（工程热物理专业论文）透明蜂窝和定形相变材料在太阳能利用中的理论和实验研究.pdf

透明蜂窝和定形相变材料在太阳能利用中 的理论和实验研究 摘要 本论文的主要研究对象为太阳能利用中的两种新型材料:透明蜂窝和定形相 变材料。对透明蜂窝材料的主要研究内容为1 ) 透过率和热损系数的测定;2 )透 明蜂窝应用于太阳能空气加热器、整体式太阳能热水器及建筑节能的实验和理论 研究。对定形相变材料的研究内容为 1 )定形相变材料的实验室制备;2 )定形相 变材料应用于相变贮能式地板辐射采暖系统的数值模拟研究。 ( t r a n s p a r e n t i n s u la t io n ) 材料和t i 技术是近2 0 年来国际 太阳能界最重视 究内容之一。前国际太阳能学会主席、原德国弗郎霍夫太阳能系统研究所所 a .g o e t z b e r g e r 教授认为， t i 材料的诞生 对太阳能热利用的 推广和普及具有革 命 的长 性的意义。国际能源署 ( i e a )在二十世纪9 0 年代中期组织了n o . 1 8“ 新型窗户 材料”的科研项目，由1 5 个国家分别承担其中的任务， 透明蜂窝材料是该项目的 研究任务之一。透明蜂窝是指以玻璃或透明塑料为原料，采用特殊工艺制成的有 大量小孔的板状透明隔热材料，它对太阳辐射有相当高的透过率，并能抑制空气 的自然对流和减弱辐射传热。因此，它有 “ 热二极管”的作用一既能透过太阳辐 射，又具有优异的隔热性能。与热镜窗、透明气凝胶、透明泡沫及透明纤维等同 类t i 材料相比，透明蜂窝的技术、经济综合特性最佳。 经多年的合作研究，中科院上海硅酸盐研究所和中国科大联合研制成功了透 明蜂窝的新型制造工艺，作者对用新工艺制备的透明蜂窝进行了研究，内容有以 下几个方面: ( a )透明蜂窝的透过率及热损系数的测量 利用大型 双积分球系 统 对5 c m 和1 0 c m 厚的p c ( p o l y c a r b o n a t e ) 一 透明蜂窝的半 球向一 半球向漫射透过率和定向一 半球向透过率进行了 测定;发展了一种测定透明 隔热覆盖一吸热体系统的热损系数的瞬态法，利用该方法可迅速方便地测定吸热 体与环境在不同温差下的热损系数。 ( b )带透明 蜂窝的太阳能空气加热器的实验研究 对多种带透明蜂窝的太阳能空气加热器进行了实验研究。这些空气加热器的 结构特点分别为:i 型一透明蜂窝作为空气流道的一部分;h型一透明蜂窝作为普 通盖板使用; 工 h型一两级结构，前级为i 型，后级为i i 型。作为比照，也做了传 统的平板型空气加热器的实验。结果表明，i 型太阳能空气加热器具有良 好的热性 能: 在空 气 质 量 流率 为5 5 k g / h 和进出口 平均 温 差为3 1 0 c 时， 其日 平 均 热 效 率达 6 4 %。 这种结构简单的新型太阳能空气加热器在太阳能干燥及采暖等领域有很大 的潜在应用价值。 ( c )透明蜂窝应用于建筑采暖的数值模拟研究 由于被动式太阳房的结构对其热性能具有重要影响，作者采用一维热网络模 型对多种结构的太阳房进行了动态模拟;在此基础上， 研究了吸热面的热辐射性 质、厚墙墙体材料的热物性、不同的透明覆盖以及在透明覆盖与厚墙之间增设金 属吸热板等不同结构对太阳房热性能的影响。计算结果为厚墙式被动太阳房的结 构设计与材料选取提供了有益的参考。 ( d )带透明蜂窝的整体式太阳能热水器防冻性能的数值和实验模拟 利用一维焙法建立了第三类边界条件下有限厚度的水在存在自 然对流时的冻 结过程的理论模型，并利用类似求解反问题的方法，结合计算和实验的手段确定 了热损系数u值。所建模型和计算结果通过不同的实验条件得到了验证。该模型 可用来确定在寒冷气候条件下整体式太阳能热水器 ( i c s 一 i n t e g r a t e d c o l l e c t o r s t o r a g e ) 的 热 损 系 数u 值 和 水层深 度对冻 结 厚 度的 影响。 并 根据国内 一 些 城市 冬 季的气象参数，给出了典型的计算结果。所得结果可为设计防冻工 c s 时对透明盖 板材料和选择性涂层的选用提供参考。 能源的供应和需求存在时间和空间上的不匹配性，因此，必须发展能量的贮 存技术。就热能的贮存而言，潜热型贮热技术的突出优点是贮热密度大， 贮热装 置体积小;另外，充热和取热过程几乎是在等温下进行，不仅效率高，也易于控 制和管理。潜热型贮热技术的研究虽然已有几十年的历史，实际应用的进展却十 分缓慢，主要原因为:以前研究较多的为无机类的各种结晶水合盐及有机类的各 种石蜡和酷酸。结晶水合盐具有潜热大、导热能力强及贮热密度大等优点，但却 几乎都有析出和过冷等缺点;另外，还存在与容器的相容性问题。石蜡的优点是 无过冷和析出现象，且可根据需要选择不同的熔点，但其导热性能较差。 结晶水合盐和石蜡类相变材料 ( p c m一 p h a s e c h a n g e m a t e r i a l ) 都不能 与传热 介质进行直接接触换热，通常都需采用管壳式贮热 ( 换热)器。其固有缺点是: 为了进行充热和取热，传热介质和p c m之间必须有较大的温差，致使贮热效率降 低。 近年来出现的一类新型相变贮热材料一定形p c m有望解决上述问题。定形 p c m按其定形相变的机理可分成固一 固相变和固一 液相变两大类.前者包括一些在 晶体转变时伴随着吸热和释热的有机材料 ( 如多元醇) 和一些通过化学或紫外光 交联的高聚物:后者实质上是一类复合p c m，即将低熔点的p c m散布在熔点较 高的支撑材料之中，只要运行温度不高于支撑材料所能 承受的 温度，这种定形 p c m即可维持在固体状态。 作者对一种新型复合型定形p c m进行了 研究， 这种 p c m以石蜡作为相变材料的基材，利用高密度聚乙烯 ( h d p e )作为支撑材料， 在这种材料中石蜡的比 例可高达7 5 %，因此其相变潜热与普通的p c m相接近。 