基于分層控制策略采光實驗的電致變色窗研究

王崇敏，彭晉卿，羅伊默，譚羽桐

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

電致變色(Electrochromic, EC)玻璃作為一種新型動態玻璃，可以根據室內光熱環境需求主動調節電壓來改變可見光透過率和太陽得熱系數，從而實現對進入室內的可見光及太陽輻射熱的精準調控[1-2].與傳統靜態窗相比，EC窗能夠解決太陽光進入室內產生不適眩光以及輻射熱過大問題，具有廣泛應用前景[3-4].

自WO3變色現象首次被發現到EC窗問世[5-7]以來，EC窗吸引了研究者的廣泛關注.Sullivan和Selkowitz等[8-12]曾研究并發現了EC窗能有效降低空調能耗，改善眩光.隨著研究深入，控制策略在EC窗節能和采光方面的重要作用逐漸顯露.Sullivan[13]率先提出了分別基于工作面照度、基于入射太陽輻射強度以及基于空調模式來控制EC玻璃窗，發現了不同控制策略對室內光熱環境的影響不同.Karlsson等[14]研究表明以入射太陽輻射強度作為控制參數可以獲得更好的光熱環境.Gugliermetti等[15]同時考慮了垂直立面太陽輻射強度和眩光指數(Daylight Glare Index, DGI)，發現控制參數的閾值選取與玻璃的透過率以及入射方向密切相關.此外，相關研究表明控制參數閾值對EC窗的采光和節能效果也具有重要影響.戚浩然等[16-17]以室外水平照度作為控制參數，并以總能耗最低為目標優化了其閾值，改善了EC窗的節能效果.Lee等[18]通過對不同氣候區商業建筑中EC窗最佳控制參數的選取及閾值優化研究，發現了溫度是降低能耗最有效的參數，而綜合考慮能耗和采光時，入射到窗上的太陽輻射強度則是更好的選擇.

目前EC窗研究大多是以能耗最低為目標優化控制參數閾值，并且全年控制參數均采用相同閾值，從而忽略了太陽位置季節差異性的影響，難以滿足視覺舒適要求.因此，本文基于采光實驗，優先考慮天然采光和眩光，對EC窗夏季調控方式與垂直立面輻射強度的關系進行了研究，提出了EC窗分層控制策略，并對其進行了能耗模擬以驗證節能效果.本文第一部分主要介紹了實驗平臺及方案設計，接著在第二部分介紹了玻璃光熱性能參數、采光和能耗模型.第三部分則驗證采光模型的準確性，并根據實驗所得垂直立面太陽輻射強度和EC窗狀態調控的關系，提出了夏季EC窗分層控制策略，通過能耗模擬分析了其節能性.最后在第四部分總結了實驗和模擬得到的主要結論.

1 實驗介紹

1.1 建筑概況

本文以長沙市湖南大學智慧能源實驗室的一間辦公室為研究案例，如圖1(a)所示.該辦公室尺寸為2.5 m×6 m×3 m，南外墻裝有1.16 m×0.73 m的EC玻璃6塊，每塊玻璃均可獨立控制.

1.2 實驗方案

如圖1(b)所示，采光點位于房間中軸線，距窗1 m，高0.75 m，采光點正上方置一相機，距地1.2 m.采光點和相機上均安裝照度傳感器，分別測量采光點照度和垂直立面照度.如圖1所示立面上裝有日照輻射計以獲取垂直立面太陽輻射強度，此外可從實驗室配置的小型氣象站獲取太陽輻射、溫濕度等氣象參數.通過相機拍攝曝光程度不同的照片來合成高動態范圍圖像(High-Dynamic Range, HDR)，并據此計算眩光可能性(Daylight Glare Probability, DGP).EC玻璃著色時長為30 min，褪色時長為10 min.實驗中分層調節EC玻璃來實現室內采光點照度≤2 000 lux，DGP≤0.35的采光要求，以此探究夏季EC窗調控方式與垂直立面太陽輻射強度之間的關系.實驗所用器材及型號如表1所示.

