变熔点对新型保温相变玻璃幕墙室内热环 境影响 根据对新型保温相变玻璃幕墙室内热环境温度分布的分析可知，在同一水平位置竖直方向温度呈递增趋势变化，根据《民用建筑室内热湿环境评价m、1.7m、2.5m四个水平面，模拟相变熔点温度 标准》（GB50785-2012）在竖直方向选取0.1m、0.9分别为18°C、22°C和26°C的不同工况下，室内4个监测点的温度、玻璃幕墙内表面温度和室内平均温度的变化趋势. 图8为熔点18°C工况下监测点的温度变化.如图所示，6条温度曲线的趋势相同，玻璃幕墙内m、g=1.7m、y=2.5m及室内平均温度较玻 表面的平均温度为21.36°C，y=0.1m、y=0.9璃幕墙内表面的平均温度分别降低11.25%、8.75%、6.68%、4.12%和7.21%，玻璃幕墙内表面的温度振g=2.5m及室内平均温度较玻璃幕墙内表面的温 幅为15.65°，=0.1 m、y=0.9m、y=1.7 m、度振幅分别降低67.10%、51.36%、48.21%、45.81%和33.97%. 玻璃幕墙内表面的平均温度为21.85°C.y=0.1m、 图9为熔点22C工况下监测点的温度变化. y=0.9m、y=1.7m、y=2.5m及室内平均温8.31%、7.74%、4.91%和8.32%，与熔点18°C工 度较玻璃幕墙内表面的平均温度分别降低12.68%、况下室内热环境的平均温度升高0.22C.玻璃幕墙内表面的温度振幅为11.23C，y=0.1m、y=0.9m、y=1.7m、y=2.5m及室内平均温度较玻璃 幕墙内表面的温度振幅分别降低66.76%、47.97%、45.60%、33.73%和48.04%，与熔点18°C工况下室内热环境的平均温度振幅降低2.78°C 图8熔点温度为18°C工况下新型保温相变玻璃喜增室内热环境Fig. 8 Tbe monitoring point temperature of the 检测点的温度变化tempcrature of 18 °℃ TWSiOPCM indoor thermal cnvironment at the melting 图9熔点调度为22°℃工况下新型保温相变玻璃喜境室内热环境Fig. 9 The monitoring point temperature of the 检测点的温度变化TWSiO PCM indoor thermal environment at the meltingtemperature of 22° C 图10为熔点26°C工况下监测点的温度变化.玻璃幕墙内表面的平均温度为22.53°C.y=0.1m、y=0.9m、y=1.7m、y=2.5m及室内平均温 度较玻璃幕墙内表面的平均温度分别降低14.64%、
