光致变色玻璃在建筑中的节能性能评估

齐 帅，曾红杰，于 浩，李一哲，周文彩，魏晓俊

(1.中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063；2.玻璃新材料创新中心(安徽)有限公司，蚌埠 233000)

0 引 言

在能源消费的各行业中，建筑业能耗占总能耗的比例高达20%～40%[1]，建筑领域的节能减碳已经成为我国实现“碳达峰、碳中和”战略的必要环节。根据最新政策要求，新建建筑中达到“绿色建筑”标准的比例需要超过30%[2]。窗户作为建筑围护结构中与外界能量交换的主要构件[3]，在采光及与热交换中的起着重要作用；玻璃作为窗户中面积最大的材料，是决定窗户性能的关键。因此，使用具有节能功能的智能玻璃是实现建筑减能降耗和绿色升级的有效手段。

光致变色玻璃指，在紫外光或者短可见光的照射下，可产生可见光区域的光吸收，使玻璃透光率降低或者产生颜色变化，并且在光照停止后又能自动恢复到原来透明状态的光功能玻璃，简称为光色玻璃[4]。含卤化银的光色玻璃受到照射后会形成银胶体而使玻璃显色；光照停止后，银胶体变回银离子而退色。将光色玻璃用于建筑玻璃，可以通过调控光线的进入，有效阻隔过量的太阳光进入室内，实现减少眩光和降低热能辐射摄入的效果。此外，该类玻璃具有变色复明速度快，经变暗、退色多次重复后性能仍无疲劳衰减等优点，具有广阔的实际应用前景[5-6]。

此前对于光色玻璃的研究主要聚焦于制备方法的改进以获得变色性能的提升[7-11]。研究人员常以追求更快的变色速率和更低的变暗透光率为目标开展工作，对不同变色能力的光色玻璃在建筑中实际的应用效果缺少研究，对于变暗透光率的理想数值缺乏明确的标准。这无疑会导致光色玻璃的研究变得方向盲目，极大地限制了其在实际建筑中的推广应用，阻碍了光色玻璃进入规模化生产的进程。

因此，本文以制备的卤化银光致变色玻璃为研究对象，提出了一种简化计算光色玻璃动态变色过程中能耗表现的方法，并利用DeST能耗软件[12]计算了两种变色特性的光色玻璃在不同建筑中的节能效果，系统地比较和分析了它们的空调能耗和照明能耗。本文的计算方法和结果可为光色玻璃节能性能的研究提供参考，对光致变色玻璃的应用推广具有一定的促进作用。

1 实 验

1.1 不同光色性能样品的制备

本文所用玻璃化合物设计组成如表1所示。

表1 光致变色玻璃样品的化合物组成

以表1中化合物种类和含量作为卤化银光色玻璃的设计组成，以二氧化硅、氢氧化铝、硼酸、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、硝酸钠、氯化钾、溴化钾、碘化钾、硝酸银、氧化铜等为原料(均为分析纯)，采用熔融法制备基础玻璃。称量一定量的原料，将其置于高效混合机中混合均匀，然后置于锆石英坩埚中以一定的升温速率升高至1 450 ℃进行熔制，保温4 h后取出坩埚，将玻璃液浇注在模具中成型后，置于退火炉中退火以消除应力，退火炉预先加热到550 ℃，样品放入后将退火炉断电，自然冷却至室温。

光致变色玻璃需将经退火后的基础玻璃经过不同条件的二次热处理工艺，其中低透样品处理条件为：将退火后样品先于620 ℃下保温30 min，后转移至450 ℃下再保温30 min。高透样品条件为：先于580 ℃下保温30 min，后转移450 ℃下再保温30 min。

1.2 光色测试与能耗模拟

1.2.1 光色性能测试

使用光色性能检测装置测试玻璃样品的变色性能曲线，测试设备包括氙灯光源，透光率测试设备及记录存储系统。测得的透过率为可见光光谱(380～780 nm)内，CIE标准视见函数为接收条件的透过光通量与入射光通量之比，计算方法依据国标《建筑玻璃：可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》(GB/T 2680—2021)[13]。在暗室内，以105lx光强进行变暗过程测试，辐照5 min后关灯避光进行复明过程测试，辐照方式为垂直照射。

