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摘要：基于搭建的含石蠟層玻璃幕墻傳熱實(shí)驗(yàn)裝置，在大慶地區(qū)室外環(huán)境開展幕墻填充石蠟前后及在不同熔點(diǎn)石蠟等條件下幕墻動(dòng)態(tài)傳熱實(shí)驗(yàn)，獲得秋季和初冬季節(jié)典型天氣下幕墻填充石蠟前后夾層溫度、房?jī)?nèi)溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：太陽的輻照度對(duì)環(huán)境溫度升降有明顯的促進(jìn)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(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)夜間溫度升高、日間溫度降低，使房?jī)?nèi)熱舒適性明顯改善。

關(guān)鍵詞：幕墻；石蠟；傳熱；實(shí)驗(yàn)

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑能耗約占社會(huì)總能耗的30%，其中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)占建筑能耗的50%，而玻璃幕墻類圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗尤為嚴(yán)重［1，2］。目前在玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加石蠟等半透明相變材料改善其光熱性能是新技術(shù)之一，但其動(dòng)態(tài)傳熱機(jī)理和材料物性研究尚處于起步階段［3，4］。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)含相變材料玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱過程進(jìn)行了研究［5~10］。例如Alvaro等［5，6］測(cè)試含SP-22相變材料雙層玻璃幕墻系統(tǒng)內(nèi)表面溫度，發(fā)現(xiàn)其可有效減少空調(diào)負(fù)荷。Francesco等［7］對(duì)含石蠟相變玻璃窗與傳統(tǒng)玻璃窗進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)供熱和制冷季節(jié)含相變材料窗室內(nèi)可形成更舒適的熱環(huán)境。Silva等［8］搭建含相變材料和不含相變材料對(duì)比實(shí)驗(yàn)房，研究結(jié)果說明相變材料潛熱能夠調(diào)節(jié)一定的室內(nèi)環(huán)境溫度，并能提高建筑的能源利用效率。上述文獻(xiàn)表明填充半透明相變材料可改善玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)光熱性能，但目前針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究尚少。本文考慮嚴(yán)寒地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，搭建含石蠟層玻璃幕墻傳熱實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析幕墻填充石蠟前后夾層溫度及房?jī)?nèi)溫度動(dòng)態(tài)變化情況，并研究石蠟熔點(diǎn)對(duì)其影響。

