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对相变材料不同热物理参数下PCM填充玻璃窗动态传热性能的模拟研究
摘要：
为了确定为了确定相变材料（PCM）热物理参数对PCM填充玻璃窗（PCMW）动态传热过程的影响，我们建立了数值模型和实验装置。 进行了典型夏季晴天和阴雨天有不同围护结构的实验测量。 结果表明，当PCM（石蜡MG29）用于PCMW时，PCMW的热绝缘和峰值冷却负荷转移效应在中国的炎热的夏季和寒冷的冬季地区显著，在典型的夏季晴天热量通过PCMW降低了18.3%。 然后，基于实验测量，利用液体对PCM热物性参数对PCMW动态传热性能的影响进行了研究。 模拟结果表明，随着PCM熔合潜热的增大，PCMW的热绝缘和负载转移效应增强，应用在PCMW中的PCM最佳熔化温度为25-31℃。 此外，液相与固相之间的温差最小化可以改善PCMW的热性能。
1.介绍
国际能源署表示，2007年中国建筑能耗占全国一次能源消费总量的31％[1]. 在我国夏热冬冷地区，建筑围护结构能耗占建筑能耗总量的60-80％，通过建筑围护结构能耗的围护结构能耗率为30％[2]. 所以窗户的热性能对建筑节能起着重要的作用。
进行了一系列有关围护结构节能的研究。 二氧化钒热变色玻璃窗[3] 和近红外电致变色玻璃窗[4] 进行了研究。 热致变色和电致变色玻璃窗通过改变窗户的太阳辐射透射率来减少太阳辐射热量增加; 结果导致夏季空调系统能耗下降，冬季供热系统能耗增加。 双层玻璃窗与流体通道进行了研究，以提高热回收和减少热量损失[5,6]. 虽然结构复杂，成本高，但在中国不同地区可节能25-34％。 此外，还有半导体太阳能电池的双层玻璃窗[7] 和low-E薄膜[8,9] 进行了调查。 虽然这些窗户可以在一定程度上减少能源消耗，但成本高，结构复杂，年节能效果不理想。 采用相变材料（PCM）的建筑围护结构可以随着外部温度变化平和内部环境的温度波动，增加轻质建筑墙体的热容量和热惯性，从而提高室内环境的热舒适性，由于PCM的相当大的能量存储密度和相位变化发生时的近似静止温度。 研究人员提出了用PCM填充的双层玻璃窗。 最初是针对寒冷的气候条件提出的，根据最近的研究，它也适用于温暖的地区[10].
进行了一系列有关相变材料填充玻璃窗（PCMW）的研究。 Ismail 和 Henriquez[11,12] 通过数值和实验研究，研究了PCMW的传热系数（U），太阳能热增益系数（SHGC）和遮阳系数（SC）。 结果表明，在高太阳辐射下PCMW的U值（6mm玻璃 15mm PCM层 6mm玻璃）与单纯玻璃面板（6mm玻璃）相比，从5.22Wmminus;2Kminus;1下降到3.70Wmminus;2Kminus;1，SHGC从0.821下降到0.660。 通过Gowreesunker研究PCMW（RT27）的光学性质（消光，散射和吸收系数）[13] 通过T历史方法和分光光度学原理，发现在稳定条件下分别获得液相和固相的90％和40％的视觉透射率值。 这些研究集中在PCMW的热学性质和光学性质上，而对实际应用却很少关注。 研究了模拟热源条件下PCMW（CaCl26H2O）的热性能[14]. 需要进行更多的实验研究，因为PCMW（CaCl26H2O）被应用在模拟环境中，而不是在实际环境中，内表面温度作为单一评价指标来评估PCMW的热性能。 Goya研究了应用于亚热带湿润气候区的PCMW（石蜡，RT35）[15–17]. 通过PCMW传递的热量进行计算，评估室内环境的热舒适性，PCMW的遮阳和隔热效果显著
在湿热带亚热带气候区内，PCMW室内环境的PMV值低于夏季中空玻璃窗（HW）。 在中国炎热的夏季和寒冷地区应用的PCMW（硫酸钠十水合物）是由李调查的[18], 得出的结论是，由于通过PCMW传递的热量，空调系统和供热系统的年能耗比应用HW降低了40.6％，并且PCMW在阳光灿烂的夏季的热绝缘和峰值冷却负荷转移效应日子是显着的，而PCMW的动态热性能在其他代表性日子里不令人满意，因为它不能降低建筑能耗。