1.2.2 能耗模拟模型

建筑能耗计算采用专业能耗分析软件DeST，选取夏热冬暖地区的典型城市上海为模拟地点，气象参数采用上海市的典型气象年[14], 主要参数有：干球温度平均值为24.0 ℃，露点温度平均值为20.7 ℃，太阳辐射照度为167.3 W/m2，相对湿度为73.0%，风速为3.1 m/s。建立办公楼、图书馆、会展中心三种建筑模型，图1和图2为模型的平面布置图及建筑三维示意图，建筑基础信息见表2。室内热扰及空调启停作息依次设置为：办公室人员/设备/灯光作息、阅览室人员/设备/灯光作息、多功能厅人员/设备/灯光作息，不同月份设定的适宜室温范围略有不同。三种建筑的窗墙比依次为0.25、0.60和0.95，其余围护结构的材料及参数为软件默认值，具体参数见表3。

图1 三种建筑模型的平面图

图2 三种建筑模型的三维图

表2 建筑模型概况

表3 围护结构热工参数

2 结果与讨论

2.1 太阳辐射特性及样品的光色性能

图3(a)是太阳直接辐射在全年8 760 h下的强度分布图，由于日照的变化受云量、水汽以及大气浑浊度等多种因素的影响，全年太阳辐射强度变化的波动较大[15]。图3(b)为太阳光在空气标准AM1.5下的典型光谱分布图。太阳辐射中约7%属于紫外光波段(200～380 nm)，46%属于可见光波段(380～780 nm)，45%属于近红外波段(780～2 500 nm)，2%属于远红外波段(>2 500 nm)[16]，其中紫外光加可见光约占全部太阳辐射的一半以上。光致变色玻璃在紫外和短可见光下会激发变色[17-18]，变色后的光色玻璃可以有效吸收紫外和可见光波段能量[19-20]，阻隔过量的辐射进入建筑室内，因此可减少空调的使用进而实现节能减排的效果。图4(a)统计了全年8 760 h中，各时刻辐射强度为0和大于105lx(按辐射强度乘683估算)的小时数。在7时到19时范围内，强度大于105lx和强度为0的总小时数比约为1∶1.5，在其余时刻辐射强度均为0。图4(b)是低透和高透光色玻璃的变色性能曲线。由图可见，两种样品在1 min内透光率下降速度最快，随后变化趋势变缓，逐渐到达最低透光率。低、高透样品，第5 min时的透光率分别为24.8%和61.6%，将该时刻透光率命名为饱和变暗透光率。在复明段，第1 min的复明效率最高，随着时间增加复明速率逐步降低，在复明10 min时(总第15 min)低、高两种样品透光率分别为48.5%和78.7%，此后复明速率基本呈稳定态势，将该时刻的透光率命名为饱和复明透光率。

图3 太阳辐射强度分布和光谱分布

图4 达到辐射值的小时数统计图和光致变色玻璃的变色曲线图

2.2 光色玻璃模拟中的简化分析

通过对太阳辐射和光色玻璃特性进行分析，7时到19时范围内，全年辐射大于105lx与辐射为0的总小时数比约为1∶1.5；光色玻璃达到饱和变暗透光率和由饱和变暗透光率到饱和复明透光率的时间比为1∶2。考虑还存在少量0～105lx的辐射，可以推测在该段时间内，光色玻璃透光率的平均上限要小于饱和复明透光率，光色玻璃的透光率基本在饱和变暗和复明透过率之间变化。因此，为了将动态的玻璃变色过程进行静态简化，本文模拟采取如下计算方法：(1)每天7时到19时范围内，将光色玻璃的透光率上下限设定为饱和复明透光率和饱和变暗透光率，其余时刻的透光率设定为未变色的原始透光率(常用普通玻璃的透光率)。(2)根据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)[21]中，可设定太阳能得热系数(solar heat gain coefficient, SHGC)作为计算透光围护结构的性能参数。依据新修订的《民用建筑热工设计规范》(GB 50176—2016)[22]中公式计算透光率恒为25%、50%、60%、80%的普通玻璃(记为T25、T50、T60、T80玻璃)的SHGC。(3)光色玻璃主要成分的氧化物与普通玻璃相似，因此将光色玻璃的传热系数K假设为与普通玻璃一致。(4)基于设定(1)～(3)，可将T50、T25、T80、T60玻璃在建筑中能耗值作为低透和高透光色玻璃能耗的上下限值。本模拟中各玻璃具体的热工参数值见表4。