圖1 電致變色窗建筑示意圖

表1 實驗器材及型號參數

2 模型建立

2.1 窗戶物理模型

為分析EC窗節能效果，本文選取了普通窗進行對比研究.EC窗的構造為10 mmEC玻璃+12 mm氬氣+6 mm超白玻璃，普通窗則為兩層6 mm白玻璃中間填充12 mm空氣，超白玻璃和白玻璃均選自WINDOW軟件自帶玻璃數據庫.使用型號為Perkin Elmer LAMBDA 1050+的分光光度計實測了單層EC玻璃光譜數據，然后導入Optics6和WINDOW7.6中計算得到EC窗的光熱性能參數，如表2所示，并將EC玻璃的4種狀態分別命名：S1(透明)、S2(淺)、S3(較深)、S4(深色).

表2 EC玻璃和普通玻璃性能參數

如圖2所示，首先參照實際建筑在Rhino中建立建筑模型；然后，輸入實測天氣數據及EC玻璃數據，通過HoneybeePlus等軟件調用Radiance計算采光點照度、眩光可能性(Daylight Glare Probability，DGP).為保證模擬的準確性，對室內各表面及窗臺反射率進行了測試，室內墻面、地板、天花板及窗臺反射率分別為0.68、0.14、0.60和0.21.

圖2 采光與能耗模擬流程示意圖

與此同時，在SketchUp中建立建筑模型并導入EnergyPlus中，再輸入長沙典型氣象年天氣文件來模擬夏季能耗.模擬時間為6月1日至8月31日，工作時間為8∶00—18∶00，室內設有一名工作人員，溫度設為26 ℃，采用60 W的熒光燈，其照度設定值為500 lux，即當室內參考點照度低于500 lux時啟用人工照明，模擬中的照度參考點位置與實驗一致，模擬時間步長為10 min.本文分別模擬了基于實驗得到的EC窗分層控制策略、整體控制策略以及普通玻璃的建筑能耗.其中整體控制策略為目前常用，即當垂直立面太陽輻射強度為：0～75 W/m2，EC窗整體處于S1；75～150 W/m2，EC窗整體處于S2；150～250 W/m2，EC窗整體處于S3；250 W/m2以上，EC窗整體處于S4.

2.2 采光與能耗模型

為實現EC窗動態控制，使用了EnergyPlus自帶的EMS功能.本文在模擬中，選取太陽高度角、太陽方位角和垂直立面太陽輻射強度作為變量，通過Energy Runtime Language將太陽直射光入射位置、垂直立面輻射強度與EC玻璃窗之間的關系編寫成控制語句，實現了對EC窗的動態控制.其中關于太陽直射光入射位置的判斷如圖3所示，首先根據幾何方法計算獲得太陽直射光落在每層玻璃時的太陽高度角和方位角；然后根據設定的人眼垂直視角(45°)，水平視角(120°)以及人眼位置計算人眼視野與窗戶重合范圍即可確定太陽直射光進入人眼視野時的入射位置，如表3所示.

表3 太陽直射光通過各層玻璃進入人眼視野的角度范圍

圖3 太陽直射光線位置判斷示意圖

3 結果與分析

3.1 實驗結果與分析

3.1.1 采光模型驗證

本文通過EC窗采光實驗，驗證了所建立的采光模型的準確性，探究了夏季EC窗調控方式與垂直立面太陽輻射強度關系，得到了分層控制下新的垂直立面輻射強度控制閾值，從而提出了夏季以垂直立面太陽輻射強度為控制參數的EC窗分層控制策略.最后通過模擬對比了采用EC窗(分層控制策略和整體控制策略)和普通玻璃窗的建筑能耗.

