CN110295831A - 一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，包括窗框，所述窗框中部密封安装有第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板，所述第一玻璃板和第二玻璃板之间填充有液‑液相变材料，所述第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气，该窗户结构简单合理，加工工艺简洁，使用寿命长，高热能储存的特点，有利于减少建筑耗能，降低建筑物冷却负荷和在夏季转移峰值负荷以及在冬季使热量损失最小化，实现了自发调节太阳能透过率和可根据需要调控变色温度的功能，采用液‑液相变材料作为填充材料，更适合用于弯曲和复杂形状的玻璃填充使用，从而拓宽了使用范围。

Description

一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户
技术领域
本发明及热能回收利用领域技术领域，尤其涉及一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户。
背景技术
近年来，能源的大量消耗成为了各国面对的挑战。城市居住着全球超过一半的人口，同时占据了全球能耗的近七成。由于建筑耗能占据了全球耗能的40％以上，提高建筑的能源利用效率和利用可再生能源成为了解决城市高耗能问题的重要手段。对建筑节能的需求导致用于太阳能热控制的节能材料成为了一个热门的研究课题。
相变材料是具有高热储存能力的新兴材料类别，其在相变范围内吸收大量潜热并呈现高显热储存密度。热能储存(TES)是一种通过提高能量转换效率和利用各种热源来达到节能效果的方法，它有助于满足世界不断增长的能源需求。由于相变材料特殊的热学特性，它被广泛的应用在建筑材料例如墙面、地板和屋顶。正确使用相变材料将能够降低建筑物的冷却/加热负荷并改变峰值负荷。此外，相变材料还可以通过稳定室内温度来帮助保持舒适的室内热环境。与建筑物中的其他组件相比，窗户的节能效率很低。在炎热季节，超过70％的窗户导向太阳能将转化为热量并导致高制冷能耗，而在寒冷季节，窗户造成30％的热量损失。窗户是建筑物的关键组成部分之一，由于自然光对视觉舒适性和对人类健康的影响，必须仔细考虑窗户的设计，以满足室内照明和能源可持续性的要求。
然而，目前很难将相变材料整合到窗户中。例如，固-液相变窗户在固态(温度低于相变温度时)下是半透明或不透明的，而在液态下是透明的(温度高于相变温度时)。这种光学特性与窗户的实际应用相冲突：在寒冷的天气，窗户应该是透明的，以允许太阳光照射和加热房间。另一方面，在夏天窗户应该变得不透明，以阻挡夏天的阳光。而且，固-液相变材料在相变时会发生体积变化，这会使得窗户的结构不稳定。另一种方法是在窗帘中应用形状稳定的复合相变材料，这种方法提高了基于相变材料的窗户的可靠性。然而，这两种方法都不能自发地调节窗户的太阳能透过率。
变色材料技术被广泛用于建筑窗户上的太阳光调节和其他节能应用。常用的变色策略包括电致变色(用电压或电荷刺激改变颜色)，光致变色(用光照射刺激改变颜色，主要利用紫外线)和热致变色(用温度刺激改变颜色)。与热致变色材料相比，电致变色材料需要额外的电力来改变颜色，并且窗户的设计更复杂。而光致变色材料最大的缺点是无论时间，季节和温度如何，在照射光时都会触发颜色变化。因此，窗户在冬天的中午也会阻挡阳光，这种情况并不是理想的。基于上述分析，热致变色材料由于其无源和零能量输入特性而适合用于窗户，它可调节大波长范围的太阳能透过而不消耗额外的能量。虽然传统的变色窗户可以自发地调节太阳光透过，但是薄玻璃不能防止室内和室外环境之间的热交换。同时，变色窗户不能在白天储存热能，在夜间缓慢释放热量以稳定室温。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，构简单合理，加工工艺简洁，使用寿命长，高热能储存的特点，有利于减少建筑耗能，降低建筑物冷却负荷和在夏季转移峰值负荷以及在冬季使热量损失最小化，实现了自发调节太阳能透过率和可根据需要调控变色温度的功能，采用液-液相变材料作为填充材料，更适合用于弯曲和复杂形状的玻璃填充使用，从而拓宽了使用范围。
