基于EnergyPlus的電致變色玻璃窗對光熱環境及綜合能耗分析

摘要：通過采用EnergyPlus軟件分別研究了安徽合肥地區在非空調環境下電致變色玻璃窗對辦公建筑室溫和熱舒適性影響，以及在空調環境下，電致變色玻璃窗對辦公建筑能耗的影響.結果顯示，在無空調環境下，與普通6 mm玻璃窗相比，夏季高溫時間減少了245 h，全年熱舒適時間增加了753 h；與Low-E玻璃窗相比，夏季高溫時間減少了164 h，全年熱舒適時間增加了333 h.而在有空調環境中，電致變色玻璃窗的全年能耗相比于6 mm普通玻璃窗提高了23.9%，相比于Low-E窗提高了7.7%.電致變色玻璃窗可以有效改善室內熱環境、提高室內的熱舒適并且可以顯著減少能耗.

關鍵詞：電致變色玻璃；辦公建筑；室溫；熱舒適性；能耗模擬

中圖分類號：TU242.9文獻標志碼：A

Analysis of Photothermal Environment and Comprehensive"Energy Consumption of Electrochromic Glass"Window Based on Energy Plus

PAN An， JIANG Xiping

（School of Civil Engineering amp; Architecture， Anhui University of"Science amp; Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： This paper used EnergyPlus software to study the impact of electrochromic glass windows on room temperature and thermal comfort of office buildings in Hefei， Anhui Province in non-air-conditioned environment; and the impact of electrochromic glass windows on office building energy consumption in air-conditioned environments. The results show that in a non-air-conditioned environment， compared with ordinary 6mm glass windows， the high temperature time in summer is reduced by 245 hours， and the annual thermal comfort time is increased by 753 hours throughout the year; compared with Low-E glass windows， the high temperature time in summer is reduced by 164 hours， and the annual thermal comfort time is increased by 333 hours. While， in an air-conditioned environment， the annual energy consumption of the electrochromic glass windows is 23.9% higher than that of the 6mm ordinary glass windows， and 7.7% higher than that of the Low-E windows. Electrochromic glass windows can effectively improve the indoor thermal environment and the thermal comfort and can significantly reduce energy consumption simultaneously.

Key words： electrochromic glass; office building; room temperature; thermal comfort; energy consumption simulation

在全球經濟蓬勃發展和供暖與制冷需求上升的推動下，全球能源消耗持續增加，其中20%至40%的能源消耗來自建筑物［1］.作為建筑物最重要的傳熱構件，窗戶直接影響著建筑物的性能［2］.由于人們大部分時間都在室內度過，室內環境的熱舒適度日益受到關注.然而，窗戶會導致大量能量的散失，例如，在一棟兩層樓的房屋中，30%的墻壁被窗戶所覆蓋，窗戶散失的能量高達60%.因此，通過改善窗戶性能可以改善室內環境.雙層玻璃窗可以提高熱舒適度并降低能耗.先進的窗戶技術可以提高室內熱能和視覺性能［3］.其中，在能效窗技術方面最具有前景的是應用電致變色材料的窗戶，統稱電致變色玻璃窗.電致變色玻璃應用于建筑物可以減少制冷和供暖所需的能源消耗，并改善自然光照程度以提高舒適度，因此成為節能建筑材料的重要發展方向之一.

近年來，國內外學者對電致變色玻璃進行了越來越多的研究.李崢嶸研究了電致變色玻璃在高層居住建筑的熱環境分析［4］；Dussault等［5］通過模擬分析發現，電致變色玻璃窗能夠顯著的影響室內的光熱參數，在減少眩光方面尤為明顯；Fang等［6］分析了電致變色玻璃在不同熱流密度條件下玻璃表面溫度的變化規律；Jan等［7］通過研究指出電致變色玻璃系統切換到1%的透射率水平，可以在典型的辦公情況下全年相當好地減輕眩光.目前更多的主流在于研究電致變色玻璃的性能材料以及非空調環境下的室內熱環境和眩光的分析.本文使用Energy Plus軟件研究電致變色玻璃對比市場流行的Low-E玻璃和6 mm普通玻璃在對安徽合肥地區低層辦公建筑在非空調環境下熱舒適性及室溫分析；同時增加了對在有空調環境下全年的能耗影響分析，并結合所得結論簡述電致變色材料未來的發展.