圖4(a)展示了2021年6月4日至6月7日EC玻璃窗整體控制，玻璃狀態分別為S1、S4、S3、S2四種狀態時實驗和模擬的采光點照度，可見EC窗模擬照度和實驗測試照度吻合度較好，最大相對誤差不超過15%.如圖4(b)所示，四種狀態下模擬與實測DGP基本保持一致.由此可見，本文建立的窗戶模型和采光模型準確可靠.

圖4 EC玻璃窗采光點照度、DGP的實測和模擬對比圖

3.1.2 垂直立面輻射強度與EC玻璃調控策略的關系

實驗于2021年7月6日至28日，晴朗天氣下進行，共17日.表4和圖5分別展示了7月16日和17日9∶00～10∶00和12∶10～14∶00玻璃調控方式、天氣情況以及采光實驗結果.

表4 7月16日和7月17日EC窗調控方式

如圖5(b)所示，7月16日與7月17日9∶35～10∶00的垂直立面輻射強度相差較小，但此時7月16日相較于7月17日的采光點照度和DGP均過高，產生了不適眩光，說明太陽直射光不在人眼內時EC窗中層玻璃著色對采光的調控效果優于上層玻璃著色；12∶10以后太陽直射光出現在窗戶上，此時7月16日的垂直立面太陽輻射大部分時間高于7月17日，但其所營造的室內光環境卻優于17日，說明此天氣條件下調節EC窗中下層為S2狀態更為合適.如圖5所示，7月17日采光點照度及DGP與其垂直立面太陽輻射強度變化趨勢相似，而7月16日將EC窗中層調至S2時明顯改善了室內光環境，這種分層控制玻璃狀態能夠具有針對性地改善室內光環境，從而滿足視覺舒適需求.

圖5 7月16日和17日采光實驗結果

如圖5所示，7月16日12∶10的室內采光點照度為1 956 lux,DGP為0.34，滿足室內采光要求.此時垂直立面太陽輻射強度為189 W/m2,窗戶狀態為中下層S2，上層透明.太陽高度角和方位角分別為75.5°和121.3°，據表3可將其歸為太陽直射光僅透過下層窗.按照上述過程篩選出實驗結果中所有滿足采光點照度不超過2 000 lux且DGP不大于0.35的時刻點，并記錄對應時刻的垂直立面太陽輻射強度和窗戶所處狀態；再按照各時刻的太陽高度角和方位角，依據表3將其分成太陽直射光不在視野范圍、太陽直射光透過中下兩層窗和太陽直射光僅透過下層窗三類；最終篩選統計得到了垂直立面輻射強度與EC窗分層控制的關系，如表5所示.

表5 玻璃狀態和垂直立面太陽輻射的對應關系

當垂直立面輻射強度小于70 W/m2，無論太陽直射光位置如何，EC玻璃窗處于S1狀態均可滿足采光和眩光需求，由于太陽直射光未照射到南立面或者受到較厚云層遮擋使南立面垂直太陽輻射強度較小，因此，EC窗處于透明態即可滿足視覺舒適要求.而隨著垂直立面太陽輻射強度增大，即使太陽直射光線未出現在視野中，EC玻璃也需調整著色狀態才能滿足采光要求，即當垂直立面輻射強度處于70～110 W/m2時，需將中層玻璃調至S4狀態；在110～140 W/m2時，將下層玻璃調至S4狀態；超過140 W/m2時，將中下兩層玻璃調至S2狀態.從上述垂直立面輻射強度與對應的EC窗調控方式不難發現，EC窗中層著色和下層著色所對應的垂直立面輻射強度閾值不相同，這是由于采光點及人眼位置與下層窗平行，相同條件下，下層窗著色比中層著色使采光點照度及DGP更低.太陽直射光出現在視野時，當太陽直射光透過中下兩層窗且垂直立面輻射強度為：70～210 W/m2，需將中下兩層玻璃調至S2狀態；超過210 W/m2時，需將中下兩層玻璃調至S3狀態.而當太陽直射光僅通過下層窗且垂直立面輻射強度為：70～120 W/m2時，需將下層窗調至S4狀態；120～250 W/m2時，需將中下兩層窗調至S2；超過250 W/m2時，需將中下兩層窗調至S3狀態.太陽直射光線出現在中下兩層窗與僅出現在下層窗時EC窗調整狀態不同的主要原因在于太陽直射光透過中下兩層窗時比僅透過下層窗時的太陽高度角較低，進入室內的太陽直射光更多且落點靠近采光點和人眼位置.

