盐分沉积条件下建筑玻璃热工与光学性能研究

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受海洋环境的影响,我国大面积的沿海地区和岛屿上的建筑围护结构除了承受内陆地区常规的热湿压力外,还遭受盐雾的侵袭。建筑外窗作为沟通室内外声、光、热环境的桥梁,其传热与空气渗透热损失之和占围护结构总热损失的40%~50%,是整体传热的薄弱环节。建筑玻璃处于沿海地区的盐雾气候下,其表面出现盐分湿沉积或干沉积现象,表面换热特性与光热性能发生变化,导致其与处于内陆地区的常规气候下的热工性能存在差异。针对上述问题,本文开展了以下工作:首先以市场上常用的中空白玻、中空Low-E为研究对象,通过加速盐雾试验的方法使玻璃表面产生盐分沉积,探究了不同喷雾时间、盐水浓度与沉积量之间的关系并对比了水平面与倾斜面的沉积特性差异。随着喷雾时间变长,玻璃表面的盐斑分布均匀性与密集程度均有所下降,但盐斑尺寸、单位面积沉积量与喷雾时间分别呈现指数与对数函数增长趋势。盐水浓度增大并未改变盐斑尺寸和沉积量随喷雾时间的变化规律,但高浓度对应的单位面积沉积量始终大于低浓度工况,平均增幅为11.6%。此外,盐斑在倾斜玻璃表面并非均匀分布,而主要分布在沿重力方向的底边附近区域。在实验有限的喷雾时间内,倾斜表面盐斑尺寸并未呈现明显的指数函数增长趋势,但单位面积沉积量与喷雾时间仍呈现对数增长趋势。在此基础上,在气候风洞内采用直接热平衡法测试了不同盐分沉积量下玻璃试件的表面换热系数,分析了试件表面温度与热流、表面换热系数随沉积量的变化规律,并建立了适用于盐雾气候条件下的对流换热系数扩展模型。玻璃内外表面温度随着表面盐分沉积量增大而降低,但不同工况之间的温度波几乎无延迟,且盐分沉积产生的表面附加热阻极小。外、内表面热流随着沉积量增大呈现单调递减趋势,分别衰减为无盐工况的40.3%、40.6%,可显著减少进入室内的对流换热量。此外,对流和辐射换热系数随着玻璃试件表面沉积量增加呈现单调递增趋势,与无盐工况相比,CHTC和RHTC的最大增幅分别为178.7%、97.2%,均与单位面积沉积量呈现线性增长关系,并且适用于盐雾气候区的建筑玻璃表面对流换热系数扩展模型为CHTC(V10,p)=(0.24×p+8.05)×(3.67×V100.81)/8.48。其次,采用分片法测试了玻璃试件在不同表面盐分沉积情况下的太阳光谱透射比、反射比及表面发射率,重点分析了可见光透、反射比、发射率及遮蔽系数随沉积量的变化规律,并拟合了对应的修正系数与单位面积沉积量之间的函数关系。盐分沉积主要使Low-E玻璃的可见光透射比衰减,而其余波段的透射比变化不大。反射比亦随着沉积量增大而减小,但其影响范围几乎覆盖全波段。可见光透射比由39.8%降至26.2%,可见光反射比则由15.7%降至4.6%,并且与沉积量呈线性关系。对于中空白玻而言,盐分沉积使其全波段的透射比与反射比均降低,其可见光透、反射比均与表面盐分沉积量亦呈线性关系,其可见光透射比由79.3%降为27.9%,可见光反射比则由17.3%降至2.7%。此外,玻璃表面发射率随表面沉积量增大而减小,最大降幅为8.4%,其修正系数λ与单位面积沉积量成线性函数关系。玻璃表面盐分沉积可改善其遮阳效果,2种玻璃的遮蔽系数均随着表面沉积量增大而减小,最大降幅分别为13.2%与39.0%,对应的修正系数μL与μC均与单位面积沉积量成线性函数关系。最后,以典型办公建筑为模拟研究对象,依次选取了寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及温和地区的典型滨海城市,并以当地的典型气象年数据作为建筑能耗模拟的边界条件,分析了建筑玻璃表面盐分沉积对室内光热环境、围护结构传热及建筑能耗的影响规律。玻璃表面盐分沉积使得办公房间室内的年平均空气温度与MRT均降低,并且随着沉积量增大,降温值逐渐变大,在夏热冬冷地区的降温效果最为显著。盐分沉积均可降低冬夏季不同地区室内APMV,但其效果存在季节与地域差异,可改善各地区夏季与夏热冬暖、温和地区冬季室内热舒适,但寒冷与夏热冬冷地区的冬季室内热舒适将恶化。与无盐工况相比,CHTC在各地区的最大增幅均为108.2%,透过外窗进入室内的太阳辐射强度在各地区的最大降低幅度为17.4%~56.0%。此外,盐分沉积可降低不同热工分区的办公建筑制冷能耗,但将导致采暖与照明能耗升高,其降低了以制冷需求为主地区(如夏热冬暖地区)的办公建筑能耗,而增加了以采暖需求为主地区(如寒冷地区)的办公建筑能耗,最大节能率为23.6%~-7.7%。本文系统研究了盐雾条件对建筑玻璃表面盐分沉积特征的作用机制,探究了盐分沉积与玻璃表面换热系数、光热性能的定量关系,并揭示了盐分沉积对办公建筑室内光热环境与建筑能耗的影响规律,对于我国沿海地区与海岛的建筑低碳绿色发展和实现“双碳”目标具有重要意义。
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