電致變色玻璃窗的節(jié)能潛力研究分析

趙永青，黃永紅

（長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

（Changsha University of Science and Technology）

電致變色玻璃窗的節(jié)能潛力研究分析

趙永青，黃永紅

（長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

（Changsha University of Science and Technology）

分析了電致變色玻璃對建筑能耗的影響，對LOW-E玻璃和電質(zhì)變色玻璃節(jié)能特性做了對比；同時(shí)分析了不同控制方式對電致變色玻璃節(jié)能的影響。結(jié)果表明，電致變色玻璃與LOW-E具有較好的節(jié)能效果，最低節(jié)能率為10 %，不同控制方式對建筑制冷能耗的影響不大。但是對于制熱能耗，控制方式選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致能耗增加，如果電致變色玻璃用于這些地區(qū)，控制方式選擇需慎重。

電致變色玻璃；節(jié)能；建筑能耗

1　引言

電致變色玻璃早在20世紀(jì)60年代，Plant在研究有機(jī)染料時(shí)發(fā)現(xiàn)了電致變色現(xiàn)象。1969年，S.K.Deb首次使用無定形WO3薄膜制備了電致變色器件［1］“氧空位色心”機(jī)理。電致變色玻璃真正應(yīng)用到建筑上是始于20世紀(jì)80年代末，新型有機(jī)電致變色材料合成和電致變色器件的制備成為一個(gè)日益活躍的研究領(lǐng)域。此期間，美國科學(xué)家C.M.Lampert和瑞典科學(xué)家C.G.Granqvist等人提出了以電致變色膜為基礎(chǔ)的一種新型節(jié)能窗，即智能調(diào)光窗（Smart Window）。

電致變色玻璃可以通過感應(yīng)輸入信號(hào)（室外溫度、室內(nèi)溫度，室外太陽輻射等）調(diào)節(jié)玻璃的顏色，從而改變玻璃透射比、遮陽系數(shù)，達(dá)到動(dòng)態(tài)遮陽、調(diào)光的效果。由于這個(gè)特性一些學(xué)者對電致變色玻璃窗的節(jié)能特性進(jìn)行了研究。Sullivan［2］等研究了美國全年以冷負(fù)荷為主的建筑，發(fā)現(xiàn)當(dāng)照明負(fù)荷占建筑能耗比例較大時(shí)，以自然光照度作為控制變量可以更好地降低建筑能耗；而當(dāng)照明能耗可以忽略時(shí)，以房間冷負(fù)荷作為轉(zhuǎn)換點(diǎn)能夠更好地減少房間的太陽輻射得熱。Eleanor·S·Lee［3］等使用監(jiān)測的方法研究了電致變色玻璃窗的節(jié)能特性，結(jié)果表明電致變色玻璃窗與使用LOW-E窗加外百葉的項(xiàng)目相比，冷負(fù)荷降低3%左右，照明能耗降低10%～25%；并且如果電致變色玻璃窗與內(nèi)遮陽或外遮陽配合使用可以減小陽光直射，進(jìn)一步改善室內(nèi)的熱環(huán)境和光環(huán)境。E.S.Lee［4］等研究了電致變色玻璃窗對建筑能耗和室內(nèi)光環(huán)境的影響，結(jié)果表明電致變色玻璃與普通LOW-E玻璃相比節(jié)能率5%～10%，并且能有效降低室內(nèi)自然采光眩光指數(shù)（DGI）值。

本文對LOW-E玻璃和電致變色玻璃節(jié)能特性做了對比研究，并研究了不同控制方式下的電致變色玻璃窗的能耗。

2　模擬分析

2.1建筑模型

模型為上海的一棟41層的辦公樓，為核心筒結(jié)構(gòu)，窗墻面積比為60%。典型層平面圖如圖 1所示，建筑熱工性能參數(shù)和室內(nèi)材料光學(xué)性能參數(shù)見表1、表2、表3。

圖1　典型層平面圖

表1　不透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

表2　室內(nèi)材料光學(xué)性能參數(shù)

2.2玻璃性能參數(shù)

電致變色玻璃窗的組成結(jié)構(gòu)為6mm 電致變色玻璃+13mm空氣+6mm白玻璃；LOW-E玻璃窗的組成結(jié)構(gòu)為6mm 電致變色玻璃+13mm空氣+6mmLow-E 玻璃。

表3　玻璃性能參數(shù)

2.3電致變色玻璃控制方式

可以采取兩種系統(tǒng)調(diào)節(jié)電致變色玻璃窗的狀態(tài)：開/關(guān)系統(tǒng)和線性控制系統(tǒng)。圖2為開/關(guān)系統(tǒng)的示意圖，當(dāng)某一控制參數(shù)小于轉(zhuǎn)換點(diǎn)I時(shí)，電致變色玻璃處于漂白態(tài)（ bleach），即玻璃是完全透明的；當(dāng)該控制參數(shù)大于轉(zhuǎn)換點(diǎn)I時(shí)，玻璃處于著色態(tài)（coloured），即玻璃完全著色。圖3為線性控制系統(tǒng)的示意圖，當(dāng)控制參數(shù)小于轉(zhuǎn)換點(diǎn)I及大于轉(zhuǎn)換點(diǎn)DI時(shí)，玻璃分別處于漂白態(tài)和著色態(tài)；而當(dāng)控制參數(shù)處于兩者之間時(shí)，玻璃的光學(xué)性能隨控制參數(shù)的變化而線性變化。控制參數(shù)可以是太陽輻射強(qiáng)度、溫度、照度、房間負(fù)荷等，也可以是這些參數(shù)的組合。此外，I和DI也可視為時(shí)間點(diǎn)，表示在不同時(shí)間段內(nèi)，玻璃處于不同的狀態(tài)。

