相变材料复合热致变色玻璃夏季隔热性能研究

■ 金 倩 JIN Qian 龙翔宇 LONG Xiangyu 梁润琪 LIANG Runqi

0 引言

目前，全球建筑能源消耗已占总能源消耗量的40%。2000—2017年，我国建筑能源消费总量年均增长7.25%。到2017 年，建筑能源消费总量为9.47 亿吨标准煤，占全国能源消费总量的21.10%[1]。欧美国家已经将建筑节能减排作为实现可持续发展的重要目标[2-3]。2020 年 9 月，我国在第75 届联合国大会一般性辩论上提出：中国的CO2排放力争于2030 年前达到峰值，争取2060 年前实现碳中和。我国碳减排工作已经进入总量控制阶段，而建筑节能将是我国实现“碳中和”目标的关键领域。

智能建筑表皮能够随室内外环境的变化而调节自身某些性能，从而在适应不断变化的气候环境的基础上，有效提高建筑室内舒适度并有效降低建筑能耗。热致变色玻璃和相变材料都属于可以应用于智能建筑表皮的材料。这两种材料的共同点是可以随温度变化而改变自身的光学或热学性能，且不需其他能源的消耗，是可以用于被动式节能的理想表皮材料。

热致变色玻璃可随温度的变化而改变太阳辐射透过率，二氧化钒VO2镀膜玻璃是其中一个典型代表。VO2作为一种热敏材料，可以从低温半导体单斜晶相到高温金属导体相实现可逆的变化，两相状态下的材料呈现出不同的光学特性。Long 和Ye（2014）[4]利用实验测试与建筑能耗模拟相结合的方法，从节能的角度提出了VO2热致变色玻璃光学属性的设计目标。梁润琪等[5]通过EnergyPlus 仿真模拟，从采光和节能两个方面对热致变色玻璃和电致变色玻璃进行了对比分析。

相变材料可以吸收或释放大量潜热，从而改变自身的物质状态，但保持温度相对恒定，这种特殊的物理性能，使得材料可以在一定范围内成为能量的“载体”。Gowreesunker 等（2013）[6]将双层玻璃内充满相变材料，通过实验和数值模拟相结合的方式，研究了该相变玻璃的光学和热学性能，研究发现，相变材料在相变过程中可以利用自身潜热，有效提升双层玻璃的热学性能，但在相变材料完全变为液态后，需要避免因过度吸热造成室内过热的现象。Liu等（2016）[7]采用有限差分法对夹有相变材料双层天窗玻璃的热学性能进行了数值分析，量化了相变材料的厚度和消光系数对室内得热量和温度变化的影响。Li 等（2018）[8]通过数值模拟，研究了三层相变保温玻璃在冬季和夏季的热学性能，发现该玻璃在夏季可将能耗降低达32.8%，并有效防止过热现象，且在冬季的保温效果明显。

将热致变色玻璃和相变材料相结合作为围护结构的研究并不多见。Long 等（2014）[9]首次对热致变色玻璃和含有相变材料的不透明外墙板进行组合，并通过实验证明了，将这两种材料组合应用在制冷季节可明显改善室内热舒适度。Bianco 等（2017）[10]将热致变色玻璃与相变材料结合制成三层保温玻璃，利用室外物理实验研究，发现在意大利气候条件下，相对于普通三层玻璃，此种玻璃可将夏季制冷负荷降低约1/3，并能明显提高室内热舒适度，但此研究没有给出相应的模拟方法。本文利用带有VO2涂层的热致变色玻璃和相变材料进行组合，形成5 种复合玻璃。运用Fluent 软件，建立这5 种玻璃的热学数值模型，并以南向玻璃窗为例，对这些复合玻璃窗应用于上海气候条件下的典型办公室南立面时的夏季的节能效果进行对比分析。

1 模型建立

在双层和三层保温玻璃的基础上，引入热致变色玻璃和相变材料，形成了5 种可用于建筑围护结构透光/半透光部分的复合玻璃。本节主要包括对这5种玻璃窗的物理模型描述，以及相变材料和热致变色玻璃的物理性能参数的计算过程。

1.1 物理模型

如图1 所示，本文对以下5 种复合玻璃进行模拟分析，其中包括：G1-双层中空low-e 保温玻璃；G2-双层普通玻璃空腔内充满相变材料；G3-双层玻璃，外侧为热致变色玻璃，内侧为普通玻璃；G4-双层玻璃空腔内充满相变材料，外侧玻璃为热致变色玻璃，内侧玻璃为普通玻璃；G5-三层玻璃保温玻璃，外层空腔内充满相变材料，内外侧玻璃为普通玻璃，中层玻璃为low-e 玻璃。复合玻璃的平面尺寸为0.2 m× 0.2 m，所有玻璃厚度均为6 mm，相变材料层为16 mm，空气层为10 mm。

