面向低能耗与可控采光需求的智能变色窗户研究＊

梁润琪 于杰生 颜哲 张永明，3

1 同济大学建筑与城市规划学院

2 同济大学建筑与城市规划学院，高密度人居环境生态与节能教育部重点实验室

3 同济大学中德工程学院

1 研究背景

建筑立面作为建筑设计的重要组成部分，其合理设计不仅可以营造吸引人的视觉效果和优异的室内舒适度，还可以降低建筑的能源消耗，提高建筑整体的能源利用率。建筑能耗大约占世界能源消耗的40%，因此降低建筑能耗是实现世界能源可持续的有效途径之一，而窗户作为建筑中唯一透光的外围护结构，可将太阳辐射传递到室内空间，若能就太阳能对室内光和热舒适度方面进行可适应性的调节，就能达到节能减排的效果。随着建筑立面技术的飞速发展，各种新型的窗体构件（如透明隔热材料、智能变色玻璃等）日益成熟，并且在建筑设计过程中有逐渐取代传统透明玻璃窗的趋势。同时，新型窗体的应用研究也不仅局限于能耗分析，其对室内光热舒适度的测评和分析已经成为不可或缺的评价标准。

1.1 智能窗户是建筑立面发展的前沿技术

在建筑立面设计的发展进程中，窗户的应用也经历了不同程度的改进，从玻璃透射率的提高到保温性能的提高（双层玻璃、三层玻璃、真空玻璃、透明隔热玻璃等），从静态光学属性的提升（Low-E、高反射率玻璃等）到动态光学属性的探索（智能变色玻璃等）。其中，不同于其他高性能玻璃，智能变色窗户能够响应不同的外部环境刺激来改变其光谱透射率，包括温度（即热致变色（Thermochromic，TC））、电（即电致变色（Electrochromic，EC））、气体（即气致变色（Gasochromic，GC））和光（即光致变色（Photochromic，PC）），从而适应气候条件来动态优化室内光热条件[1]，是目前最前沿的建筑立面节能技术之一，除电致变色玻璃已经相对成熟之外，其他种类目前尚在研究中。

目前，电致变色玻璃已有产品上市，并在实际案例中得以应用[2-3]，而热致变色玻璃仍处于小规模的实验阶段（图1）。然而，热致变色玻璃由于不需要额外的能量消耗便能够自动调节太阳热量的透射量而得到广泛的关注，制作工艺相对经济便捷，是最具有潜力的未来能大面积应用于建筑中的智能窗户材料，特别是基于二氧化钒（VO2）材料的热致变色薄膜[4]。国内外关于热致变色玻璃的研究已经在材料的制备以及光学属性的改善等方面进行了广泛研究，而其应用于不同气候条件下的建筑中是否能够满足节能和光热舒适度的需求，还需要更加全面的了解，也是我们需要探讨的问题。

1.2 智能窗户在建筑中的应用研究现状

近几十年来，为了实现热致变色玻璃作为建筑节能组件的应用，逐渐开始对其使用性能进行探索，而方向多集中在能耗上，对于其在室内采光和建筑立面设计中的影响只进行了有限的研究。Saeli[5]、Ye[6]和Long[7]的团队通过建筑能耗模拟对其进行了研究，并与Low-E玻璃进行过对比，发现热致变色窗户可以带来更多的节能效率。Hoffmann[8]和Warwick[9]的研究结果则显示，热致变色窗系统有潜力实现最大节能率达20%，但热致变色性能，包括变色温度、透射率变化幅度等还有待改善。Gao[10]和Ye[11]的团队通过实验测试发现，室内温度可以降低9℃，相对普通玻璃而言，热致变色材料的日光透射率较低，导致80%的照度受阻。

1 智能窗户示意图

表1 SageGlass、VO2_Nano以及参照组普通玻璃的光谱透射率（平均值）

与热致变色玻璃TC不同，电致变色EC窗系统可以根据用户需求来人工控制是否施加电压进而改变其光谱透射率，针对EC窗的研究主要集中在其材料特性、能效和控制策略上，它可以代替遮阳设备来减少眩光，也可以降低不必要的太阳能得热，从而保持室内的热舒适性并减少制冷能耗[12-13]。它们的共同点是，TC和EC窗在工作时均有着色，并且根据掺杂的金属元素可以改变其原有颜色。通常，TC玻璃呈现为棕色，EC玻璃呈现为蓝色。材料的着色特性意味着不同的室内视觉舒适度以及外立面视觉效果，所以在热致变色玻璃的探索中，动态的采光效果评估和空间光色的因素也是需要着重讨论的部分。