圖2　開/關(guān)控制

圖3　線性控制

本次在線性控制方式下，取太陽輻射、室外干球溫度、室內(nèi)自然光照度、室內(nèi)負(fù)荷作為控制變量進(jìn)行分析。分析的控制方式如下：

1）窗戶上的太陽輻射大于350W/m2時(shí)電致變色玻璃處于著色狀態(tài)，小于50W/m2處于漂白狀態(tài)；

2）室外干球溫度大于27℃時(shí)處于著色狀態(tài)，小于15℃時(shí)處于漂白狀態(tài)；

3）室內(nèi)自然采光照度大于600lx處于著色狀態(tài)，小于300lx處于漂白狀態(tài)；

4）冷負(fù)荷超過40W/m2處于著色狀態(tài)，熱負(fù)荷大于30W/m2處于漂白狀態(tài)。

3模擬軟件及計(jì)算條件

本次采用eQUEST3.64進(jìn)行分析，氣象數(shù)據(jù)采用上海市典型氣象年數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為CSWD?？照{(diào)設(shè)定溫度為26℃，采暖設(shè)定溫度為20℃。計(jì)算時(shí)間為7∶00～19∶00。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

不同控制方式能耗對比見表4、圖4。

從圖5、圖6可以看出，相對于使用LOW-E玻璃的建筑，電致變色玻璃可以較大幅度降低建筑能耗，其能耗降低比例為 10.2%～13.3%，不同控制方式能耗差異不大。

從圖5可以看出，電致變色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗。電致變色玻璃與LOW-E玻璃對比，制冷能耗降低比例為 16.7 %～25.1 %。這是由于電致變色玻璃可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)玻璃自身遮陽系數(shù)，通過設(shè)置合理的控制變量值，可以使得玻璃在建筑冷負(fù)荷大的時(shí)候通過變色減小玻璃遮陽系數(shù)，從而達(dá)到降低冷負(fù)荷的效果，進(jìn)一步降低制冷能耗。

從圖6可以看出，電致變色玻璃與LOW-E玻璃相比，采暖能耗在控制方式1、方式3、方式4情況下能耗增加，只有在控制方式2的情況下才減少。

表4　不同控制方式EC窗與LOWE玻璃窗能耗對比

圖4　不同控制方式建筑能耗對比

圖5　不同方式制冷能耗對比

圖6　不同控制方式采暖能耗對比

5　結(jié)束語

本文以上海某建筑為研究對象，對比分析使用LOW-E玻璃以及不同控制方式的電致玻璃時(shí)的建筑能耗，得到電致變色玻璃對建筑能耗的影響效果。

1）電致變色玻璃與LOW-E玻璃相比，具有很好的節(jié)能效果，最低節(jié)能率也達(dá)到了10 %；并且不同控制方式對于冷負(fù)荷的影響并不大。

2）電致變色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗，但是對于制熱能耗，很可能會(huì)出現(xiàn)能耗增加的情況。所以，對于寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，由于采暖能耗比較大，如果選擇電致變色玻璃，一定要慎重選擇控制方式。

［1］ 朱泉峣，靳艾平，陳文，等. 智能窗中電致變色材料的研究進(jìn)展［J］ . 國外建材科技，2006 ，27 （1） ∶427.

［2］ SULL IVAN R ， L EE E S ， PAPAMICHAEL K， et al .Effect of switching cont rol st rategies on the energy performance of elect rochromic windows ［C］/ / Optical Materials Technology for Energy Efficiency and Solar Energy Conversion XIII ， Freiburg ， Germany ∶SPIE ，1994 ，2255 ∶4432455.

［3］Eleanor S. Lee， Dennis L. DiBartolomeo， and Stephen E. Selkowitz. Electrochromic Windows for Commercial Buildings∶Monitored Results from a Full-Scale Testbed［J］. 2000 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings，2000.

［4］ E.S. Lee*， A. Tavil. Energy and visual comfort performance of electrochromic windows with overhangs［J］. Building and Environment，2005.

Energy Saving Potential Analysis and Study of Electrochromic Glazing

ZHAO Yong-qing ， HUANG Yong-hong

Energy performance of LOW-E glazing and electrochromic glazing were compared， while different control way of electrochromic glazing impaction on building energy were studied. It was shown that electrochromic glazing had very good energy efficiency compared with LOW-E glazing， the minimum energy reduction is 10%，and control way of electrochromic glazing had very little impaction on cooling energy. However， inappropriate control way will result in heating energy increasing， so if electrochromic glazing were applied in cold and sever cold region， select ion of appropriate control way was very important.

electrochromic glazing；energy saving；building energy