本发明是这样实现的，一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，包括窗框，所述窗框中部密封安装有第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板，所述第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板依次从外至内分布，所述第一玻璃板和第二玻璃板之间填充有液-液相变材料，所述第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气。
作为优选，所述第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板与窗框的连接处采用密封条进行密封。
作为优选，所述液-液相变材料的制备方法，包括以下步骤：将相变聚合物0.6-10wt％溶解于74.8-99.4wt％的水中，再加入相变温度调控剂0-25wt％并搅拌，所有组分总量为100wt％，混合均匀后通氮除氧，即得液-液相变材料。
作为优选，所述的相变聚合物包括羟丙基纤维素、丙烯酰胺基均聚物或共聚物、丙烯酸酯基均聚物或共聚物、羟丙基甲基纤维素和聚甲基乙烯基醚中的一种或多种。
作为优选，所述丙烯酸酯基均聚物或共聚物包括：甲氧基乙基丙烯酸酯和甲氧基寡聚乙二醇丙烯酸酯；所述丙烯酰胺基均聚物或共聚物包括包括：N-异丙基丙烯酰胺，N，N-二甲基丙烯酰胺和N，N-二乙基甲基丙烯酰胺。
作为优选，所述相变温度调控剂包括有机溶剂和无机盐，所述有机溶剂包括饱和多元醇，醇类似物以及亚砜中的一种或几种，所述无机盐包括锂、钠、钾、钙、镁、铵离子的氯化物等中的一种或几种。
作为优选，所述饱和多元醇采用乙二醇或丙三醇，所述醇类似物采用二甘醇，所述亚砜采用二甲基亚砜。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：设置的第一玻璃板和第二玻璃板之间填充有液-液相变材料，第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气，可用于减少建筑耗能，降低建筑物冷却负荷，在夏季转移峰值负荷以及在冬季使热量损失最小化等问题。填充的液-液相变材料与第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气结合在一起以达到高太阳能调制能力，大热储存能力和良好的隔热效果等目的。第一玻璃板是窗户的外层，用于保护液-液相变材料并防止其流失。液-液相变材料是高热能储存液态变色窗户的核心部件，具有双重功能。首先，液-液相变材料层是吸收和储存热量的能量储存层。同时，它是调节透过窗口的太阳光透光率的变色层，它具有从透明状态到有色状态的可逆转变行为，并且其变色温度可根据不同地区气候条件进行调控。在变色温度以下，液-液相变材料是完全透明的，而在变色温度之上，该液-液相变材料将根据厚度变为半透明至不透明，变色过程中储热效率保持不变。第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气是防止房间和环境之间热交换的隔热层。通过将具有巨大热储存能力的新型液-液相变材料和隔热中空层相结合，高热能储存液态变色窗户能够有效吸收太阳光热量，并且调控太阳光的透过量；并且相比较传统相变材料，该液-液相变材料稳定性较好。还可以有效的阻隔房间和室外环境之间的热交换，从而有效增加了节能效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供实施例的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的剖视结构图；
图2是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的0.1mmHPC液-液相变材料分别在20℃(实线)和60℃(虚线)下的透射光谱图，灰色阴影表示可见光和近红外范围内的太阳光谱；
图3是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的1mmHPC液-液相变材料分别在20℃(实线)和60℃(虚线)下的透射光谱图，灰色阴影表示可见光和近红外范围内的太阳光谱；
图4是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的1cmHPC液-液相变材料分别在20℃(实线)和60℃(虚线)下的透射光谱图，灰色阴影表示可见光和近红外范围内的太阳光谱；