作者对这种新型定形p c m的主要研究内容为: c a )定形p c m实验室制备的工艺探索及其性能研究 完成了新型定形 p c m的实验室制备。通过实验对多种 h d p e和石蜡进行了筛 选，获得了合适的配方，并利用 s e m( 扫描电子显微镜)观察其显微结构和利用 d s c 测定了其熔点和潜热。 ( b )采用定形相变材料的地板辐射采暖系统的数值模拟研究 提出了以一种定形相变材料作为贮热介质的新型地板辐射采暖系统，建立了 相应的理论模型，并作了数值模拟。 研究发现熔点在3 2 左右的定形相变材料是 这种系统较理想的贮热材料。计算结果表明 单，只需夜间8 小时充热，即可在2 4 小 用昼夜电价分时制的地区可望推广应用。 维持室内舒适的温度 贮能式地板辐射采暖系统控制简 。这种系统在采 关 键 词 : 透 明 蘸 热损 系数; 透过 率 岁太阳能 空g a m 藉 ; 整 体 式 。 r tiik 器 太 阳 “ 定 形 相 聆 相 变 贮 能 式 地 蜂 射 采 暖 系 统 t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o f t h e a p p l i c a t i o n s o f t r a n s p a r e n t h o n e y c o m b a n d a f o r m - s t a b l e p c m i n s o l a r e n e r g y ab s t r a c t t h i s d i s s e rt a t i o n c o n c e r n s t h e r e s e a r c h o f t w o n e w s o l a r e n e r g y m a t e r i a l s : tr a n s p a r e n t h o n e y c o m b a n d a f o r m - s t a b l e p c m ( p h a s e c h a n g e m a t e r i a l ) . a b o u t t r a n s p a r e n t h o n e y - c o m b , t h e f o l l o w i n g t o p i c s a r e i n v e s t i g a t e d : i ) t h e m e a s u r e m e n t s o f t h e s o l a r tr a n s m i t - t a n c e a n d h e a t l o s s c o e f f i c i e n t ; 2 ) t h e e x p e r im e n t a l a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f i t s a p p l i c a t i o n s t o s o l a r a i r h e a t e r s , i c s( i n t e g r a t e d c o l l e c t o r s t o r a g e ) s o l a r w a t e r h e a t e r a n d p a s s i v e s o l a r s p a c i n g h e a t i n g . a s t o t h e f o r m s t a b l e p c m , t h e c o n t e n t s s t u d i e d a r e : t h e p r e p a r a t i o n o f t h e m a t e r i a l a n d t h e n u m e r i c a l m o d e l i n g o f a r a d i a n t fl o o r h e a t i n g s y s t e m u t i l i z i n g f o r m - s t a b l e p c m a s t h e t h e r m a l s t o r a g e . t i m s ( t r a n s p a r e n t i n s u l a t i o n m a t e r i a l s ) a n d t i t ( t r a n s p a r e n t i n s u l a t i o n t e c h n o l o g y ) h a v e b e e n o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t r e s e a r c h a r e a s o f s o l a r e n e r g y i n t h e l a s t t w o d e c a d e s . t h e f o r m e r p r e s i d e n t o f t h e i s e s , p r o f a . g o e t z b e r g e c o m m e n t e d t h a t t h e b i rt h o f t i m i s r e v o l u t i o n a ry t o t h e p o p u l a r i z a t i o n o f t h e a p p l i c a t i o n o f s o l a r e n e r g y . t h e i n v e s t i g a t i o n o f tr a n s p a r e n t h o n e y c o m b w a s o n e o f t h e t a s k s i n t h e p r o j e c t n o . 