1模型介紹

1.1電致變色玻璃

電致變色是指在外加電場作用下，使材料發生可逆的氧化還原反應，從而使材料顏色發生改變的現象.根據這一現象而研究出新型智能玻璃-電致變色玻璃［8］.電致變色玻璃（Electronic Glass）一般是在兩層玻璃之間夾有5個薄膜層，如圖1所示，分別為透明導電層、電致變色層、離子傳導層、離子存儲層及另一透明導電層［9］.普通辦公建筑中，由于外遮陽使用受限，內遮陽隔熱效果不明顯，電致變色玻璃集成了傳統的玻璃窗和遮陽設施的功能，具有較大的應用潛力［4］.因此，研究電致變色玻璃對建筑室內熱環境和熱舒適的影響具有重要意義（后文電致變色玻璃窗均稱EC窗）.

本文采用了EnergyPlus軟件模擬，分別研究了電致變色玻璃窗、Low-E玻璃窗和普通6 mm白玻璃在非空調條件下室內的空氣平均溫度、PMV的影響以及在空調條件下室內的能耗對比分析.

1.2模型建立

考慮到太陽照射角度可能對結果有所影響，本文分別采用東、南、西、北四個方向的辦公建筑（模型見圖2）來進行模擬［10］，層高3 m，每個房間尺寸均為3 m×5 m×10 m（高×寬×長），且各個朝向有一扇窗戶，窗洞尺寸為 3 m×2 m.本文所研究的三種玻璃窗類型以及玻璃光學尺寸見表1和表2.

電致變色玻璃窗在冬季變為淺色狀態，其他季節均為深色狀態.室內人員為4人，人員活動強度為132 W，室內照明功率取10 W/m2，室內其余電器功率取15 W/m2.夏季室內風速設為0.2 m/s，其余時間設為0.1 m/s.氣象資料選用安徽合肥市典型氣象數據.

2三種類型窗戶在無空調情況下的室溫及熱舒適影響

室內光熱環境參數對人員熱舒適性有重要影響.下文主要選取和熱舒適性相關的室溫和PMV指標，研究窗墻比為0.4的EC窗對比其余兩種窗戶材料時，這兩個指標在無空調狀態下的變化規律.

2.1在無空調情況下不同朝向窗戶對室溫的影響

在進行遮陽模擬之前先對模型進行室溫模擬，模擬結果如表3所示.從模擬數據中可知，在普通6 mm普通白玻璃窗的情況下，西向房間的夏季室溫最高，東向房間次之，南向和北向房間較少.這是因為西向房間在夏季受到的太陽輻射最多，夏季超過28 ℃的高溫時間比東向房間多了26 h，比南向房間多了58 h，比北向房間多了59 h，往往室內溫度較高，在不采用空調設備的情況下嚴重影響房間的熱舒適性，即“西曬”現象.故下文進行效果最明顯的西向房間對于三種窗戶的室溫模擬.

2.2西向房間在不同類型窗戶下的室溫模擬

通過軟件模擬得出無空調狀態下6 mm普通玻璃窗、Low-E玻璃窗以及EC窗全年逐時溫度，見圖3，黑色為6 mm普通玻璃窗，藍色為Low-E玻璃窗，橙色為EC窗.由模擬可知，夏季明顯EC窗房間的室溫整體上小于Low-E窗房間和6 mm普通玻璃窗房間的室溫，而在冬季EC窗室溫整體上高于其他兩種.