图5是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的0.1mm，1mm和1cmHPC液-液相变材料在20℃下的可见光透光率(Tlum,20℃)，可见光透射率差值(ΔTlum)，IR透射率差值(ΔTIR)和太阳能调制能力(ΔTsol)的光学性能比较图；
图6是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的0.1mm，1mm和1cmHPC液-液相变材料在60℃的可见光反射率(Rlum,60℃)，可见光反射率差值(ΔRlum)，红外反射率差值(ΔRIR)和太阳反射率差值(ΔRsol)图；
图7是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的0.1mm，1mm和1cmHPC液-液相变材料分别在20℃和60℃下对0.1mm，1mm和1cm液-液相变材料样品的光学照片；
图8是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的HPC液-液相变材料和去离子水相对于温度的比热容曲线图；
图9是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户的HPC液-液相变材料和去离子水相对于温度的热导率曲线图；
图10是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户和传统隔热窗的室内温度曲线以及夏季期间两者之间的温差图，虚线表示零温差的位置；
图11是本发明实施例提供的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户和传统隔热窗的室内温度曲线以及冬季期间两者之间的温差，虚线表示零温差的位置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，包括窗框1，所述窗框1中部密封安装有第一玻璃板2、第二玻璃板3和第三玻璃板4，所述第一玻璃板2、第二玻璃板3和第三玻璃板4依次从外至内分布，所述第一玻璃板2和第二玻璃板3之间填充有液-液相变材料5，所述第二玻璃板3和第三玻璃板4之间填充有干燥空气6。
所述第一玻璃板2、第二玻璃板3和第三玻璃板4与窗框1的连接处采用密封条7进行密封。
所述液-液相变材料的制备方法，包括以下步骤(以HPC为基础的液-液相变材料为例)：
1)将羟丙基纤维素(HPC，相变聚合物)2.5g溶解在70℃去离子水中，混合制成均匀的75mL溶液；
2)将步骤1)所得的两份溶液用氮气吹30分钟，将温度降至25℃，备用；
3)将22.5mL二甲基亚砜(DMSO，相变温度调控剂)加入到步骤2)的溶液中，加热至70℃，搅拌2小时(600转/分钟)，备用；
4)将步骤3)所得溶液分别倒入1mm和1cm高的玻璃盒中并密封，在接下来的24小时内冷却静置，玻璃盒内逐渐形成HPC液-液相变材料。
羟丙基纤维素液-液相变材料即为HPC液-液相变材料。
HPC液-液相变材料用作调节透过窗口的透光率的变色层。它具有从透明状态到有色状态的可逆转变行为，并且具有较低的临界溶解温度(LCST，30℃)。在LCST以下，复合材料是完全透明的，而在LSCT之上，HPC液-液相变材料将根据厚度变为半透明至不透明。同时，HPC液-液相变材料是吸收和储存热量的能量储存层。由于水的比热容(Cp,4.2kJ kg-1K-1)比大多数建筑材料高，富含水的HPC液-液相变材料是理想的热能储存介质。干燥空气是防止房间和环境之间热交换的隔热层。
实验例
通过测试，本申请的窗户显示出约90％的高透光率(Tlum)和62.8％的太阳能调节能力(ΔTsol)。此外，由于液-液相变材料的比热容高于水，夏季(20～60℃)的热能储存量为174J g-1。在室外测试中也观察到降温效果和峰值负荷转移效应。此外，本申请窗户显示良好的降噪潜力。在节能和降噪方面的出色表现成为未来可持续建筑的重要组成部分。
如图2-7所示，在夏季的早晨和傍晚，环境温度不足以触发本申请窗户的相变。因此，窗口将保持透明状态以满足室内照明的需求。同时，由于HPC液-液相变材料具有良好的储能性能和中空玻璃的绝热性能，周围的热量难以转移到室内。因此相比于室外，房间将保持相对较低的温度下。夏季中午，室外温度达到当天的最大值并且高于本申请窗户的LCST。随后液-液相变材料的相变被触发，窗口变得不透明以防止阳光进一步加热房间。同时，热量被储存并阻挡在室外。另一方面，窗户将在冬季保持透明以确保太阳光能够照射到房间中用于加热和照明目的。中空玻璃和HPC液-液相变材料可防止从室内到较冷的室外环境的热传递。基于这样的工作原理，本申请窗户通过减少房间的制冷和制热能耗来减少建筑物的供暖，通风和空调(HVAC)能耗。