1.3 存在的问题和研究意义

从以往的成果可以看出，研究的关注点多为智能变色玻璃的材料开发和节能效应，然而在实现新型智能窗户的有效利用中，建筑设计中关于室内光舒适和可适应性变色立面的探索还十分有限。为了实现智能窗户全面高效的评估，本研究以典型办公空间为例，进行热致变色窗与电致变色窗的性能对比研究，包括节能效果和光环境特性，并结合作者前期研究，讨论智能窗户的颜色对使用者产生的影响，同时回答以下问题：

（1）研究阶段的热致变色玻璃作为建筑立面材料从哪些方面可以超越现有市面上的电致变色玻璃？

（2）评估一种智能窗户在建筑中的应用，哪些衡量标准最有效？

（3）动态有色的采光环境是否会对空间使用者产生影响？

下面将从不同的视角对新型智能窗户的应用进行研究，既是对可适应性建筑立面设计的探索，也是对立面技术的衡量方法和衡量标准的研究。

2 研究方法的探索

本研究运用建筑模拟软件EnergyPlus对一个典型的办公室进行建模，在模型中设置安装两种不同的智能变色窗户，并与传统的透明双层玻璃窗户参考对照。为了充分体现智能窗户的应用效果，选择基于中国上海冬冷夏热的气候条件运行。

2.1 EnergyPlus模型设置

EnergyPlus是一款经过验证的建筑能耗模拟软件，本研究的仿真模型是一间6m（长）×5m（宽）×3m（高）的办公室，位于多层建筑中的标准层，并且假设同层的相邻房间各项条件都相同。窗户（4.5m×2m）所在的南墙是唯一直接暴露于室外环境的表面。根据中国建筑法规和工作进度表[14]，对南墙和常规双层玻璃窗的U值、标准设备负载、照明负载、人员密度进行了相应设置。

运行时间为工作日的上午8点至下午6点，并将室内温度控制在21℃～24℃之间的舒适范围内。在采光控制方面，划分了两个照度区，分别设置两个照度传感器监测各照度区域中的照度值，一个照度传感器靠近窗口（Sensor1），另一个（Sensor2）远离窗口，人工照明被定义为自动调光，即在照度未达到工作场所的目标照度500Lux时自动开灯补充照度。

2.2 智能变色窗材料设置

两种有代表性的智能变色玻璃为：1）TC玻璃VO2_Nano是一种新型的VO2基底的热致变色纳米颗粒膜，主要调节太阳辐射的近红外（NIR）波段部分（780～2 500nm），伴随可见光波段（380～780nm）的微小变化（63%～60%），呈棕色[15]；2）EC玻璃SageGlass是一款商业电致变色玻璃产品[16]，它能够同时改变近红外和可见光的透射率，呈蓝色。

在变色过程中有四种状态（可见光透射率分别为60%、18%、6%和1%），使用者可根据自己所处空间光环境的需求主动调节窗户的透明度。此外，以普通透明双层玻璃（DG）作为对照组（表1），在EnergyPlus中应用能源管理系统（EMS）模块设置TC和EC窗户在建筑中的动态表现。为了便于不同窗户类型之间的比较，将VO2_Nano的变色温度假定为28℃，变色温度区间为6℃，电致变色SageGlass的控制策略也设置为根据外窗表面温度调节，与前者相同。

2 受不同窗户影响的能源消耗（包括照明、制冷和采暖）

3 SageGlass 和VO2_Nano 影响下Sensor1 和Sensor2 的各区间UDI 值

2.3 衡量参数设置

智能窗户性能评估从能耗、采光性能、采光舒适度和色温四个方面进行讨论。其中，能耗包括照明、制冷和采暖三个主要部分；采光性能包括有效日光照度（Useful Daylight Illuminance，UDI），是指水平照度值落入指定照度区间的小时数占总有效工作时间的百分比，定义了以下三个区间[17]：

（1）UDI500-2000Lux表示照度在500～2 000Lux之间的UDI，此照度范围可以满足自然光作为唯一的光源，在工作空间中造成视觉不适概率较小。

（2）UDI＜500Lux表示照度低于500Lux的UDI，需要人工照明以补充不足的日光。

（3）UDI＞2000Lux的照度超过2 000Lux，意味着日光供应过多可能会导致视觉不适。

衡量采光舒适度的指数采用DGI，即日照眩光指数（Daylight Glare Index，DGI），所需参数包括光源亮度、背景亮度和立体角。由于立体角随观察者位置而改变，本研究选取了两个代表性位置进行分析：1）观察者面对侧壁的位置；2）观察者面对窗户的位置。在工作环境中，眩光指数的上限要求为22[18]，DGI低于16的眩光是不可察觉的，而高于28则是人眼不能承受的。因此，DGI的最适范围值为16～22，低于16的DGI表示无眩光问题。

