馬曉震 柯秀芳 周科 曾國勛 林志飛

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

0 引言

在建筑圍護(hù)中，作為承擔(dān)采光和美化功能的窗戶、幕墻等玻璃圍護(hù)屬于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，更容易獲得過多太陽得熱或形成過多散熱，隔熱或保溫效果差，造成建筑冷熱負(fù)荷能耗增加（為墻體的數(shù)倍），室內(nèi)環(huán)境溫度波動大，熱舒適性降[1]。為了解決玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在的問題，目前己發(fā)展了一些技術(shù)，這些技術(shù)包括吸熱玻璃，鍍膜或貼膜玻璃，中空的、真空的或填充氣凝膠的雙層或多層玻璃。隨著PCM 在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，利用PCM 作為建筑中玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱載體，以提高這類輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的夏季隔熱或冬季保溫性正成為一個(gè)重要的研究和發(fā)展方向[2-10]，其夏季隔熱的機(jī)理是：當(dāng)PCM 填充在玻璃之間時(shí)，處在固體狀態(tài)的PCM能夠使太陽能輻射中的可見光部分透過，仍可實(shí)現(xiàn)玻璃的采光功能。而紅外和遠(yuǎn)紅外部分則被PCM 吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃績Υ嫫饋矶贿M(jìn)入室內(nèi)，從而降低通過玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽得熱，減少建筑的空調(diào)能耗。研究發(fā)現(xiàn)在PCM 沒有完成相變之前，對于降低建筑的得熱是有益的，但當(dāng)PCM 完全熔化后，PCM 玻璃溫度要比常規(guī)中空玻璃溫度高很多，原因是液態(tài)的PCM 能夠吸收更多的太陽輻射，容易形成過熱，這對于減少太陽輻射得熱是不利的。當(dāng)PCM 完全為液相，比起沒有PCM 的系統(tǒng)，建筑的得熱是增加的[11-12]。

針對液態(tài)PCM 更易吸收太陽輻射的特性，本文采用在PCM 中添加紅外反射能力較強(qiáng)材料的方法，通過增強(qiáng)PCM 對太陽輻射中紅外和遠(yuǎn)紅外部分的反射，降低對這部分光吸收而轉(zhuǎn)化的熱量，期望解決PCM 變?yōu)橐合鄷r(shí)引起的過熱問題。

1 光學(xué)性能測試

本文使用SHIMADZU 公司生產(chǎn)的紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)UV-3600Plus，采用雙光路、全反射的方法對夾層添加PCM 及紅外反射材料中空玻璃的反射率和透射率進(jìn)行測試，測試用的試樣玻璃為普通浮法玻璃，尺寸為40 mm×40 mm，厚度為3 mm，中間空氣層厚度為3 mm，添加PCM 后采用玻璃膠進(jìn)行密封處理，確保無泄露。

試樣玻璃夾層中添加的相變材料為十酸，分子式為CH3(CH2)8COOH，分子量為172.26。玻璃和相變材料的熱物理性能參數(shù)見表1。十酸的熔點(diǎn)為32.14 ℃，接近于夏季白天炎熱時(shí)段的氣溫，能夠在炎熱時(shí)段通過融化而吸熱。

PCM 中添加的紅外反射特性較強(qiáng)的氧化鈦（TiO2），可用于制備紅外反射膜，被證實(shí)有較強(qiáng)的紅外反射能力，并且二氧化鈦材料無毒，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格便宜，合成方法成熟，適宜批量應(yīng)用。

在玻璃試樣中封裝相變材料時(shí)，首先將CH3(CH2)8COOH 熔化為液體，將氧化鈦按一定的比例注入中空玻璃內(nèi)并攪拌均勻，常溫冷卻后進(jìn)行PCM在固態(tài)時(shí)玻璃試樣的反射率和透射率測量。利用熱風(fēng)筒將試樣加熱至PCM 融化后進(jìn)行液態(tài)時(shí)玻璃試樣光學(xué)參數(shù)的測量。

2 測試結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)分組

為了便于對比分析，測試試樣分為11 組：①普通浮法中空玻璃（內(nèi)充空氣）；②復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸，固態(tài)）；③復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸，液態(tài)）；④復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+0.2%氧化鈦，固態(tài)）；⑤復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+0.2%氧化鈦，液態(tài)）；⑥復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+1%氧化鈦，固態(tài)）；⑦復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+1%氧化鈦，液態(tài)）；⑧復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+5%氧化鈦，固態(tài)）；⑨復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+5%氧化鈦，液態(tài)）；⑩復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+10%氧化鈦，固態(tài)）；?復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+10%氧化鈦，液態(tài)）；?復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+20%氧化鈦，固態(tài)）；?復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+20%氧化鈦，液態(tài)）；?復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+30%氧化鈦，固態(tài)）；?復(fù)合玻璃（內(nèi)充相變材料十酸+30%氧化鈦，液態(tài)）。使用紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)分別測量15組試樣在220～2600 nm 光譜的反射率、透射率。