图1 复合玻璃构造示意图（右侧为室外，左侧为室内）

1.2 相变材料物理参数假设与计算

相变材料选取自RUBITHERM®GmBH生产的RT27有机石蜡[11]，该材料的相变温度在25～28℃之间，潜热为184 kJ/kg。综合考虑到相变材料需要达到一定量才能发挥明显作用，但需要控制玻璃总重量，因此，根据实验研究[6]，取相变材料层厚度为16 mm，材料折射率为1.3，传热系数为0.2 W/mK，比热容取为4.81 kJ/kgK。

相变材料黏滞率ν（Pa·s）按公式（1）[12]计算：

其中，T为材料温度（℃）。

密度ρ（kg/m3）按公式（2）[13]计算：

其中，β为液相比，按公式（3）计算：

σa和σs分别为吸收系数和散射系数，也是需要输入Fluent 的重要参数，本研究中按照如下方法计算：

材料的光学厚度d可由公式（4）[6]计算得到：

其中，s为材料的厚度。

同时，根据定义，可得消光系数：

且根据朗伯比尔定律可得：

其中，τPCM为相变材料的太阳辐射透过率。

由（4）（5）（6）可得：

由参考文献[6]可知，对于相变材料RT27 在液相和固相的消光系数σε，liq和σε，sol分别为4/m 和29.4/m，因此，可由公式（7）计算得到RT27在液态和固态下的太阳辐射透射率τliq和τsol分 别 为0.86 和0.34。由公式（8）和（9）计算得到该材料在任意温度下的吸收系数σa。

同时，由公式（10）可计算得到任意温度下的消光系数

任意温度下的散射系数σs则可由公式（5）计算获得。

1.3 玻璃相关物理参数假设与计算

外层玻璃为6 mm 厚以VO2为基底的热致变色纳米颗粒镀膜玻璃，转变温度为28℃，变色温度区间为6℃[14]。内层玻璃为6 mm 普通玻璃。两种玻璃的太阳辐射反射率、透射率和吸收率见表2。热致变色玻璃和普通玻璃的密度均取2 500 kg/ m3，比热容取840 J/kgK，导热系数为1.3 W/ mK，折射率为1.5，不考虑散射。普通玻璃表面发射率取0.85，low-e 玻璃发射率取0.03。

表2 热致变色玻璃和普通玻璃的太阳辐射热相关系数

2 数值模型

运用Fluent 软件，对以上5 种复合玻璃，在上海气候条件下应用于南向办公建筑时的热学性能进行模拟。

2.1 几何模型

采用Fluent 软件进行二维传热模拟。利用DesignModeller 进行几何建模，网格单元大小为1 mm×1 mm，划分网格后将模型（图2）数据导入Fluent 进行计算设置。

图2 网格划分后的相变材料复合三层保温玻璃模型

2.2 边界条件设置

采用上海典型气象年数据，分别选取上海8 月晴朗（日平均天空覆盖率为均0）和阴天两日（日平均天空覆盖率为95%）进行模拟。假定室外无遮挡，将天气数据中的太阳总辐射转化成南立面太阳辐射。室外空气温度和南立面太阳总辐射如图3所示。晴天工况日平均气温为28.8℃，最高气温达到32.4℃，夜间温度最低为25.6℃，南立面太阳总辐射最大值为384 W/m2。阴天工况日平均气温为25.4℃，最高气温为29.3℃，夜间温度最低为22.2℃，南立面太阳总辐射最大值为114.5 W/m2。

图3 室外空气温度与南立面太阳总辐射量

玻璃的室内、外表面换热系数分别 取8.7 W/m2K 和19 W/（m2K）[15]。室内空气温度为25℃。玻璃与相变材料所吸收的太阳辐射，由入射到材料表面的太阳辐射量和各材料的太阳辐射吸收率相乘获得，并以热源形式加到相应材料层。相变材料的反射忽略。

2.3 求解模型

采用二维、非稳态求解器，对于包含相变材料的玻璃模型使用凝固/融化模型。对于G1～G4 选择SIMPLEC 算法，G5 选择Coupled 算法，数学方程选用二阶迎风格式，能量松弛因子设为0.9，密度松弛因子设为0.7，以促进收敛。计算时间步长度为5 min。考虑前一日天气条件的影响，在模拟时将开始计算的时间提前至前一日的20:00。

