含石蜡层玻璃围护结构光热力耦合特性研究

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玻璃围护结构是建筑采光和抵制环境荷载的重要部分,但在建筑围护结构中其隔热能力较差,也是建筑安全较薄弱部位。如何在保证透光性和安全性的同时,有效的减少建筑能耗,改善室内环境,是玻璃围护结构的主要研究方向。在提倡有效利用清洁能源的“近零能耗建筑”设计背景下,本文将石蜡添加到玻璃夹层中制成含石蜡层玻璃结构,该结构使相变储能材料与太阳能得到有效利用。然而,由于石蜡的相态、温度和低导热性能使玻璃结构的透光性等光学性能受到影响,而光学性能又会因石蜡相态变化影响其传热和蓄热,两者相互影响,使玻璃结构的光、热传输性能变得复杂。同时,在边框限制和玻璃本身的热胀冷缩作用下,玻璃结构会产生温度应力,而温度应力又是玻璃结构的安全使用设计的重要指标。因此,揭示含石蜡层玻璃结构的光、热、力多场耦合特性具有重要的理论价值,对含石蜡层玻璃围护结构的设计具有重要的指导意义。本文主要采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,开展含石蜡层玻璃围护结构的光、热、力多场耦合特性研究。主要研究内容和结果如下:1.采用热重分析(TG)和差式扫描量热法(DSC),对17#、25#和32#三种工业石蜡的相变温度,相变潜热及热稳定性进行分析。基于“双厚度”法建立材料光学常数反演模型,根据测得的透射率对石蜡光学常数进行求解,获得了可见光波段(400–760nm波段)内固液两相石蜡的折射率、吸收系数等光学常数。结果显示,在自然环境条件下,三种石蜡的热性能较稳定,固相石蜡的吸收系数(288.11–545.27m-1)远远大于液相石蜡吸收系数(0–5.34m-1),石蜡的吸收系数和透射率随石蜡相变温度的增加而增大。2.基于传热学基本理论和多层玻璃围护结构光热性能传输理论,引入石蜡相变潜热的计算方法,建立非均匀温度场下含石蜡层玻璃围护结构光热传输性能数学模型,选取我国严寒地区具有代表性温度范围动态环境条件,对17#、25#和32#三种石蜡层玻璃结构进行节能性综合分析。结果表明,相变过程维持的时间越久,室内层玻璃升温延迟时间越长,升降温速率越低,温度衰减系数越大,含石蜡层玻璃结构的节能效果越好,本研究中含17#的石蜡层玻璃围护结构更适宜我国严寒地区使用。3.建立含石蜡玻璃围护结构热力耦合三维数学模型,采用有限元法进行计算。分别就石蜡填充率、石蜡厚度、玻璃厚度、边框材料和边框遮盖率等影响因素进行分析。结果显示,随着石蜡填充率的增加,玻璃结构产生的热应力增大。玻璃厚度对热应力的影响较明显,当玻璃厚度≥12mm时,含石蜡层玻璃围护结构表面应力值增幅为12mm厚度玻璃的2-3倍。边框宜选择PVC材质,且遮盖率不大于32%。4.将含石蜡层玻璃围护结构光热耦合分析、热力耦合分析扩展到光热力三场耦合分析,开展四边遮蔽条件下含石蜡层玻璃围护结构光热力耦合特性研究,揭示了动态温度、间歇式太阳辐射条件下,石蜡层对玻璃结构表面应力分布规律的影响,结果表明,同侧玻璃表面,窗框遮盖处及距窗框30mm范围内玻璃表面的热应力变化最为明显。5.结合玻璃破裂准则,对极限热荷载(火灾条件)作用下含石蜡层玻璃结构热反应进行探讨。采用数值分析法将含石蜡层玻璃围护结构与中空玻璃结构进行对比。结果显示,四边固定边界条件下,含石蜡层玻璃围护结构向火面到达热变形温度比中空玻璃结构延迟55s;边缘位置到达极限应力时间延迟5s,石蜡玻璃围护结构比中空玻璃防火能力好。
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