通风相变双层玻璃幕墙的隔热性能研究＊

肖阳，许志慧，田耀月，张可凡，宋小生，蒋达华

（江西理工大学土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000）

随着中国城市建设发展，越来越多的高层和地标建筑开始采用双层玻璃幕墙美化景观、提升建筑舒适度。双层玻璃幕墙不仅对建筑的室内光环境有一定影响，作为外围护结构，它直接影响着建筑的供暖和空调能耗[1]。玻璃幕墙的节能设计从玻璃材质、型材和遮阳系统等方面进行选择，根据外界气候环境的变化，自动调节玻璃幕墙的保温、遮阳和通风系统[2]。含半透明相变材料的幕墙是一种新型建筑节能技术，是传统型玻璃幕墙的改良版，其原理是将内置遮阳卷帘替换为封装石蜡类半透明相变材料百叶，百叶可以调节旋转，以充分吸收部分光谱下的太阳能而达到蓄热目的[3-5]。相变材料具有体积小、造价低廉、储能密度大、节能效果明显、相变温度范围宽等优点，被广泛应用于环境温度控制、废热和余热回收、太阳能储存等领域[6]。本文提出一种基于相变材料的通风散热双层玻璃幕墙，并研究了其散热性能。

1 设计方案

太阳能通风相变散热双层玻璃幕墙主要由双层玻璃幕墙结构、太阳能发电集热百叶结构、玻璃百叶通风口结构、半透明石蜡相变材料蜂窝结构和风机辅助通风结构构成[7]。

幕墙结构如图1 所示，从图中可以看出，双层玻璃幕墙结构由外侧单层玻璃和内侧双层玻璃组成。为使玻璃幕墙更美观，外侧单层玻璃采用钢化玻璃并通过支架固定在建筑墙体外侧；内侧双层玻璃采用双层Low-E 玻璃（低辐射玻璃）并采取类似固定落地窗的形式固定在建筑墙体内侧，且内嵌半透明石蜡相变材料。外侧单层玻璃与内侧双层玻璃之间形成30～50 cm厚的空气夹层。在双层玻璃幕墙中间填充半透明石蜡相变材料，采用蜂窝结构；并采用十八烷石蜡，它在27 ℃时为固态，32 ℃时为液态，在夏季吸收室内热量，达到冷却目的，在冬季具有一定的蓄热保温作用，与太阳能通风装置结合，在一定程度上强化了相变散热效果。

图1 幕墙结构

2 实验分析

本次实验利用模型进行了2 组实验。实验一主要由单层玻璃和双层中空玻璃组成，单层玻璃安装在外侧，双层中空玻璃安装在内侧，2 面玻璃之间存在空气夹层，空气热阻大，能起到很好的隔热效果，而双层中空玻璃能进一步加强隔热效果。将2 面单层玻璃间隔一定距离粘在一起，制成双层中空玻璃，按1∶100比例制作封闭式双层玻璃幕墙模型，如图2 所示。利用室内加热器在距离模型1 m 处进行照射，对模型进行加热，根据实验数据绘制温度及温差变化图对其隔热效果进行分析，如图3 所示。

图2 封闭式双层玻璃幕墙模型示意图

图3 封闭式双层玻璃幕墙内外侧温度及温差随时间变化曲线

由图3 可知，玻璃幕墙内外侧初始温度分别为23.1 ℃和23.3 ℃。随着室内加热器照射时长的增加，内外侧温度均逐渐上升，但玻璃幕墙外侧温度相对于内侧温度而言，上升速度更快。28 min 后，内侧温度稳定在25.2 ℃左右，外侧温度稳定在33.2 ℃左右。

实验二主要由单层玻璃和双层玻璃（内置石蜡）组成，单层玻璃安装在外侧且上下方均有通风孔，双层玻璃安装在内侧，2 面玻璃之间存在空气夹层。开启通风口5、6，闭合通风口7、8，在热压作用下，外界较冷的空气从下通风孔进入空气夹层，空气夹层中较热的空气则从上通风孔排除，通过空气不断循环，带走空气夹层的热量，而双层玻璃由于内置石蜡能进一步加强隔热效果，且温度达到石蜡熔点时，可以吸收双层玻璃内侧热量。按1∶100 比例制作外循环式双层玻璃幕墙模型，如图4 所示。利用室内加热器在距离模型1 m 处进行照射，对模型进行加热，根据实验数据绘制温度及温差变化图对其隔热效果进行分析，如图5 所示。

图4 外循环式双层玻璃幕墙（内置石蜡）模型示意图

图5 外循环式双层玻璃幕墙内外侧温度及温差随时间变化曲线

由图5 可知，外循环式双层玻璃幕墙（内置石蜡）内外侧初始温度分别为21.8 ℃和22.1 ℃。随着室内加热器照射时长的增加，内外侧温度均逐渐上升，但玻璃幕墙外侧温度相对于内侧温度而言，上升速度更快。28 min 后，内外侧温度趋于稳定，内侧温度稳定在24.5 ℃左右，外侧温度稳定在29.7 ℃左右。

分析实验数据可知，封闭式双层玻璃幕中，当双层玻璃幕墙内外侧温度趋于稳定时，内侧温度比外侧温度低4.2 ℃左右；外循环通风模式下，当双层玻璃幕墙内外侧温度趋于稳定时，内侧温度比外侧温度低5 ℃左右。研究表明，双层玻璃幕墙在夏季具有较好的隔热散热效果，对降低建筑物用于制冷供暖能耗起到了辅助作用，具有一定的节能作用。

3 结论

将双层玻璃幕墙与太阳能百叶窗相结合，通过不同的通风口组合，实现了各个季节无风感室内空气循环；在双层玻璃幕墙中间添加石蜡半透明相变材料，采用蜂窝结构，加大了利用空间并增强了稳固性，相变材料可以强化换热，更好地带走室内热量；通过通风散热及集热金属保温，有效改善室内温度，节约了空调所需消耗的能源，且设置了自动调节太阳能百叶，可根据室外光照强度调节单元角度进行遮阳。