3 计算结果分析

本节通过对晴天和阴天两种工况下的不同复合玻璃的隔热性能的对比分析，研究热致变色玻璃和相变材料随室外温度和太阳辐射的变化对室内得热的调节作用，进而对不同复合玻璃的节能效果进行量化。

3.1 晴天工况

由图4 和图5 可知，与G1 相比，含有热致变色玻璃的G3 对太阳辐射的透射率更低，但对太阳辐射的吸收率较高，G3 的室内、外玻璃的表面温度均高于G1，进而导致室内玻璃对室内空气的辐射和对流传热增大。但是，从室内总得热的角度看，直接透射的太阳辐射热仍占主导作用，且由于普通玻璃的太阳辐射透射率高于热致变色玻璃，因此，带有热致变色玻璃的组合隔热效果更佳。

图4 保温玻璃室内外表面温度变化（晴天）

在上午室外温度和太阳辐射升高的过程中，G2、G4 和G5 中的相变材料，将部分得热转化为自身潜热，从而延缓室内玻璃温度的升高速率。结合图6 可知，在中午12:00 后，相变材料全部由固体转化为液体，因此，12:00 之 后，G2、G4 和G5 的 室 内玻璃温度升高速率明显加快。由于晴天工况下，下午的室外气温和太阳辐射量均很大，因此，相变材料在晚上19:00 之前都处于液态。19:00 之后相变材料开始逐渐降温凝固，部分潜热被传递到室内，G2、G4 和G5 在晚间的室内得热更多，但总体的热量数值比较小。另外，G2、G4 和G5 将室内总得热的高峰延后了1 h（图5）。

图5 太阳辐射透过量和室内总得热量（晴天）

图6 相变材料层的平均温度和液相比（晴天）

在双层玻璃的组合中，室内得热最低的是G4，其峰值较G1 降低了23%，由室内总得热量曲线对时间求积分，可计算得到全天室内得热量相对G1 降低约23%。在所有玻璃组合中，G5 的室内得热最低，峰值较G1降低了37%，全天室内得热量降低了35%。

3.2 阴天工况

与晴天工况相比，阴天工况下，含有相变材料的玻璃室内外表面温度比不含有相变材料的玻璃更低（图7），这是由于，一方面，阴天时太阳辐射总量大幅减少，不到晴天工况的1/3，热致变色玻璃吸收的太阳辐射热减少；另一方面，略低的室外空气温度条件，使得相变材料不像晴天时上午温度迅速升高并整个下午都完全处于液态，而是一直处于固液混合的状态（图9），从而更好地利用潜热发挥隔热作用。由图9 可知，相变材料的潜热在阴天工况下的最大利用率为70%～80%。与晴天工况类似，在16:00 之后至晚间，相变材料在融化过程中，将部分潜热释放到室内，因此，这段时间含有相变材料的玻璃，尤其是G2 和G4 的室内得热量较高。G5 因为空气层的隔热作用，因此，室内的热量明显低于G2 和G4，但仍高于G1。

图7 保温玻璃室内外表面温度变化（阴天）

图8 太阳辐射透过量和室内总得热量（阴天）

图9 相变材料层液相比（阴天）

在阴天工况下，G2、G4 和G5中的热致变色玻璃在太阳辐射不为零的时间段均处于变色温度区间，即25～31℃。这使得这三种玻璃的太阳辐射透过率表现出更加活跃的变化，而在晴天工况下，这三种玻璃的热致变色玻璃在10:00—11:00 之间与18:00—19:00 之间均处于完全变色状态。

与晴天工况类似的是，在双层玻璃的组合中，室内得热量最低的是G4，其峰值较G1 降低了21.2%，全天室内得热量降低了25%。而在所有玻璃组合中，G5 的室内得热量最低，峰值较G1 降低了40.0%，全天室内得热量降低了49%。

4 结语

本文将热致变色玻璃和相变材料进行组合，形成具有热惰性和遮阳效果的保温玻璃。采用有限体积法，利用Fluent 软件，对上海地区夏季天气情况下南向玻璃的隔热性能展开模拟与对比分析。在晴天和阴天工况下，相变材料和热致变色玻璃的组合均能通过潜热的吸收和释放，以及对太阳辐射透过率的控制有效降低室内空调负荷，其中三层保温玻璃效果更佳，可将室内得热量的峰值降低至双层low-e 保温玻璃的60%，并能够明显改变峰值对应时间。全天室内得热量在阴天工况下更明显，约为双层low-e 保温玻璃的一半，晴天工况下也可降低约35%。