在高溫季節，當太陽輻射通過EC窗時，相較于其他窗戶，其透過的太陽輻射量較低，從而減少了通過窗戶進入室內的熱量.而當沒有太陽輻射時，EC窗的傳熱系數較大，有利于室內的散熱.在冬季，EC窗一直處于漂白（淺色）狀態，因此透過窗戶的太陽輻射量較多.當室溫較高時，EC窗發生變色，太陽輻射的透過量較其他兩種窗戶低，因而通過窗戶進入室內的熱量減少；而當室溫較低時，EC窗不發生變色，其太陽輻射的透過量大于其他兩種窗戶.同時，窗戶的傳熱系數會影響房間的散熱或熱損失.室溫是太陽輻射透過量和通過窗戶的散熱量綜合影響的結果.具體的溫度分布在全年各季節見表4.從表中可以看出，在夏季超過28 ℃的時間，EC窗戶比6 mm玻璃窗少了245 h，比Low-E窗戶少了164 h，表明EC窗對于減小室內高溫的效果較為明顯.而在冬季低于16 ℃的時間，EC窗戶比6 mm玻璃窗少了456 h，比Low-E窗戶少了121 h，表明EC窗對于減少冬季低溫時間的效果更為明顯.

2.3無空調狀態時PMV

PMV熱舒適模型是人體體溫調節的早期數學模型，提出了七級感覺的指標來表示大多數人對熱環境的平均投票值［11］，見表5.當PMV=0時，室內熱環境達到最佳熱舒適狀態.

室內溫度是導致PMV的主要原因，圖4是全年逐時PMV分布圖.無空調狀態下，夏季室內溫度較高，6 mm普通玻璃窗房間白天PMV值基本在3以上，室內人員處于熱的狀態；Low-E窗白天PMV值基本在2以上，而EC窗PMV值基本在2以下，夏季時EC玻璃對室內人員的PMV值的有一定改善作用，具體見表6.

PMV指標在（-1，1）之間表示適合人體的熱舒適性指標.春季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了205 h，提升了15.7％，比Low-E窗房間多了93 h，提升了6.6％；夏季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了238 h，提升了19.5％，比Low-E窗房間多了162 h，提升了12.5％；秋季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了178 h，提升了13.1％，比Low-E窗房間多了71 h，提升了4.8％；冬季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了132 h，提升了17.3％，比Low-E窗房間多了8 h，提升了0.8％.在表中可以看出EC窗房間對比其余兩個房間明顯在全年舒適性時間均有所增加，尤其在春夏兩個季節尤為明顯.采用電致變色玻璃窗可以較明顯地改善室內熱舒適.

3EC窗相比其他窗在有空調情況下的能耗對比分析

為了研究EC窗房間相比其他兩種類型窗戶房間在有空調的情況下的能耗情況，對上文西向房間進行三種類型窗戶進行模擬.氣象資料選取合肥市典型氣象數據，夏季空調啟動時間段為6月1日至10月31日，室溫超過26 ℃自動開啟；冬季空調啟動時間段為12月1號至2月28日，室溫低于20 ℃自動開啟，空調溫度設置為26 ℃.模擬結果見圖5.

從圖5可以明顯看出在有空調的情況下，裝有EC窗和Low-E窗的房間相比于普通6 mm玻璃窗的節能效果都有所提升，但EC窗的效果更為顯著.

表7是三個房間各個季節的能耗，通過計算得知：相比于6 mm普通玻璃窗房間，裝有EC窗的節能率在四個季節分別是25.3%、11.6%、30.6%、32%，全年平均節能率為23.9%；相比于Low-E玻璃窗房間，EC窗的節能率在四個季節分別是3.9%、8.2%、22.2%、3.7%，全年平均節能率為7.7%.可以看出，EC窗的節能效果均有所提升.

4結論

通過EnergyPlus軟件對三種窗戶進行室溫、舒適性以及能耗模擬得出以下結論：

（1）在無空調狀態下，以最明顯的西向房間為例，全年絕大多數時間，電致變色玻璃窗房間的室溫相比于市場較為流行的兩種窗戶房間的室溫均有明顯的改善作用.

相比于6 mm玻璃窗房間室溫低于16 ℃的時間，春、秋、冬季分別減少了41、36、456 h；16～19 ℃的時間，秋季和冬季分別增加了36、143 h；19～24 ℃的時間，春、夏、秋季分別增加了76、32、99 h；24～28 ℃的時間，夏季和秋季分別增加了213、85 h；對于高于28 ℃的時間，夏季和秋季分別減少了245、150 h.