根据文献回顾，对相变材料填充玻璃窗进行了简单的调查，以减少夏季的热量增加，或者在冬季储存太阳辐射的热量。 用于夏热冬冷地区的PCM玻璃窗的性能调查很少。 调查结果表明，在夏热冬冷地区，夏季炎热天气下PCMW（十水硫酸钠）的动态热学性能不理想，十水硫酸钠热性能不稳定[18]. 为了提高PCMW的热性能，本文提出了PCMW（石蜡 MG29）在有代表性的晴天和下雨天的动态换热性能的实验结果，并对PCM热物理参数对动态换热性能的影响进行了数值模拟研究本文介绍了PCMW的概念。
2.数值模拟
2.1.PCMW和HW的传热过程
PCMW和HW的传热过程如图所示图。1。到达玻璃表面的太阳辐射分为三部分。 第一部分是由玻璃表面反射的辐射，第二部分是由双层玻璃窗吸收的辐射，最后部分是通过PCMW和HW传输的辐射。 热辐射和对流结合的传热过程分别发生在外部和内部表面的边界上。
建立传热模型的假设如下：（1）由于PCM和玻璃均匀，所有材料被认为是热均质和各向同性的介质; （2）PCM的热物理性质对于固相和液相是不同的，但与温度无关。 虽然在这个研究中温度范围很小，所以热物理性质可以认为是恒定的; （3）玻璃窗的内外表面被认为是漫反射的灰色表面; （4）由于PCMW和HW中的Grashof数（Gr）小于2860，所以忽略对流过程，导热过程取决于双层玻璃的导电过程。 （5）由于窗户的高度和宽度都是厚度的10倍，通过窗户的传热简化为双层玻璃窗内的一维非稳态传热过程。
2.2.控制方程和边界条件
传热计算在三个地区。 它们是外部玻璃层，内部玻璃层和空气或PCM层。三个区域的控制方程如下：
当0lt;X1lt;X2和X1lt;X2lt;X3，
（1）
当X1lt;Xlt;X2并且双层玻璃填充空气，
（2）
当X1lt;Xlt;X2并且双层玻璃填充PCM，
(3)
其中pg，pa和pPCM分别是玻璃，空气和PCM的密度，Cg和Ca分别是玻璃和空气的特定热容量,lambda;g，lambda;a和lambda;PCM分别是玻璃，空气和PCM的热导率，H是PCM的比焓。
方程式中PCM的特定焓(3) 计算如下。
(4)
（5）
（6）
（7）
（8）
(9)
其中H是PCM的特定焓，H0是特定的焓当从固体到液体阶段，△H是这个阶段过程改变的潜热。tREF是当具体的焓值为0时的参考温度， HREF为参比温度下的比焓（HREF= 0 kJ kgminus;1），cp为参比温度下的比热容，beta;是在计算区域中当时的液体分数，tsolid是PCM相态从固态变为液态时的温度，tliquid是PCM相变完全变为液态时的温度， QL是整个相变过程中PCM的潜热。
在X=X3的边界条件是
（10）
在X=0的边界条件是
（11）
其中lambda;g为玻璃的热导率，alpha;i和˛alpha;o分别为PCMW和HW内外表面复合传热系数（在夏季alpha;i= 7.75 Wmminus;2 ◦Cminus;1和alpha;o= 7.43 Wmminus;2 ◦Cminus;1;冬季alpha;i= 6.61Wmminus;2 ◦Cminus;1和alpha;o= 7.66Wmminus;2 ◦Cminus;1），ts，i(tau;)和ts，o(tau;)是PCMW和HW的内表面和外表面上的温度（当它是HW时，y = 0.19;当它是PCMW时，y = 0.37），I是垂直平面上的太阳辐射。
本文分析了相同尺寸和厚度夹层的PCMW和HW的热性能。 采用温度时滞和温度递减系数来评价窗户的动态热性能，并利用节能率来评价窗户的隔热性能。
