光致變色玻璃在建筑中的節(jié)能性能評估

齊 帥，曾紅杰，于 浩，李一哲，周文彩，魏曉俊

(1.中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063；2.玻璃新材料創(chuàng)新中心(安徽)有限公司，蚌埠 233000)

0 引 言

在能源消費的各行業(yè)中，建筑業(yè)能耗占總能耗的比例高達20%～40%[1]，建筑領域的節(jié)能減碳已經(jīng)成為我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的必要環(huán)節(jié)。根據(jù)最新政策要求，新建建筑中達到“綠色建筑”標準的比例需要超過30%[2]。窗戶作為建筑圍護結構中與外界能量交換的主要構件[3]，在采光及與熱交換中的起著重要作用；玻璃作為窗戶中面積最大的材料，是決定窗戶性能的關鍵。因此，使用具有節(jié)能功能的智能玻璃是實現(xiàn)建筑減能降耗和綠色升級的有效手段。

光致變色玻璃指，在紫外光或者短可見光的照射下，可產(chǎn)生可見光區(qū)域的光吸收，使玻璃透光率降低或者產(chǎn)生顏色變化，并且在光照停止后又能自動恢復到原來透明狀態(tài)的光功能玻璃，簡稱為光色玻璃[4]。含鹵化銀的光色玻璃受到照射后會形成銀膠體而使玻璃顯色；光照停止后，銀膠體變回銀離子而退色。將光色玻璃用于建筑玻璃，可以通過調控光線的進入，有效阻隔過量的太陽光進入室內，實現(xiàn)減少眩光和降低熱能輻射攝入的效果。此外，該類玻璃具有變色復明速度快，經(jīng)變暗、退色多次重復后性能仍無疲勞衰減等優(yōu)點，具有廣闊的實際應用前景[5-6]。

此前對于光色玻璃的研究主要聚焦于制備方法的改進以獲得變色性能的提升[7-11]。研究人員常以追求更快的變色速率和更低的變暗透光率為目標開展工作，對不同變色能力的光色玻璃在建筑中實際的應用效果缺少研究，對于變暗透光率的理想數(shù)值缺乏明確的標準。這無疑會導致光色玻璃的研究變得方向盲目，極大地限制了其在實際建筑中的推廣應用，阻礙了光色玻璃進入規(guī)?；a(chǎn)的進程。

因此，本文以制備的鹵化銀光致變色玻璃為研究對象，提出了一種簡化計算光色玻璃動態(tài)變色過程中能耗表現(xiàn)的方法，并利用DeST能耗軟件[12]計算了兩種變色特性的光色玻璃在不同建筑中的節(jié)能效果，系統(tǒng)地比較和分析了它們的空調能耗和照明能耗。本文的計算方法和結果可為光色玻璃節(jié)能性能的研究提供參考，對光致變色玻璃的應用推廣具有一定的促進作用。

1 實 驗

1.1 不同光色性能樣品的制備

本文所用玻璃化合物設計組成如表1所示。

表1 光致變色玻璃樣品的化合物組成

以表1中化合物種類和含量作為鹵化銀光色玻璃的設計組成，以二氧化硅、氫氧化鋁、硼酸、碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、硝酸鈉、氯化鉀、溴化鉀、碘化鉀、硝酸銀、氧化銅等為原料(均為分析純)，采用熔融法制備基礎玻璃。稱量一定量的原料，將其置于高效混合機中混合均勻，然后置于鋯石英坩堝中以一定的升溫速率升高至1 450 ℃進行熔制，保溫4 h后取出坩堝，將玻璃液澆注在模具中成型后，置于退火爐中退火以消除應力，退火爐預先加熱到550 ℃，樣品放入后將退火爐斷電，自然冷卻至室溫。

光致變色玻璃需將經(jīng)退火后的基礎玻璃經(jīng)過不同條件的二次熱處理工藝，其中低透樣品處理條件為：將退火后樣品先于620 ℃下保溫30 min，后轉移至450 ℃下再保溫30 min。高透樣品條件為：先于580 ℃下保溫30 min，后轉移450 ℃下再保溫30 min。

1.2 光色測試與能耗模擬

1.2.1 光色性能測試

使用光色性能檢測裝置測試玻璃樣品的變色性能曲線，測試設備包括氙燈光源，透光率測試設備及記錄存儲系統(tǒng)。測得的透過率為可見光光譜(380～780 nm)內，CIE標準視見函數(shù)為接收條件的透過光通量與入射光通量之比，計算方法依據(jù)國標《建筑玻璃：可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數(shù)的測定》(GB/T 2680—2021)[13]。在暗室內，以105lx光強進行變暗過程測試，輻照5 min后關燈避光進行復明過程測試，輻照方式為垂直照射。