2.2 PCM 為固態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃反射率試樣曲線

如圖1 所示，夾層為空氣的中空玻璃在整個(gè)波段的反射率都是比較低，基本維持在5%上下。當(dāng)中空玻璃內(nèi)部為固態(tài)十酸（試樣②曲線）時(shí)，復(fù)合玻璃系統(tǒng)整體的反射率明顯升高，在400～1100 nm 部分可見光和紅外波長范圍內(nèi)的反射率基本維持在27%上下，反射率升高了20%左右，結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中填充石蠟的PCM 玻璃測試結(jié)果趨勢相似。在十酸添加較低比例氧化鈦（試樣④、⑥曲線）后，復(fù)合玻璃的反射率變化不大，甚至是當(dāng)添加比例為0.2%（曲線④）時(shí)，反射率略有降低。但當(dāng)添加比例逐漸加大，尤其是在20%、30%（試樣12、14曲線）時(shí)，與試樣②曲線相比，反射率在500～1200 nm 范圍內(nèi)大大提高，提高幅度為20%上下。PCM 中添加氧化鈦的復(fù)合玻璃在1200～1700 nm 波長范圍反射率也得到提高，但幅度不大。

2.3 PCM 為固態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃透射率試樣曲線

圖1 PCM 為固態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃反射率試樣曲線

由圖2 可以看出，添加了紅外反射材料的十酸，在固態(tài)時(shí)，與曲線①相比，透射率有較大幅度降低（試樣④曲線），十酸添加氧化鈦后，透射率更進(jìn)一步降低。在氧化鈦添加比例為5%、10%（試樣⑧⑩曲線）時(shí)，兩者透射率變化趨勢較為接近，在500～1200 nm 波長范圍內(nèi)，維持在11%上下，在1200～1700 nm 波長范圍內(nèi)，透射率波動較大。在氧化鈦添加比例為20%、30%（試樣? ?曲線）時(shí)，兩者透射率變化趨勢較為接近，在500～1200 nm 波長范圍內(nèi)，維持在9%上下，在1200～1700 nm 波長范圍內(nèi)，透射率波動較大。而在1700～2600 nm 范圍內(nèi)，系統(tǒng)透射率不隨氧化鈦添加比例發(fā)生變化，維持在0 附近。

圖2 PCM 為固態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃透射率試樣曲線

2.4 PCM 為液態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃反射率試樣曲線

由圖3 可知，氧化鈦添加比例較低時(shí)（試樣⑤曲線），系統(tǒng)反射率在400～1200 nm 范圍內(nèi)有較小幅度的提升。當(dāng)添加氧化鈦比例達(dá)到1%（試樣⑦曲線）時(shí)，系統(tǒng)反射率在400～1500 nm 范圍內(nèi)有了較大的幅度的提高。當(dāng)添加氧化鈦比例達(dá)到5%、10%、20%、30%時(shí)（試樣⑨曲線），在400～1500 nm 范圍內(nèi)，相較試樣⑤⑦曲線的情況，反射率最高提升了近50%，效果顯著，在1500～2600 nm 范圍內(nèi)，反射率波動較大，但也有較為明顯的提升。

圖3 PCM 為液態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃反射率試樣曲線

2.5 PCM 為液態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃透射率試樣曲線

由圖4 可發(fā)現(xiàn)，隨著氧化鈦比例逐漸添加，系統(tǒng)整體的透射率逐漸降低。對比試樣③⑤⑦⑨曲線的情況，可以發(fā)現(xiàn)，透射率在500～1700 nm 范圍內(nèi)，下降幅度較大，接近20%，在1700～2600 nm 范圍內(nèi)，系統(tǒng)透射率變化較小。當(dāng)氧化鈦添加比例達(dá)到5%、10%時(shí)（試樣⑨曲線），兩者的系統(tǒng)透射率在整個(gè)測試波長范圍內(nèi)變化趨勢接近一致，變化幅度較小。當(dāng)氧化鈦添加比例達(dá)到20%、30%時(shí)，系統(tǒng)透射率在整個(gè)測試波長范圍內(nèi)都維持在0 附近。

圖4 PCM 為液態(tài)時(shí)復(fù)合玻璃透射率試樣曲線

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)曲線可知，當(dāng)中空玻璃夾層中添加十酸后，在十酸為固態(tài)時(shí)，復(fù)合玻璃的反射率明顯升高，而十酸是液態(tài)時(shí)，反射率略有下降。當(dāng)十酸為固態(tài)時(shí)，復(fù)合玻璃的透射率大幅度降低，維持在30%上下，而十酸為液態(tài)時(shí)，復(fù)合玻璃的透射率在400～1500 nm 范圍內(nèi)變化較小，在1500～2600 nm 范圍內(nèi)，下降幅度較大。在添加紅外反射材料氧化鈦后，添加氧化鈦的十酸是固態(tài)且氧化鈦添加比例達(dá)到5%以上時(shí)，復(fù)合玻璃系統(tǒng)在220～2600 nm 波長范圍內(nèi)，反射率都有明顯的升高，添加比例為30%時(shí)，效果最佳。對于透射率，10%比例的氧化鈦較為適用。添加氧化鈦的十酸是液態(tài)時(shí)，且氧化鈦添加比例為5%以上時(shí)，反射率改善較為明顯，相較純液態(tài)十酸的情況，在500～1500 nm 范圍內(nèi)，反射率提升幅度達(dá)到了30%。但當(dāng)氧化鈦添加比例達(dá)到20%、30%時(shí)，復(fù)合玻璃的透射率較低，相較純液態(tài)十酸的情況，透射率在500～1500 nm 范圍內(nèi)，降低幅度平均達(dá)到了60%。對比添加氧化鈦的十酸在固態(tài)、液態(tài)的反射率可以發(fā)現(xiàn)，氧化鈦對改善液態(tài)十酸的反射率優(yōu)于對固態(tài)十酸反射率的改善。