图2-4显示了分别在20和60℃下厚度为0.1mm，1mm和1cm的HPC液-液相变材料的透射光谱。在室温下，所有样品都显示出高可见透过率。另一方面，随着样品厚度的增加，红外光的透射率逐渐降低。0.1mm样品的红外透射率(TIR)在室温下为77.0％。随着厚度的增加，1mm和1cm样品的红外透射率分别降至67.0％和47.3％。波长大于1400nm的红外的高吸收是由于HPC液-液相变材料中的水分子振动。当温度升高时，所有样品的可见透射率降低。另外，随着厚度增加，太阳能的调节能力逐渐变大。
图5和6总结了不同厚度样品的变色性质。可以观察到，可见，红外和太阳光的透射调节能力都随着厚度的增加而增加(图5)。例如，0.1mm样品的ΔTlum为10％，而对于1cm样品，ΔTlum显著增加至90％。同时，0.1mm液-液相变材料的ΔTsol仅为8.2％，而1cm液-液相变材料的ΔTsol大幅增加至62.8％。因此，1cm样品显示出比1mm和0.1mm样品更大的透明度反差。与透射调控能力类似，当样品变厚时，反射调控能力变强(图6)。此外，1cm样品显示出比其他样品更高的日光漫反射率(Rsol，27％)(1mm样品约为23％，0.1mm样品约为10％)，这表明1cm样品在不透明状态下显示出更强的阳光漫反射。
图7显示了在20℃和60℃下不同厚度样品的光学照片。光学照片与光谱一致：在低温下，所有样品都是透明的，且透光率不受厚度的影响。另一方面，当温度高于LSCT时，0.1mm样品没有观察到明显的颜色变化。相比之下，1mm的样本变得半透明，1cm的样本变得不透明，并且1cm样本下的单词变得不可见。这也表明可以通过改变厚度来调节HPC液-液相变材料的变色性质。
图8显示了HPC液-液相变材料和去离子水相对于温度升高的比热容曲线。对于液-液相变材料和去离子水，在20℃至80℃没有观察到显著的比热变化。此外，液-液相变材料(4.35kJ kg-1K-1)显示出比去离子水(4.2kJ kg-1K-1)更高的比热。同时与其他相变材料相比，水具有显著更高的比热容。由于水的大比热容主要归因于氢键的存在，比热容的增加是由于引入的HPC的官能团能够产生更多的氢键并且稳定水分子间氢键。因此，尽管相变期间的潜热可忽略不计，但液-液相变材料的高比热容使其成为用于平衡室温的储能材料的有力候选。同时，图9显示了导热率与液-液相变材料和去离子水的温度变化之间的关系。对于液-液相变材料和去离子水，导热率在20℃至80℃的温度范围内是稳定的。值得一提的是，液-液相变材料(0.85W m-1K-1)和去离子水(0.6W m-1K-1)的导热系数高于常用的相变材料，如石蜡(0.18-0.19W m-1K-1)和脂肪酸(0.14-0.37W m-1K-1)。由于较低的导热率会降低能量充放速率，并进一步降低材料的储能效率，HPC液-液相变材料的高导热性使窗户的温度分布更均匀，并且还提供更高的窗户储能效率。
根据上述讨论，HPC液-液相变材料具有良好的光调节能力和良好的储能性能。为了进一步研究其节能和储能特性，我们进行了在热和冷环境下的室外测试作为概念验证。
图10是中空玻璃窗和本申请窗户的原位测试结果，以及它们的温差。传统的隔热窗户在13：30记录到的最高室内温度为60℃。另一方面，本申请窗户在15:00左右记录到的最高温度为48℃。可以观察到，本申请窗户的最高室内温度低于传统的隔热窗。此外，本申请窗户的温度峰值位置向一天中的较晚时间移动。本申请窗户具有高能量存储能力。本申请窗户白天能够吸收大量的热量，储存的热量从17:00开始缓慢释放。
图11所示，显示了传统隔热窗和本申请窗户在寒冷环境中的结果(环境温度为-10℃)。随着加热器在8:00开启，隔热窗和本申请窗户的室内温度开始增加。在实验结束时，本申请窗户的室内温度约为29℃，比绝缘窗(24.5℃)高4.5℃。测试证明，本申请窗户在冬季显示出可靠的保温和隔热性能。
此外，文献证明，在31.5MHz的频率(飞机噪声的频率)下，26mm水层能够将噪声降低20dB以上。由于HPC液-液相变材料具有非常高的含水量，因此本申请窗户将具有建筑物中降噪应用的高潜力。