1.2.2 能耗模擬模型

建筑能耗計算采用專業(yè)能耗分析軟件DeST，選取夏熱冬暖地區(qū)的典型城市上海為模擬地點，氣象參數(shù)采用上海市的典型氣象年[14], 主要參數(shù)有：干球溫度平均值為24.0 ℃，露點溫度平均值為20.7 ℃，太陽輻射照度為167.3 W/m2，相對濕度為73.0%，風速為3.1 m/s。建立辦公樓、圖書館、會展中心三種建筑模型，圖1和圖2為模型的平面布置圖及建筑三維示意圖，建筑基礎信息見表2。室內熱擾及空調啟停作息依次設置為：辦公室人員/設備/燈光作息、閱覽室人員/設備/燈光作息、多功能廳人員/設備/燈光作息，不同月份設定的適宜室溫范圍略有不同。三種建筑的窗墻比依次為0.25、0.60和0.95，其余圍護結構的材料及參數(shù)為軟件默認值，具體參數(shù)見表3。

圖1 三種建筑模型的平面圖

圖2 三種建筑模型的三維圖

表2 建筑模型概況

表3 圍護結構熱工參數(shù)

2 結果與討論

2.1 太陽輻射特性及樣品的光色性能

圖3(a)是太陽直接輻射在全年8 760 h下的強度分布圖，由于日照的變化受云量、水汽以及大氣渾濁度等多種因素的影響，全年太陽輻射強度變化的波動較大[15]。圖3(b)為太陽光在空氣標準AM1.5下的典型光譜分布圖。太陽輻射中約7%屬于紫外光波段(200～380 nm)，46%屬于可見光波段(380～780 nm)，45%屬于近紅外波段(780～2 500 nm)，2%屬于遠紅外波段(>2 500 nm)[16]，其中紫外光加可見光約占全部太陽輻射的一半以上。光致變色玻璃在紫外和短可見光下會激發(fā)變色[17-18]，變色后的光色玻璃可以有效吸收紫外和可見光波段能量[19-20]，阻隔過量的輻射進入建筑室內，因此可減少空調的使用進而實現(xiàn)節(jié)能減排的效果。圖4(a)統(tǒng)計了全年8 760 h中，各時刻輻射強度為0和大于105lx(按輻射強度乘683估算)的小時數(shù)。在7時到19時范圍內，強度大于105lx和強度為0的總小時數(shù)比約為1∶1.5，在其余時刻輻射強度均為0。圖4(b)是低透和高透光色玻璃的變色性能曲線。由圖可見，兩種樣品在1 min內透光率下降速度最快，隨后變化趨勢變緩，逐漸到達最低透光率。低、高透樣品，第5 min時的透光率分別為24.8%和61.6%，將該時刻透光率命名為飽和變暗透光率。在復明段，第1 min的復明效率最高，隨著時間增加復明速率逐步降低，在復明10 min時(總第15 min)低、高兩種樣品透光率分別為48.5%和78.7%，此后復明速率基本呈穩(wěn)定態(tài)勢，將該時刻的透光率命名為飽和復明透光率。

圖3 太陽輻射強度分布和光譜分布

圖4 達到輻射值的小時數(shù)統(tǒng)計圖和光致變色玻璃的變色曲線圖

2.2 光色玻璃模擬中的簡化分析

通過對太陽輻射和光色玻璃特性進行分析，7時到19時范圍內，全年輻射大于105lx與輻射為0的總小時數(shù)比約為1∶1.5；光色玻璃達到飽和變暗透光率和由飽和變暗透光率到飽和復明透光率的時間比為1∶2。考慮還存在少量0～105lx的輻射，可以推測在該段時間內，光色玻璃透光率的平均上限要小于飽和復明透光率，光色玻璃的透光率基本在飽和變暗和復明透過率之間變化。因此，為了將動態(tài)的玻璃變色過程進行靜態(tài)簡化，本文模擬采取如下計算方法：(1)每天7時到19時范圍內，將光色玻璃的透光率上下限設定為飽和復明透光率和飽和變暗透光率，其余時刻的透光率設定為未變色的原始透光率(常用普通玻璃的透光率)。(2)根據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB 50189—2015)[21]中，可設定太陽能得熱系數(shù)(solar heat gain coefficient, SHGC)作為計算透光圍護結構的性能參數(shù)。依據(jù)新修訂的《民用建筑熱工設計規(guī)范》(GB 50176—2016)[22]中公式計算透光率恒為25%、50%、60%、80%的普通玻璃(記為T25、T50、T60、T80玻璃)的SHGC。(3)光色玻璃主要成分的氧化物與普通玻璃相似，因此將光色玻璃的傳熱系數(shù)K假設為與普通玻璃一致。(4)基于設定(1)～(3)，可將T50、T25、T80、T60玻璃在建筑中能耗值作為低透和高透光色玻璃能耗的上下限值。本模擬中各玻璃具體的熱工參數(shù)值見表4。

表4 玻璃熱工參數(shù)

