填充PCM玻璃幕墙办公建筑室内光热环境影响研究

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玻璃幕墙凭借其采光性好、美观新颖等诸多特点成为了现代建筑工程中较为常见的围护结构形式,然而其存在热工性能差、能耗大、通风换气效果欠佳等缺点。相关研究已然证实在玻璃围护结构中填充相变材料可显著增大其热惰性、降低建筑能耗。近年来很多学者开展相变材料(PCM)蓄热特性、建筑围护结构传热特性研究,但有关含相变材料玻璃围护结构相变过程对办公建筑室内热环境和光环境影响研究甚少。为此,本论文研究了填充PCM玻璃幕墙办公建筑室内光热性能,分析了相变过程对室内光热环境的影响。首先,搭建双层玻璃围护结构光热传输及室内热环境实验装置,分析含双层玻璃围护结构光热性能及对室内热环境的影响;其次,建立填充PCM玻璃幕墙光热传输模型,利用FLUENT软件分析填充PCM玻璃幕墙传热性能和对室内热环境的影响,阐明填充PCM玻璃幕墙蓄放能以及减缓温度波动的可行性;此后,通过空调送风对填充PCM玻璃幕墙办公建筑室内热环境进行优化,探讨不同气流组织方式对玻璃幕墙室内热环境影响;最后,对填充PCM玻璃围护结构室内光环境进行分析,对比研究了不同填充材料、厚度以及空调送风对室内光环境影响的规律。具体研究内容如下:(1)通过搭建的双层玻璃围护结构光热传输及室内热环境实验装置,研究了中空玻璃围护结构、气凝胶玻璃围护结构以及相变玻璃围护结构传热和光学特性,发现中空玻璃围护结构透光效果明显优于气凝胶玻璃围护结构和相变玻璃围护结构。双层玻璃围护结构填充二氧化硅气凝胶和相变材料后传热量明显减小,可使玻璃内表面平均温度和室内中点温度分别降低9.20℃和11.99℃以及6.38℃和8.02℃。(2)通过填充PCM玻璃幕墙传热模型分析其传热特性,获得了玻璃内表面温度、玻璃内表面热流、相变材料液相率、相变材料吸热量等参数,分析了不同填充材料及其厚度对玻璃幕墙传热性能的影响规律,发现填充PCM玻璃幕墙在夏季可实现有效蓄放能、进而减缓温度波动的可行性。(3)数值分析了填充PCM玻璃幕墙传热特性对室内热环境的影响,研究了空气、二氧化硅气凝胶、相变材料等填充材料及其厚度对室内热环境影响的规律。相变玻璃结构可以使峰值温度和玻璃内表面峰值热流对应的时刻延迟0.89 h。相变材料厚度增加,液相率降低。(4)建立了空调送风条件下填充PCM玻璃幕墙室内热环境仿真模型,对比分析五种气流组织方式对玻璃幕墙室内空气温度场、速度场的影响规律。开启空调能在一定程度上改善玻璃围护结构内表面温度过高的问题,能实现室内较好的热舒适度。(5)建立了填充PCM玻璃幕墙办公建筑采光模型,分析了采光系数以及室内天然光照度,对比研究了填充材料、厚度以及空调送风对室内光环境的影响规律。不开启空调时,空腔为10 mm时双层玻璃围护结构填充空气、二氧化硅气凝胶和相变材料均满足自然采光要求。开启空调时,由于填充PCM玻璃幕墙中相变过程影响,导致部分时刻不能满足自然采光要求,室内光环境变差。
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