电致变色玻璃窗的节能潜力研究分析

赵永青，黄永红

（长沙理工大学能源与动力工程学院）

（Changsha University of Science and Technology）

电致变色玻璃窗的节能潜力研究分析

赵永青，黄永红

（长沙理工大学能源与动力工程学院）

（Changsha University of Science and Technology）

分析了电致变色玻璃对建筑能耗的影响，对LOW-E玻璃和电质变色玻璃节能特性做了对比；同时分析了不同控制方式对电致变色玻璃节能的影响。结果表明，电致变色玻璃与LOW-E具有较好的节能效果，最低节能率为10 %，不同控制方式对建筑制冷能耗的影响不大。但是对于制热能耗，控制方式选择不当会导致能耗增加，如果电致变色玻璃用于这些地区，控制方式选择需慎重。

电致变色玻璃；节能；建筑能耗

1　引言

电致变色玻璃早在20世纪60年代，Plant在研究有机染料时发现了电致变色现象。1969年，S.K.Deb首次使用无定形WO3薄膜制备了电致变色器件［1］“氧空位色心”机理。电致变色玻璃真正应用到建筑上是始于20世纪80年代末，新型有机电致变色材料合成和电致变色器件的制备成为一个日益活跃的研究领域。此期间，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即智能调光窗（Smart Window）。

电致变色玻璃可以通过感应输入信号（室外温度、室内温度，室外太阳辐射等）调节玻璃的颜色，从而改变玻璃透射比、遮阳系数，达到动态遮阳、调光的效果。由于这个特性一些学者对电致变色玻璃窗的节能特性进行了研究。Sullivan［2］等研究了美国全年以冷负荷为主的建筑，发现当照明负荷占建筑能耗比例较大时，以自然光照度作为控制变量可以更好地降低建筑能耗；而当照明能耗可以忽略时，以房间冷负荷作为转换点能够更好地减少房间的太阳辐射得热。Eleanor·S·Lee［3］等使用监测的方法研究了电致变色玻璃窗的节能特性，结果表明电致变色玻璃窗与使用LOW-E窗加外百叶的项目相比，冷负荷降低3%左右，照明能耗降低10%～25%；并且如果电致变色玻璃窗与内遮阳或外遮阳配合使用可以减小阳光直射，进一步改善室内的热环境和光环境。E.S.Lee［4］等研究了电致变色玻璃窗对建筑能耗和室内光环境的影响，结果表明电致变色玻璃与普通LOW-E玻璃相比节能率5%～10%，并且能有效降低室内自然采光眩光指数（DGI）值。

本文对LOW-E玻璃和电致变色玻璃节能特性做了对比研究，并研究了不同控制方式下的电致变色玻璃窗的能耗。

2　模拟分析

2.1建筑模型

模型为上海的一栋41层的办公楼，为核心筒结构，窗墙面积比为60%。典型层平面图如图 1所示，建筑热工性能参数和室内材料光学性能参数见表1、表2、表3。

图1　典型层平面图

表1　不透明围护结构性能参数

表2　室内材料光学性能参数

2.2玻璃性能参数

电致变色玻璃窗的组成结构为6mm 电致变色玻璃+13mm空气+6mm白玻璃；LOW-E玻璃窗的组成结构为6mm 电致变色玻璃+13mm空气+6mmLow-E 玻璃。

表3　玻璃性能参数

2.3电致变色玻璃控制方式

可以采取两种系统调节电致变色玻璃窗的状态：开/关系统和线性控制系统。图2为开/关系统的示意图，当某一控制参数小于转换点I时，电致变色玻璃处于漂白态（ bleach），即玻璃是完全透明的；当该控制参数大于转换点I时，玻璃处于着色态（coloured），即玻璃完全着色。图3为线性控制系统的示意图，当控制参数小于转换点I及大于转换点DI时，玻璃分别处于漂白态和着色态；而当控制参数处于两者之间时，玻璃的光学性能随控制参数的变化而线性变化。控制参数可以是太阳辐射强度、温度、照度、房间负荷等，也可以是这些参数的组合。此外，I和DI也可视为时间点，表示在不同时间段内，玻璃处于不同的状态。

图2　开/关控制

图3　线性控制

本次在线性控制方式下，取太阳辐射、室外干球温度、室内自然光照度、室内负荷作为控制变量进行分析。分析的控制方式如下：

1）窗户上的太阳辐射大于350W/m2时电致变色玻璃处于着色状态，小于50W/m2处于漂白状态；

2）室外干球温度大于27℃时处于着色状态，小于15℃时处于漂白状态；

3）室内自然采光照度大于600lx处于着色状态，小于300lx处于漂白状态；

4）冷负荷超过40W/m2处于着色状态，热负荷大于30W/m2处于漂白状态。

3模拟软件及计算条件

本次采用eQUEST3.64进行分析，气象数据采用上海市典型气象年数据，数据格式为CSWD。空调设定温度为26℃，采暖设定温度为20℃。计算时间为7∶00～19∶00。

4　计算结果及分析

不同控制方式能耗对比见表4、图4。

从图5、图6可以看出，相对于使用LOW-E玻璃的建筑，电致变色玻璃可以较大幅度降低建筑能耗，其能耗降低比例为 10.2%～13.3%，不同控制方式能耗差异不大。

从图5可以看出，电致变色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗。电致变色玻璃与LOW-E玻璃对比，制冷能耗降低比例为 16.7 %～25.1 %。这是由于电致变色玻璃可以动态调节玻璃自身遮阳系数，通过设置合理的控制变量值，可以使得玻璃在建筑冷负荷大的时候通过变色减小玻璃遮阳系数，从而达到降低冷负荷的效果，进一步降低制冷能耗。

从图6可以看出，电致变色玻璃与LOW-E玻璃相比，采暖能耗在控制方式1、方式3、方式4情况下能耗增加，只有在控制方式2的情况下才减少。

表4　不同控制方式EC窗与LOWE玻璃窗能耗对比

图4　不同控制方式建筑能耗对比

图5　不同方式制冷能耗对比

图6　不同控制方式采暖能耗对比

5　结束语

本文以上海某建筑为研究对象，对比分析使用LOW-E玻璃以及不同控制方式的电致玻璃时的建筑能耗，得到电致变色玻璃对建筑能耗的影响效果。

1）电致变色玻璃与LOW-E玻璃相比，具有很好的节能效果，最低节能率也达到了10 %；并且不同控制方式对于冷负荷的影响并不大。

2）电致变色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗，但是对于制热能耗，很可能会出现能耗增加的情况。所以，对于寒冷和严寒地区，由于采暖能耗比较大，如果选择电致变色玻璃，一定要慎重选择控制方式。

［1］ 朱泉峣，靳艾平，陈文，等. 智能窗中电致变色材料的研究进展［J］ . 国外建材科技，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