根據表5進一步提出了夏季EC窗分層控制策略，如圖6所示.首先判斷垂直立面輻射強度是否超過70 W/m2，未超過則將EC窗調至透明態，若超過則繼續判斷太陽直射光是否出現在人眼視野內，當未出現在人眼視野時，則依據其對應的室外垂直立面輻射強度閾值調整EC窗狀態；若出現在人眼視野時，則進一步判斷太陽直射光入射位置為中下兩層窗還是僅下層窗，再根據其分別對應的垂直立面太陽輻射強度閾值對EC窗進行調控.

圖6 夏季EC玻璃分層控制策略

3.2 模擬結果與分析

本文對采用分層控制策略的EC窗的能耗進行了模擬，并與整體控制策略以及普通窗進行了對比.本文在模擬時，選取太陽高度角和方位角以及垂直立面太陽輻射強度作為變量，使用EnergyPlus軟件自帶的EMS實現對EC窗的動態控制.

如圖7所示，夏季普通窗的照明能耗僅為0.04 kW·h，而分層控制和整體控制策略下EC窗產生的照明能耗分別為2.22 kW·h和19.82 kW·h.可以發現，EC窗采用整體控制時減少進入室內的太陽輻射熱的同時遮擋了大量可見光，從而增加了照明能耗.相比于普通窗戶，EC窗使用分層控制策略時的照明能耗有所增加但空調能耗減少了48.21 kW·h；EC窗采用分層控制時雖比整體控制增加了12.95 kW·h的空調能耗，但減少了17.6 kW·h的照明能耗.整體而言，采用分層控制策略的EC窗與普通玻璃窗和整體控制策略相比，總能耗分別減少了20.4%和2.5%，具有較好的節能效果.

圖7 EC玻璃窗與普通玻璃窗能耗對比圖

4 結論

本文基于EC窗的采光實驗結果首先驗證了其采光模型的準確性，接著對夏季EC窗調控方式與垂直立面太陽輻射強度的關系進行了研究，得到了EC窗調控狀態與垂直立面太陽輻射強度閾值的對應關系并提出了夏季EC窗分層控制策略.最后，對新提出的分層控制策略進行了能耗模擬，并與整體控制策略和普通玻璃窗對比.具體結論如下：

(1)夏季當垂直立面輻射強度小于70 W/m2時，EC窗整體處于透明態即可滿足室內光環境需求；而隨著垂直立面太陽輻射增大，則需根據太陽直射光入射位置以及垂直立面太陽輻射強度閾值來改變窗戶狀態以滿足室內光環境需求；

(2)當太陽直射光不在人眼視野時，較低窗層著色比較高窗層著色對控制室內光環境更為有效.中、下層窗著色能遮擋更多落到采光點的光線；

(3)當太陽直射光位置處在人眼視野內，太陽直射光入射位置不同對室內采光的影響不同.入射位置為僅下層窗要比中下兩層窗對室內照度及眩光影響更小；

(4)相較于普通玻璃窗，使用分層控制策略的EC窗能有效降低進入室內的太陽輻射熱，節省了20.4%的總能耗；與整體控制策略相比，分層控制策略更大程度地利用了天然采光，減少了2.5%的總能耗.

本文基于采光實驗從采光和視覺舒適角度對EC窗分層控制策略的參數閾值進行了優化，在營造舒適室內光環境的同時降低了能耗.該研究方法為不同季節、不同氣候條件下的EC玻璃窗的分層控制研究提供了借鑒.