2.3 能耗計算結果

圖5為模擬得到的辦公樓、圖書館、會展中心采用不同玻璃作為透明圍護結構時的總能耗圖。根據(jù)2.2節(jié)描述的簡化方法，T25/T50和T60/T80分別代表了低透和高透光色玻璃的能耗表現(xiàn)。由圖5可得，辦公樓、圖書館、會展中心由于依次增大的建筑面積，總能耗顯著增加。其中，采用低透光色玻璃、高透光色玻璃、普通玻璃的辦公樓的總能耗分別為459 MW·h、462～466 MW·h、467 MW·h,圖書館的總能耗分別為644～667 MW·h、680～706 MW·h、711 MW·h,會展中心的總能耗分別為4 295～4 693 MW·h、4 884～5 239 MW·h、5 306 MW·h。由于辦公樓建筑面積和窗墻比小，外界光熱作用對建筑內環(huán)境影響小，光色玻璃和普通玻璃的能耗表現(xiàn)相近；圖書館和會展中心由于具有較大的窗墻比，玻璃性能對能耗的貢獻更為顯著，因此使用光色玻璃后能耗值有明顯的降低。此外，低透光色玻璃由于更低的SHGC值，其節(jié)能效果最優(yōu)。

圖5 建筑采用不同玻璃時的總能耗圖

為了分析玻璃對不同類型建筑能耗的影響，圖6計算了辦公樓、圖書館、會展中心的照明、制冷、制熱能耗占總能耗比例。從圖中可見，三種建筑中制冷能耗均占比最多，其次是制熱能耗，這說明三種建筑的最大耗能來源均是空調，特別是夏季空調的使用對建筑全年能耗影響最大。采用普通玻璃的三種建筑的制冷能耗占比分別為69%、71%和85%，可見，建筑面積和窗墻比最大的會展中心，其空調制冷能耗占比在三種建筑中最大。光色玻璃正是通過減少制冷能耗實現(xiàn)建筑節(jié)能，因此可以預計光色玻璃在會展中心中將具有更好的節(jié)能效果。

圖6 建筑總能耗中照明、制熱和制冷能耗占比圖

除了空調冷熱負荷，采光照明電耗也是建筑能耗的重要部分。隨著低透光色、高透光色、普通玻璃可見光透光率的依次增加，三種建筑中的照明能耗均逐步降低。值得注意的是，采用不同玻璃的辦公樓、會展中心的照明能耗占比分別在13%～15%和8%～11%之間，而圖書館的照明能耗占比在6%～7%之間，低于辦公樓和會展中心。這可能由于圖書館比辦公樓增加0.35的窗墻比使得更多的房間滿足自然采光要求，照明能耗得以顯著降低；而繼續(xù)增加窗墻比至0.95時，光色玻璃與普通玻璃的透光率均能滿足房間自然采光要求，照明能耗減少有限，但總能耗卻成比例增加。因而玻璃透光率的提高后，減少后的照明能耗相對于明顯增加的總能耗的比值反而降低。

為了更清晰體現(xiàn)光色玻璃的節(jié)能效果，計算了采用不同光色玻璃時三種建筑的能耗率(低、高透光色玻璃總能耗與普通玻璃總能耗的比值)。從圖7中可以直觀地發(fā)現(xiàn)，在辦公樓、圖書館、會展中心中，低透光色玻璃的建筑年總能耗依次為常見普通玻璃總能耗的98.2%～98.3%、90.6%～93.9%、80.9%～88.4%，高透光色玻璃依次為98.9～99.8%、95.7%～99.3%、92.0%～98.7%。兩種光色玻璃在以圖書館和會展中心為代表的，建筑面積較大且窗墻比0.6以上的建筑中，全年節(jié)能率最高超過10%，顯示出優(yōu)良的節(jié)能效果；在建筑面積和窗墻比均較小的辦公樓中低、高透光色玻璃的節(jié)能效果近似。除了節(jié)能效果外，光色玻璃具有獨特的阻隔紫外線和防眩光功能，因此在辦公樓等其他建筑中也有廣泛的應用價值。此外，圖7中數(shù)據(jù)表明，通過本文的簡化計算方法得到的能耗率范圍在0%～8%，而常見的建筑形式(建筑面積小于5 000 m2，窗墻比小于0.6)，能耗率范圍在0%～3%，波動范圍較小，說明該方法可用于評估光致變色玻璃在實際建筑項目中的節(jié)能效果。

圖7 采用低高透光色玻璃的辦公樓、圖書館、會展中心的能耗率圖

3 結 論

(1)通過熔融加二次熱處理法制備了低、高兩種透光率的光色玻璃，并以二者性能為基礎，建立了光色玻璃節(jié)能性能的簡化模擬方法。

(2)能耗計算得出，在建筑面積較大且窗墻比0.6以上的公共建筑中，低透光色玻璃全年節(jié)能率最高超過10%，具有優(yōu)良的節(jié)能效果；在以辦公樓為代表的建筑面積和窗墻比較小的建筑中，光色玻璃主要作用在于阻隔紫外線和防眩光，高透光色玻璃即可滿足使用需求。

(3)綜合結果分析，光色玻璃在不同建筑中具有不同應用效果，應針對建筑形式具體分析，按需研制不同性能的光色玻璃以滿足不同的建筑要求。