3 研究结果的分析

通过一系列模拟计算，得到了能耗（包括人工照明、制冷和采暖）和采光性能（UDI、DGI）的数据，下面结合之前的研究，简要讨论变色窗户对人的影响。

3.1 能耗分析

图2显示了分别使用SageGlass，VO2_Nano和普通透明双层玻璃（DG）的典型办公室的年度总能耗，包括人工照明、采暖和制冷。通过数据可见，与普通玻璃相比，两种变色窗都引起了人工照明能耗需求量的增加且涨幅相近，约54%，其中SageGlass引起了相对较明显的增长。供暖的耗能方面，SageGlass还引起了供暖需求的大幅度增加，达44.2%；而由VO2_Nano引起的供暖能耗增加仅为4.2%。同时，SageGlass的制冷消耗量减少了43.4%，VO2_Nano减少了11%，这扭转了供暖需求引起的总能耗增加的趋势，SageGlass实现了高达10.8%的总节能量。结果表明，以窗表面温度为基准的控制策略下，SageGlass比VO2_Nano智能窗户更具有提高办公建筑能源效率的潜力。

3.2 有效日光照度

根据EnergyPlus每小时输出的照度数据计算出有效日光照度UDI，作为评估智能窗户采光性能的重要指标。图3显示了智能窗户对UDI分布的影响，从数据可以看出，在SageGlass和VO2_Nano影响下，传感器Sensor1监测到的有效日照UDI500-2000Lux的时间都有所增加，即照度值在500～2000Lux范围内的时长占总工作时间的百分比有所上升，与DG相比，增加量分别为10%和15%；而在传感器Sensor2的位置，两种智能窗都使得UDI500-2000Lux有所降低，特别是SageGlass，造成Sensor2处UDI500-2000Lux降低的最大值达9%。此外，两个传感器Sensor1和Sensor2的UDI＞2000Lux值均低于DG，这意味着SageGlass和VO2_Nano可以降低日光供应过多造成的眩光风险。

3.3 日照眩光指数

由传感器Sensor1收集输出的日光眩光指数（DGI）的数据如图4所示，纵坐标表示四个DGI数值范围，横坐标表示分别落入这四个数值范围的时长（单位：h）。就面向侧壁的位置（图4a）而言，大多数工作时间都满足可接受的眩光指数要求（DGI＜22）。两种智能窗户减少了DGI在16～22的时长，却大大增加了DGI＜16的时长，这意味着使用智能窗户有消除眩光的作用，并且使用VO2_Nano可以减少多达49%的眩光风险，而使用SageGlass可以减少39%的眩光风险。从观察者面对窗口位置的眩光值分布情况（图4b）可以看出，与普通双层玻璃窗相比，SageGlass和VO2_Nano使DGI>22的时长分别降低了11.4%和10%，并且使其落入16～22区间和＜16的DGI小时数都有所增加。综合分析，VO2_Nano对于削弱眩光更加有效。

3.4 色温CCT与人的关系

基于笔者已有的实验研究，两种智能窗户会影响室内的色温环境，其相关色温（Correlated Colour Temperature，CCT）分别为4 000K（VO2_Nano）和7 000K（SageGlass）。根据以往研究成果和笔者关于人体反应的实验研究结果可知，尽管色彩较冷（CCT较高）的亮度条件更有利于视敏度，但较暖色（CCT较低）的窗户更容易被接受[19-20]。因此，具有棕色色调的VO2_Nano有可能在未来建筑中更容易被接受。然而从建筑设计的角度来看，蓝色玻璃在高层办公建筑中更为普遍和被人们接受，所以就权衡室内光舒适度和外立面视觉效果的问题还需要具体项目具体分析。

4 SageGlass 和VO2_Nano 影响下两个视觉方位的DGI 值

4 结论

通过以典型的办公空间为例对TC和EC两种玻璃窗的建筑应用进行分析，包括UDI、DGI和人类对窗户颜色的响应在内的采光性能及节能效果，可以得出如下结论：1）尽管SageGlass会比VO2_Nano产生更多的照明消耗，但其总体节能效率更高；2）在有效采光和眩光风险方面，VO2_Nano表现出比SageGlass更优异的性能，体现了热致变色玻璃的优越性；3）在工作环境中，暖色的智能窗户更容易被接受，而立面设计方面需要根据实际情况具体分析。以上结论对于本研究的特定条件有效，而且在依据窗户温度的控制策略下，不利于SageGlass提供最优采光环境。今后，团队将针对控制策略的优化及相应的变色智能玻璃使用对人的影响进行进一步研究。

图片来源

图1 来源于文献[16]和[11]；其余图片为作者自绘。