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(tuán)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(dá)20%～40%[1]，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減碳已經(jīng)成為我國實現(xiàn)“碳達(dá)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(dá)到“綠色建筑”標(biāo)準(zhǔn)的比例需要超過30%[2]。窗戶作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中與外界能量交換的主要構(gòu)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(guān)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(fù)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(diào)控光線的進(jìn)入，有效阻隔過量的太陽光進(jìn)入室內(nèi)，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(fù)明速度快，經(jīng)變暗、退色多次重復(fù)后性能仍無疲勞衰減等優(yōu)點，具有廣闊的實際應(yīng)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(jìn)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(biāo)開展工作，對不同變色能力的光色玻璃在建筑中實際的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。這無疑會導(dǎo)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(yīng)用，阻礙了光色玻璃進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)的進(jìn)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(diào)能耗和照明能耗。本文的計算方法和結(jié)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(yīng)用推廣具有一定的促進(jìn)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(shè)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(shè)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(chǔ)玻璃。稱量一定量的原料，將其置于高效混合機(jī)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(jìn)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(yīng)力，退火爐預(yù)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(chǔ)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備包括氙燈光源，透光率測試設(shè)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(nèi)，CIE標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)《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(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》(GB/T 2680—2021)[13]。在暗室內(nèi)，以105lx光強(qiáng)進(jìn)行變暗過程測試，輻照5 min后關(guān)燈避光進(jìn)行復(fù)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(fēng)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(chǔ)信息見表2。室內(nèi)熱擾及空調(diào)啟停作息依次設(shè)置為：辦公室人員/設(shè)備/燈光作息、閱覽室人員/設(shè)備/燈光作息、多功能廳人員/設(shè)備/燈光作息，不同月份設(shè)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(hù)結(jié)構(gòu)的材料及參數(shù)為軟件默認(rèn)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(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

2 結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度變化的波動較大[15]。圖3(b)為太陽光在空氣標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(jìn)入建筑室內(nèi)，因此可減少空調(diào)的使用進(jìn)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(qiáng)度為0和大于105lx(按輻射強(qiáng)度乘683估算)的小時數(shù)。在7時到19時范圍內(nèi)，強(qiáng)度大于105lx和強(qiáng)度為0的總小時數(shù)比約為1∶1.5，在其余時刻輻射強(qiáng)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(nèi)透光率下降速度最快，隨后變化趨勢變緩，逐漸到達(dá)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(fù)明段，第1 min的復(fù)明效率最高，隨著時間增加復(fù)明速率逐步降低，在復(fù)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(fù)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(fù)明透光率。

圖3 太陽輻射強(qiáng)度分布和光譜分布

圖4 達(dá)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(jìn)行分析，7時到19時范圍內(nèi)，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(dá)到飽和變暗透光率和由飽和變暗透光率到飽和復(fù)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(nèi)，光色玻璃透光率的平均上限要小于飽和復(fù)明透光率，光色玻璃的透光率基本在飽和變暗和復(fù)明透過率之間變化。因此，為了將動態(tài)的玻璃變色過程進(jìn)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(nèi)，將光色玻璃的透光率上下限設(shè)定為飽和復(fù)明透光率和飽和變暗透光率，其余時刻的透光率設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)[21]中，可設(shè)定太陽能得熱系數(shù)(solar heat gain coefficient, SHGC)作為計算透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)。依據(jù)新修訂的《民用建筑熱工設(shè)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(shè)為與普通玻璃一致。(4)基于設(shè)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(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)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(diào)，特別是夏季空調(diào)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(diào)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(yù)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(diào)冷熱負(fù)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(yīng)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(jié) 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(chǔ)，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(jié)果分析，光色玻璃在不同建筑中具有不同應(yīng)用效果，應(yīng)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。