而相比于Low-E玻璃窗房間室溫低于16 ℃的時間，春季和冬季分別減少了5、121 h；16～19 ℃的時間，秋季7 h；19～24 ℃的時間，春、夏、秋季分別增加了38、24、69 h；24～28 ℃的時間，夏季和秋季分別增加了140、19 h；對于高于28 ℃的時間，夏季和秋季分別減少了164、103 h.

（2）電致變色玻璃改善了室內的PMV值，增加了室內的熱舒適時間，相比于6 mm玻璃窗，春季、夏季、秋季以及冬季熱舒適時間分別增加了205、238、178、132 h；而相比于Low-E玻璃窗，春季、夏季、秋季以及冬季熱舒適時間分別增加了93、162、71、7 h.

（3）在有空調的情況下，西向窗戶房間在裝有EC玻璃的情況下，全年空調能耗比6 mm玻璃窗房間減少了23.9%；比Low-E玻璃窗房間減少了7.7%.

5展望

黨的十八大以來，我們把綠色低碳和節能減排擺在突出位置，建立并實施能源消耗總量和強度雙控制度［12］，建筑節能越來越受到重視［13］.電致變色技術通過自主調節玻璃透光度，使玻璃內外的光線與熱量變得可控，從而減少由于建筑內的高溫或低溫環境所引起的供暖供冷所帶來的能耗.目前，電致變色技術是最有應用前景的智能材料之一，并且通過模擬的結果在對室溫的控制方面和能耗方面改善效果明顯.隨著人們對建筑節能和舒適度的要求越來越高，電致變色玻璃在智能節能窗應用的比例也逐漸增加，已經廣泛應用于汽車天窗、后視鏡以及飛機的窗戶，相信在未來會迎來巨大的發展空間.

［參考文獻］

［1］XIN W，WEI Z，LINGZHI X，et al.Study on the impact of partition photovoltaic electrochromic windows on building lighting environment and energy saving［J］.Energy amp; Buildings，2023：280.

［2］SRIJITA N，ABDELHAKIM M M B A.Electrically actuated visible and near-infrared regulating switchable smart window for energy positive building：A review［J］.Journal of Cleaner Production，2021：301.

［3］WENXIN L，WEI K S，YANRU L.Effects of electrochromic glass window on energy efficiency，thermaland visual performances under tropical climate［J］.Energy for Sustainable Development，2023：76.

［4］李崢嶸，徐偉鵬，句俊玲，等.電致變色玻璃窗對上海居住建筑室內熱環境的影響［J］.暖通空調，2015，45（5）：74-76+70.

［5］DUSSAULT J，GOSSELIN L.Office buildings with electrochromic windows：A sensitivity analysis of design parameters on energy performance，and thermal and visual comfort［J］.Energy amp; Buildings，2017：153.

［6］FANG Y P，HYDE T，HEWITT N，et al.Thermal performance analysis of an electrochromic vacuum glazing with low emittance coatings［J］.Solar Energy，2010，84（4）：516-525.

［7］JAN W，SNEHA J，MARILYNE A.Transmittance thresholds of electrochromic glazing to achieve annual low-glare work environments［J］.E3S Web of Conferences，2022：362.

［8］管玲俐.外遮陽對建筑能耗和室內光熱環境的影響［D］.南京：南京理工大學，2019.

［9］王立祥，王兆祥.淺析電致變色玻璃中的電致變色材料［J］.玻璃，2011，38（4）：26-29.

［10］劉鳴飛，趙西平.西安地區居住建筑活動式外遮陽節能效果優化研究［J］.建筑與文化，2019（4）：175-177.

［11］王尊，高斯如，趙勝凱，等.基于PMV人體熱舒適模型的建筑熱工設計室內計算參數研究［J］.建筑節能（中英文），2021，49（11）：7-13.

［12］國務院辦公廳.關于推動能耗雙控逐步轉向碳排放雙控的意見［EB/OL］.［2023-07-11］.https：//www.gov.cn/yaowen/liebiao/202307/content_6891167.htm.

［13］王伶，張雅健.電致變色玻璃的節能效果分析［J］.上海建材，2022（3）：28-31.

［責任編輯仲圓］