1 8 ( n e w wi n d o w m a t e r - i a l s ) o r g a n i z e d b y t h e i e a ( i n t e rn a t i o n a l e n e r g y a g e n c y ) i n t h e m i d d l e o f 1 9 9 0 s . t h e s o c a l l e d t r an s p a r e n t h o n e y c o m b i s a fl a t p a n e l c o n s i s t i n g o f l a r g e q u an t i t i e s o f s m a l l c e l l s m a d e o f g l as s o r tr a n s p a r e n t p l a s t i c b y s p e c i a l t e c h n o l o g y , w h i c h h a s r e l a t i v e h i g h s o l a r tr a n s m itt anc e a n d a t t h e s a m e t i m e i t c an s u p p r e s s t h e t h e r m a l c o n v e c t i o n an d r a d i a t i o n . s o i t h a s t h e f u n c t i o n o f t h e r m a l d i o d e : h i g h s o l a r tr ans m i tt anc e a n d l o w h e a t l o s s c o e f f i c i e n t . f r o m t h e c o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o n o f t e c h n o l o g y and e c o n o m y , t h e tr ans p a r e n t h o n e y c o m b i s t h e b e s t c o m p a r e d w i t h o t h e r t i ms s u c h as t r a n s p a r e n t a e r o g e l and h e a t m ir r o r g l ass . b a s e d o n t h e c o o p e r a t i o n r e s e a r c h i n t h e p as t y e a r s , s h ang h a i c e r a m i c i n s t i t u t e o f c a s and t h e u n i v e r s i t y o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y o f c h i n a h a v e d e v e l o p e d an a d v anc e d t e c h n o l o g y t o m a n u f a c t u r e t h e t r ans p a r e n t h o n e y c o m b p l a t e s . t h e f o l l o w i n g t o p i c s o f t h e p r o d u c e d h o n e y c o m b p l a t e s a r e s t u d i e d : ( a ) me a s u r e m e n t s o f t h e s o l a r t r a n s m i t t a n c e a n d h e a t l o s s c o e f f i c i e n t t h e d i r e c t i o n a l - h e m i s p h e r i c a l an d h e m i s p h e r i c a l - h e m i s p h e r i c a l s o l a r tr an s m i tt an c e d a t a o f t h e p c - h o n e y c o m b p r o d u c e d w i t h t h e a d v an c e d t e c h n o l o g y a r e m e a s u r e d u s i n g a l a r g e b i - i n t e g r a t i n g s p h e r e s s y s t e m . a c o n v e n i e n t tr ans i e n t m e t h o d i s i n t r o d u c e d and u s e d i n t h e m e as u r e m e n t o f t h e h e a t l o s s c o e f f i c i e n t o f t h e t r a n s p a r e n t h o n e y c o m b . f a c t o r s s u c h as t h e t h i c k n e s s o f h o n e y c o m b , t h e t h i c k n e s s o f t h e a i r l a y e r b e t w e e n t h e h o n e y c o m b and t h e h o t p l a t e e t c . w h i c h h a v e i n fl u e n c e o n t h e v a l u e o f h e a t l o s s c o e f fi c i e n t a r e d i s c u s s e d . ( b ) e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f s o l a r a i r h e a t e r s w i t h h o n e y c o m b s t r u c t u r e e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o n s e v e r a l k i n d s o f s o l a r a i r h e a t e r s w i t h h o n e y c o m b p ane l m a d e o f 2 5 1 t r n p c f i l m i s p e r f o r m e d . t h e c o n s t r u c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a r e : t y p e i , t h e h o n e y c o m b p an e l a c t s as p a rt o f t h e fl o w p as s a g e ; t y p e i i , t h e tr ans p a r e n t h o n e y c o m b i s u s e d as tr ans p a r e n t c o v e r ; t y p e i i i c o n s i s t s o f t w o s t a g e s , w i t h t y p e i as t h e f i r s t s t a g e and t y p e i i as t h e s e c o n d o n e . a fl a t p l a t e s o l a r a i r h e a t e r w i t h o u t h o n e y c o m b ( t y p e i v ) w as a l s o s t u d i e d as a r e f e r e n c e . t h e re s u l t s s h o w e d t h a t t h e t h e r m a l e ff i c i e n c y c an b e i n c r e as e d 勿u s i n g tr a n s p a r e n t h o n e y c o m b p a n e l ( t h e d a y - a v e r a g e d e f f ic ie n c y o f t y p e i i s 6 4 % w h e n t h e r a t e o f a ir m as s fl o w i s 5 5 k g / h an d t h e m e an t e m p e r a t u r e d i ff e r e n c e b e t w e e n t h e o u t l e t an d i n l e t a i r i s 3 1 0 c ) . t h i s n e w k i n d o f s o l a r a ir h e a t e r s c an b e e x p e c t e d t o h a v e a w i d e p o t e n t i a l a p p l i c a t i o n i n a r e a s s u c h a s s o l a r d ry i n g and s o l a r s p a c e h e a t i n g . ( c ) n u m e r ic a l s im u la t io n o f t h e a p p lic a t i o n o f h o n e y c o m b t o s o l a r s p a c e h e a t i n g t h e s i m u l a t i o n s o f s e v e r a l s o l a r h o u s e s w it h d i f f e r e n t c o m p o s i t e t r o m b e -mic h e l w a l l s a r e p e r f o r m e d b y u s i n g o n e - d i m e n s i o n a l t h e r m a l c i r c u i t n e t w o r k m o d e l . t h e e f f e c t s o f t h e t h e r m a l r a d i a t i v e c h a r a c t e r s o f a b s o r p t s u r f a c e , d i ff e r e n t m a t e r i a l s o f t h e s t o r a g e w a l l , d i ff e r e n t t r ans p a r e n t c o v e r s and m e t a l a b s o r b e r s e t b e t w e e n t h e t r a n s p a r e n t c o v e r and t h e w a l l a r e i n v e s t i g a t e d . ( d ) n u m e r i c a l s t u d y o f t h e a n t i- f r e e z in g p e r f o r m a n c e o f t h e i c s ( in t e g r a t e d c o l l e c t o r s t o r a g e ) w i t h h o n e y c o mb s t r u c t u r e a o n e d i m e n s i o n a l e n t