1實(shí)驗(yàn)方法

含石蠟層玻璃幕墻傳熱實(shí)驗(yàn)裝置位于東北石油大學(xué)，其主要包括3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)房、分光譜輻射表、輻射自計(jì)儀、T型熱電偶、安捷倫溫度巡檢儀、計(jì)算機(jī)等。實(shí)驗(yàn)房外部尺寸為86cm×96cm×120cm、內(nèi)部尺寸為58cm×84cm×93cm，如圖1a所示。圖1b為標(biāo)記3組實(shí)驗(yàn)實(shí)物照片，由右至左編號(hào)依次為1#、2#、3#，實(shí)驗(yàn)房朝南向陽側(cè)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(shí)驗(yàn)房幕墻類通道中間層為內(nèi)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(diǎn)為299K（26℃）、相變潛熱為224kJ/kg，2#石蠟層的相變點(diǎn)為305K（32℃）、相變潛熱為238kJ/kg。實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備見表1。安捷倫溫度巡檢儀通過T型熱電偶對(duì)3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)房幕墻通道及室內(nèi)外實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)輻射自計(jì)儀記錄下分光譜輻射表所接受到的瞬時(shí)太陽輻射，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄下輻射和溫度數(shù)據(jù)，其中溫度巡檢儀和輻射自計(jì)儀記錄周期為10min。實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)熱流密度表達(dá)式可近似表示為：q=α(T5-T6)（1）式中，q——室內(nèi)熱流密度，W/m2；α——空氣耦合換熱系數(shù)，取7.43W/（m•K）；T5——幕墻室內(nèi)側(cè)溫度；T6——實(shí)驗(yàn)房室內(nèi)溫度。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)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(cè)量數(shù)據(jù)。由圖2可知，多云天氣時(shí)由于云彩遮擋太陽，輻照度存在一定波動(dòng)，在陰雨天太陽輻照度小于180W/m2，在晴朗天氣時(shí)太陽輻射強(qiáng)度達(dá)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(shí)間比太陽輻照度延遲1.5h，說明太陽輻照對(duì)環(huán)境溫度的升降有明顯促進(jìn)作用。 圖3為幕墻夾層溫度分布情況，圖4是幕墻靠近室內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度情況，圖5為實(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)空氣溫度情況，圖6是實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)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(fā)生明顯改變，在陰雨時(shí)3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)空氣溫度較1#、2#實(shí)驗(yàn)房石蠟層溫度高4℃，在多云時(shí)高8℃，在晴朗時(shí)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(qiáng)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(fā)生相變導(dǎo)致幕墻夾層升溫幅度較小。由圖4和圖5可知，多云天氣時(shí)，在夜間時(shí)段3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最小值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比低2℃，但在正午時(shí)段內(nèi)3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最大值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比高7℃；在陰雨時(shí)，在夜間時(shí)段3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最小值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比低1.5℃，而在正午時(shí)段內(nèi)3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最大值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比高3℃；晴朗天氣時(shí)，在夜間時(shí)段3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最小值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比低4℃，而在正午時(shí)段3#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)玻璃表面溫度和房?jī)?nèi)空氣溫度最大值同1#、2#實(shí)驗(yàn)房相比高10℃。同時(shí)由圖5可知，玻璃幕墻填充石蠟后其房?jī)?nèi)溫度峰值時(shí)間明顯延遲，但填充兩者不同熔點(diǎn)石蠟對(duì)其影響較小。由此說明，幕墻填充石蠟后，實(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)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(shí)3#實(shí)驗(yàn)房熱流密度與1#、2#實(shí)驗(yàn)房顯著不同。多云天氣時(shí)3#實(shí)驗(yàn)房熱流密度在正午（約12:00）達(dá)到峰值，為15W/m2，而在日落后（17:00~20:00）其熱流密度呈現(xiàn)負(fù)值，這是由于此時(shí)間段室外溫度降低而室內(nèi)溫度變化較小的緣故；但隨著室內(nèi)熱量傳到室外造成室內(nèi)溫度與室外溫度基本一致，導(dǎo)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(dǎo)致1#、2#實(shí)驗(yàn)房幕墻內(nèi)側(cè)溫度明顯低于其室內(nèi)溫度，從而導(dǎo)致部分時(shí)刻熱流密度出現(xiàn)負(fù)值，但隨著1#、2#實(shí)驗(yàn)房吸收太陽能輻射的增加以及石蠟融化，幕墻內(nèi)側(cè)溫度高于室內(nèi)溫度造成熱流密度為正值。陰雨時(shí)，同3#實(shí)驗(yàn)房相比，含石蠟層實(shí)驗(yàn)房熱流密度波動(dòng)范圍明顯減小，其原因在于石蠟層增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱能力。在晴天時(shí)，在室外溫度和太陽輻射的影響下，3種實(shí)驗(yàn)房熱流密度在中午時(shí)刻顯著不同，而在無太陽時(shí)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(shí)間段內(nèi)變化緩慢，同時(shí)透過石蠟層的太陽輻射能使得室內(nèi)空氣溫度升高。

3結(jié)論

為降低嚴(yán)寒地區(qū)玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑能耗，提高其蓄熱能力，可發(fā)展含石蠟類半透明相變材料玻璃幕墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)，本文對(duì)此技術(shù)進(jìn)行室外條件實(shí)驗(yàn)探索研究，得出如下主要結(jié)論：1）幕墻夾層填充石蠟使其溫度顯著降低，在晴朗時(shí)其溫度可降低11℃，并且太陽輻射強(qiáng)度越高，降溫效果越明顯。2）幕墻填充石蠟后，實(shí)驗(yàn)房?jī)?nèi)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(diǎn)對(duì)其影響較小。3）玻璃幕墻填充石蠟后其房?jī)?nèi)溫度峰值時(shí)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(xiàn)］

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作者：李棟 吳洋洋 劉昌宇 周英明 劉曉燕 單位：東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院