我们通过将HPC液-液相变材料与中空玻璃相结合，设计具有高太阳能调制能力，大热储能能力和良好绝热性能的新概念高储能液态变色窗户。本申请窗户在太阳能调节和储能方面均实现了令人满意的性能。具有1cm HPC液-液相变材料的本申请窗户在室温下显示出90％的高可见光透过率，并且当加热到LCST以上时变得不透明(Tlum＝10％)。除了出色的光调节能力(ΔTsol＝62.8％)外，HPC液-液相变材料(～4.35kJ kg-1K-1)比去离子水(～4.2kJ kg-1K-1)具有更大的比热容，这明显高于常用的相变材料和建筑材料。
在炎热天气的室外测试期间，观察到本申请窗户口的最大室内温度降低和峰值负荷变化。同时，本申请窗户在低温户外测试中表现出良好的保温效果。总的来说，通过整合相变材料和变色窗户的优势，基于HPC液-液相变材料的本申请窗户具有提高建筑可持续性的巨大潜力。
表征测试
透射率和反射光谱由连接有积分球的紫外-可见-近红外分光光度计系统测定。分光光度计配有加热和冷却台。
Tlum,TIR和太阳透射率Tsol通过等式1计算：
其中T(λ)表示光谱透射率，ψlum(λ)是在380-780nm波长范围内的明视觉标准发光效率函数。ψIR(λ)和ψsol(λ)是空气质量1.5的红外/太阳辐照度光谱(对应于太阳高出地平线37°，大气厚度为1.5，对应太阳天顶角为48.2°)。
户外测试旨在比较本申请窗户和普通双层玻璃绝缘窗的节能性能。室外测试提供了具有温度波动的真实实验环境。在玻璃盒上安装了五个双层玻璃(玻璃厚度为5mm，空气厚度为6mm)的窗户墙作为对照样品，在几何中心设有热电偶传感器。本申请窗户样品与对照样品具有相同的设计，而双层玻璃窗被本申请窗户替换。对于本申请窗户，液-液相变材料的厚度为1cm，而其他层的尺寸与双层玻璃相同。最后，将两个装置放置在没有任何形式的遮蔽物的室外并受到阳光直射。10:00到20:30之间的10.5小时内每30分钟记录一次数据。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，包括窗框，其特征在于，所述窗框中部密封安装有第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板，所述第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板依次从外至内分布，所述第一玻璃板和第二玻璃板之间填充有液-液相变材料，所述第二玻璃板和第三玻璃板之间填充有干燥空气。
2.根据权利要求1所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述第一玻璃板、第二玻璃板和第三玻璃板与窗框的连接处采用密封条进行密封。
3.根据权利要求1所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述液-液相变材料的制备方法，包括以下步骤：将相变聚合物0.6-10wt％溶解于74.8-99.4wt％的水中，再加入相变温度调控剂0-25wt％并搅拌，所有组分总量为100wt％，混合均匀后通氮除氧，即得液-液相变材料。
4.根据权利要求3所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述相变聚合物包括羟丙基纤维素、丙烯酰胺基均聚物或共聚物、丙烯酸酯基均聚物或共聚物、羟丙基甲基纤维素和聚甲基乙烯基醚中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述丙烯酸酯基均聚物或共聚物包括甲氧基乙基丙烯酸酯和甲氧基寡聚乙二醇丙烯酸酯；所述丙烯酰胺基均聚物或共聚物包括N-异丙基丙烯酰胺，N，N-二甲基丙烯酰胺和N，N-二乙基甲基丙烯酰胺。
6.根据权利要求3所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述相变温度调控剂包括有机溶剂和无机盐，所述有机溶剂包括饱和多元醇，醇类似物以及亚砜中的一种或几种，所述无机盐包括锂、钠、钾、钙、镁、铵离子的氯化物中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的一种高热能储存和透光率自动调节的隔音隔热窗户，其特征在于，所述饱和多元醇采用乙二醇或丙三醇，所述醇类似物采用二甘醇，所述亚砜采用二甲基亚砜。
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