h a l p y m e t h o d c o n s i d e r i n g n a t u r a l c o n v e c t i o n i n t h e l i q u i d i s d e v e l o p e d t o s t u d y t h e fr e e z i n g p r o c e s s o f w a t e r w i t h t h e t h i r d - k i n d b o u n d a ry c o n d i t i o n . t h e m o d e l i s v e r i f i e d b y i n d o o r e x p e r i m e n t s a n d c an b e o f u s e t o d e t e r m i n e t h e r e l a t i o n - s h i p b e t w e e n t h e u - v a l u e o f i n t e g r a t e d - c o l l e c t o r - s t o r a g e ( i c s ) s o l a r w a t e r h e a t e r s and t h e t h i c k n e s s o f fr o z e n i c e f o r m e d i n i t w h e n e x p o s e d t o t h e c o l d w e a t h e r c o n d it i o n s f o r c e rt a i n p e r i o d o f t i m e . t y p i c a l c a l c u l a t i o n r e s u l t s a r e p r e s e n t e d u s i n g c o l d w i n t e r w e a t h e r c o n d i t i o n s o f s o m e c it i e s i n c h i n a . e n e r g y n e e d s f o r a w i d e v a r i e t y o f 叩p l i c a t i o n s a r e t i m e d e p e n d e n t , and s o i s t h e d e l i v e ry o f e n e r g y . c o n s e q u e n t l y , t h e s t o r a g e o f e n e r g y i s n e c e s s a ry t o m e e t t h e s e e n e r g y n e e d s . a m o n g t h e d i ff e r e n t m e t h o d s o f t h e r m a l e n e r g y s t o r a g e , t h e l a t e n t e n e r g y s t o r a g e i s o n e o f t h e m o s t a t t r a c t i v e . i t i s a b l e t o s t o r e a n d t o r e l e a s e v e ry l a r g e q u ant it i e s o f e n e r g y p e r w e i g h t o f m a t e r i a l , r e s u lt i n g i n l e s s v o l u m e t o s t o r e t h e e n e r g y r e q u i r e d b y t h e s y s t e m . i n a d d i t i o n , t h e t e m p e r a t u r e i s n e a r l y c o n s t ant d u r i n g t h e p h a s e c h ang e , w h i c h i s b e n e f i c i a l f o r t h e c o n t r o l a n d m ana g e m e n t o f t h e s t o r a g e s y s t e m . h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a l p c ms h a v e s e v e r a l d e f e c t s , o n e o f w h i c h i s t h a t t o s t o r e and t o r e l e a s e t h e l a t e n t h e a t o f t h e p c m, s p e c i a l l a t e n t s t o r a g e d e v i c e o r e l e m e n t s s u c h a s a s h e l l - and - t u b e p c m h e a t e x c h ang e r o r a l o t o f c ans t o e n c a p s u l a t e t h e p c m w i l l h a v e t o b e i n v o l v e d . i t c a u s e s t h e i n c r e a s e n o t o n l y i n h e a t r e s i s t anc e b u t a l s o i n a s s o c i a t e d c o s t . a n d t h e l a tt e r i s e x a c e r b a t e d f o r t h e s a l t h y d r a