温度时滞是PCMW和HW内表面温度波的相位差，由式(12). 温度下降因子是PCMW和HW振幅内表面温度波的比值，可由式(13). 温度时滞和温度递减系数示意图如图2所示。如果温度时滞较高，温度降低因子较低，则说明室外热环境对室内热环境的影响较小，建筑围护结构的热性能较好。
（12）
（13）
其中phi;PCM是PCMW与HW的温度时滞，tau;PCM,max和tau;air，max别是PCMW和HW在温度波的内表面最高温度的时间，f PCM是PCMW与HW的温度衰减因子，tPCM，max和tPCM，min分别是温度波在PCMW内表面的最高温度和最低温度，tair，max和tair，min分别为温度波在HW内表面的最高温度和最低温度。
节能率定义为通过HW / PCMW传递到建筑物的热量与通过HW传递到建筑物的热量之差，如下式所示：
（14）
其中Qi，PCM和Qi，air分别是通过PCMW和HW传递的热量，eta;是PCMW相对于HW的节能率（当eta;gt; 0时，空调系统的能耗或加热系统与PCMW减少;当eta; lt;0时，空调系统或采用PCMW的加热系统的能耗增加;当eta; = 0时，PCMW与空调系统或加热系统的能耗与HW相比等同）。
PCMW和HW的内表面上的热流密度通过以下公式计算：
（15）
其中qi是PCMW或HW的内表面热通量，alpha;i是PCMW或HW的内表面综合换热系数，tg,i是PCMW或HW内表面上的温度，ta,i是室内空气的温度，I是垂直平面上的太阳辐射，sigma;是PCMW或HW的太阳能透射率（HW的sigma;=0.76，而PCMW的sigma;=0.51）。
通过PCMW和HW传递的热量通过以下公式计算：
（16）
其中Qi是通过PCMW或HW传递的特定累计热量，其他符号与方程(15)相同
3.实验研究
建立了实验装置在典型的的夏季晴天进行了测量。PCMW和HW的内表面的温度和热量通过测量获得，而通过PCMW和HW传递的热量通过Eq获得。
3.1.实验装置
实验装置由三部分组成。 第一部分是两个完全相同的由聚氨酯夹层绝热板制成的保温室，每个保护室内都有一个测试室，如图图3。第二部分是空调系统和电加热系统，使保护室和检测室保持在相同的温度，如图所示图4。第三部分是温度，流量，功率，太阳辐射强度测量装置和数据采集仪器。
通过PCMW和HW传入或传出建筑物的热量是从测试室的节能中获得的。 在图4，带有电加热器的风机盘管装置设置在每个防护室和测试室内; 风机盘管单元内的冷水和热水由空气源热泵机组提供， 风机盘管单元中的电加热器为每个防护室和测试室提供热量。 保护室和测试室根据保护室和测试室内的空气温度，通过调节电加热器的加热功率将其设置在相同的温度。 当保护室和测试室设置在相同的温度下时，保护室和测试室之间没有热量通过聚氨酯夹层绝热板传递，因此热量只能通过测试室和外部环境之间的PCMW或HW传递。 因此，通过PCMW和HW传递的热量可以通过测试室的能量守恒方程来计算，如公式(17). 数字功率表直接测量风机盘管单元内的风机功率，该风机盘管单元转换为测试室内的电加热器和电加热器的功率。 风机盘管单元提供的制冷量是根据测得的入口和出口水温以及风机盘管单元中的水流量来计算的。 通过PCMW和HW传递的热量通过以下等式计算：
(17)
其中Qi是通过PCMW和HW传递的热量，（当Qigt; 0，通过PCMW和HW从外部传入测试室的热量; 当Qilt;0时，通过PCMW和HW从试验室向外传递热量; 当Qi= 0时，通过PCMW和HW传递的热量为零），QH为试验室内电加热器的功率，QF为风机盘管单元在试验室内，QC是试验室内风机盘管单元提供的制冷量，Cw是试验室内风机盘管单元循环水的比热容量，pw为试验室内风机盘管单元循环水的密度。Gw为试验室内风机盘管单
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