t e d b e c a u s e t h e c o n t a i n e r m u s t b e h e r m e t i c a l l y s c a l e d . f o r e x a m p l e , t h o u g h t h e b u l k c o s t o f c a c l 2 .6 h 2 0 i s o n l y $ 9 0 u s p e r t o n , s t o r a g e m o d u l e s b a s e d o n t h i s m a t e r i a l c o s t m o r e t h a n $ 3 0 0 0 u s p e r t o n a t t h e r e t a i l l e v e l i n c ana d a . + i t i s d e s i r a b l e t o d e v e l o p h e a t e x c h ang e r s i n w h i c h t h e h e a t t r ans f e r m e d i u m c an c o n t a c t p c m s d ir e c t l y , s o i t i s o f g r e a t i m p o r t anc e t o i n v e s t i g a t e f o r m - s t a b l e p c m s . t h e f o r m - s t a b l e p c m s c an b e c l a s s i f i e d i n t o t w o c a t e g o r i e s : s o l i d - s o l i d p c m s and s o l i d - l i q u i d o n e s . t h e f i r s t c a t e g o ry i n c l u d e s c e rt a i n m o l e c u l a r c ry s t a l s w h i c h u n d e r g o s o l i d - s t a t e c ry s t a l t r an s f o r m a t i o n s a c c o m p an i e d w i t h a b s o r b in g / r e l e a s i n g s u f f i c i e n t h e a t t h r o u g h o u t t h e t e m p e r a t u r e r ang e o f 冲p l i c a t i o n s f o r p r a c t i c a l u s e and p o l y m e r s c r o s s - l i n k e d b y a d d i n g c h e m i c a l c r o s s l i n k i n g a g e n t s o r b y e l e c t r o n b e a m ir r a d i a t i o n . t h e s e c o n d c a t e g o ry i s i n f a c t c o m p o u n d p h a s e c h an g e m a t e r i a l s o b t a i n e d b y d i s p e r s i n g p c m s i n t o h i g h e r m e l t i n g - p o i n t m a t e r i a l s a c t i n g a s s u p p o rt i n g m a t e r i a l s . a s l o n g a s t h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e i s b e l o w t h e m e l t i n g p o i n t o f s u p p o rt i n g m a t e r i a l , t h e c o m p o u n d m a t e r i al c an k e e p it s s h a p e e v e n w h e n t h e p c m c h ang e s fr o m s o l i d t o l i q u i d . c o m p o u n d p c m o b t a i n e d b y i n f u s i n g a p o r o u s b u l k m a t e r i a l 伪 名 . c o n c r e t e s l a b ) i n t o a p c m i n l i q u i d s t a t e h a s b e e n d e v e l o p e d . i n t h a t k i n d o f c o m p o u n d p c m, t h e m a s s p e r c e n t a g e o f t h e p h a s e c h an g e m a t e r i al i s r e l a t i v e l y l o w ( 具选择性辐射性质的材料 选择性材料的特点在于它们对不同光谱区和不同方向的辐射具有不同的辐射 ( 吸收、透过) 性质。选择性吸收材料已经在太阳能热利用、尤其是太阳能热水器 和中温热发电装置中获得了非常成功的应用，为人们所熟知，这里不再加以介绍。 以下主要介绍一些特定选择性材料的应用。 1 带热镜膜玻璃( 低发射率玻璃) 通常的3 - 4 m m 厚的窗玻璃，其发射率约为0 8 8 。带热镜膜的玻璃，既能透 过太阳辐射，又能很强地反射长波热辐射，也即其发射率很低，因此，可 用作窗户玻璃以减少辐射热损；也可用作太阳能集热器的透明盖板。在北 美及欧洲，低发射率玻璃已商业化。 2 用作辐射制冷器的“风屏”7 1 大气对处于8 到1 3 a n 的红外热辐射是透明的，使得热辐射可穿透大气到达 外层空间，这种现象被形象地称为“大气窗户”。利用这种现象可在环境 温度下获得约1 0 0 w m 2 的辐射致冷功率。利用红外选择性材料( 波长 a 8 , u m ，反射率r z l ；8 a 1 3 p m ，r 0 ，即透过率t m l ) 可以使处 于环境温度的热辐射透过“风屏”和“大气窗户”而射向宇宙空间。t n i l s s o n 采用着色的聚乙烯薄膜利用辐射制冷进行了空气取水。 3 防过热采光窗户 太阳辐射的很大一部分能量处于近红外光谱，大约有5 0 的太阳能对照明 是无用的。由此可发展防止建筑物过热的节能窗户，这种窗户对波长处于 0 78 到3 p m 的辐射的透过率t “i 。此特性可利用极薄的金属膜层来获得。 4 方向选择性窗户 节能窗户不仅可以通过光谱选择性涂层获得，还可利用方向选择性实现。 建筑物的窗户通常是用来实现水平位置的室内外的视觉交流；而太阳辐射 则一般来自上方。因此，采用对法向的太阳直射辐射透过率高、对偏离法 第一章绪论 向的太阳直射辐射透过率低的玻璃可以防止室内过热，文献 8 对这方面的 研究进行了综述，图卜l 给出了方向选择性窗户的实例。多层金属薄膜涂 层可达此目的。光谱和方向选择性通常是联合使用的。 图i - i 嵌于两块玻璃之间的方向选择性窗户材料( 窗户的底半部) 一 5 智能窗户 太阳辐射及其它气象条件随时间及季节变化，因此在窗户或建筑墙体上采 用能根据采暖、致冷及照明等需求自行调节光学性能的涂层的意义是非常 明显的。这类材料通常称为变色涂层。最近一些年，人们对电致变色智能 窗户进行了广泛深入的研究“。还有其它一些变色材料的光学性能随着温 度( 温致变色) ，光强( 光致变色) 及气体氛围( 气致变色) 而变化的。 透明隔热材料 从一般意义上讲，古罗马人使用的玻璃和以上提到的光谱选择性透过涂层都属 于透明隔热材料。玻璃和光谱选择性透过涂层具有共同的特征：对太阳光谱透过 率较高，而对常温辐射则可进行抑制，但两者对常温辐射避行抑制是分别通过吸收 和反射实现的。还有另一类抑制对流和辐射熟损的透明隔热材料( 器件) ，主要包 括气凝胶、透明蜂窝等。 图1 2 按几何结构给出了透明隔热材料的分类1 2 o( a ) 为平行结构类，包 括多层玻璃，塑料薄膜及低发射率涂层等； ( b ) 是垂直结构类，主要有透明蜂窝 第一章绪论 和毛细结构； ( c ) 给出的是中空结构类，如泡沫材料和颗粒状气凝胶：最后一种 为准均匀材料( q u a s i h o m o g e n e o u sm a t e r i a l ) ，诸如玻璃绒( g l a s sw 0 0 1 ) 、气凝胶 板材均属此类，见( d ) 。图1 3 是一些透明隔热材料的实物照片。 透明蜂窝、毛细结构及气凝胶等可抑制空气的对流，并具有抑制热辐射的性 能，因而可减少热损，但由于这类材料较厚，其透过率也相应减少。图1 4 e 1 3 1 给出 了t i m 的厚度对太阳漫射辐射透过率的影响，以及与所论厚度相对应的u 值。在 相同的下，p m m a 泡沫的漫射透过率最低，只有0 3 ；置于2 m m 玻璃板之间的粒 状气凝胶的透过率为o 4 5 ；毛细结构的透过率则有0 6 ：而透明蜂窝的透过率达 0 8 。 ( a ) ( c ) ( b ) 图1 2 透明隔热材料的几何分类 ( d ) 6 第一章绪论 ( e ) 玻璃纤维 ( f ) 毛细结构 图1 3 各种透明隔热材料的实物照片 7 第一章绪论 i 透明蜂窝 ，一 l _ - 一1 一，一 透di 蜂窝、一一“l 7 一 丫 l 一- 一一一上一 。 卸均，一一 隧 z ? v i a 泡耘 r i 。 气女i 胶窗户 y _ 一 p md a 泡#e 气羰膣宦户 、 0 1 02 03 0 4 0 5 0 6 000 4 0 8 1 2 1 0 2 d t 厚度( r a m ) u 值 w ( m 2 k ) 】 图1 - 4 太阳漫射透过率随透明隔热层厚度的变化( 左图) 及透明隔热材料的u 值( 粒状气凝胶 封装在双层2 m m 玻璃板之间) 透明隔热材料( 器件) 的有效导热系数随其两侧温差加大而增大 1 3 】。如1 0 m m 厚p c 透明蜂窝的传热系数在平均温度1 5 。c 时为1 2 w m 2 k ；在平均温度8 0 。c 时 则增至1 8 w m2 k 。表1 1 给出了一些透明隔热材料在平均温度为2 0 。c 的有效导 热系数。 表卜1透明隔热材料的有效导热系数( 测试装置冷热面的温度为2 0 。c ) 漫射透过率 第一章绪论 1 1 1 t i u 盯 u 口u a t i u i l l “ ：， ： i 6 l 7 j i2 二 3 ： j _ l 图1 - 5 典型的窗户材料与带t i 材料的窗户的u 值与漫射能量传输系数值 1 4 图1 5 为典型的窗户材料与带t i 材料的窗户的u 值与漫射能量传输系数值， 图中，1 、单层玻璃；2 、双层玻璃：3 、双层玻璃，内有一面为低发射率涂层；4 、 三层玻璃，有两个面为低发射率涂层；5 、带低发射率涂层的真空玻璃窗；6 、两块 玻璃板之间为5c mt i ；7 、两块玻璃板之间为1 0c mt i 。 t i 材料和t i 技术是近1 0 年来国际太阳能界最重视的研究内容之一。国际能 源署( i e a ) 在二十世纪9 0 年代中期组织了n o 1 8 “新型窗户材料”的科研项目， 由1 5 个国家分别承担其中的任务，透明蜂窝隔热材料是该项目的研究任务之一。 透明蜂窝是指以玻璃或透明塑料为原料，采用特殊工艺制成的有大量小孔的多孔 板，它对太阳辐射有相当高的透过率，若蜂窝孔的几何形状设计合理，能完全抑制 空气的自然对流和减弱辐射传热。因此，它有“热二极管”的作用能透过太阳 辐射，又具