表4 玻璃热工参数

2.3 能耗计算结果

图5为模拟得到的办公楼、图书馆、会展中心采用不同玻璃作为透明围护结构时的总能耗图。根据2.2节描述的简化方法，T25/T50和T60/T80分别代表了低透和高透光色玻璃的能耗表现。由图5可得，办公楼、图书馆、会展中心由于依次增大的建筑面积，总能耗显著增加。其中，采用低透光色玻璃、高透光色玻璃、普通玻璃的办公楼的总能耗分别为459 MW·h、462～466 MW·h、467 MW·h,图书馆的总能耗分别为644～667 MW·h、680～706 MW·h、711 MW·h,会展中心的总能耗分别为4 295～4 693 MW·h、4 884～5 239 MW·h、5 306 MW·h。由于办公楼建筑面积和窗墙比小，外界光热作用对建筑内环境影响小，光色玻璃和普通玻璃的能耗表现相近；图书馆和会展中心由于具有较大的窗墙比，玻璃性能对能耗的贡献更为显著，因此使用光色玻璃后能耗值有明显的降低。此外，低透光色玻璃由于更低的SHGC值，其节能效果最优。

图5 建筑采用不同玻璃时的总能耗图

为了分析玻璃对不同类型建筑能耗的影响，图6计算了办公楼、图书馆、会展中心的照明、制冷、制热能耗占总能耗比例。从图中可见，三种建筑中制冷能耗均占比最多，其次是制热能耗，这说明三种建筑的最大耗能来源均是空调，特别是夏季空调的使用对建筑全年能耗影响最大。采用普通玻璃的三种建筑的制冷能耗占比分别为69%、71%和85%，可见，建筑面积和窗墙比最大的会展中心，其空调制冷能耗占比在三种建筑中最大。光色玻璃正是通过减少制冷能耗实现建筑节能，因此可以预计光色玻璃在会展中心中将具有更好的节能效果。

图6 建筑总能耗中照明、制热和制冷能耗占比图

除了空调冷热负荷，采光照明电耗也是建筑能耗的重要部分。随着低透光色、高透光色、普通玻璃可见光透光率的依次增加，三种建筑中的照明能耗均逐步降低。值得注意的是，采用不同玻璃的办公楼、会展中心的照明能耗占比分别在13%～15%和8%～11%之间，而图书馆的照明能耗占比在6%～7%之间，低于办公楼和会展中心。这可能由于图书馆比办公楼增加0.35的窗墙比使得更多的房间满足自然采光要求，照明能耗得以显著降低；而继续增加窗墙比至0.95时，光色玻璃与普通玻璃的透光率均能满足房间自然采光要求，照明能耗减少有限，但总能耗却成比例增加。因而玻璃透光率的提高后，减少后的照明能耗相对于明显增加的总能耗的比值反而降低。

为了更清晰体现光色玻璃的节能效果，计算了采用不同光色玻璃时三种建筑的能耗率(低、高透光色玻璃总能耗与普通玻璃总能耗的比值)。从图7中可以直观地发现，在办公楼、图书馆、会展中心中，低透光色玻璃的建筑年总能耗依次为常见普通玻璃总能耗的98.2%～98.3%、90.6%～93.9%、80.9%～88.4%，高透光色玻璃依次为98.9～99.8%、95.7%～99.3%、92.0%～98.7%。两种光色玻璃在以图书馆和会展中心为代表的，建筑面积较大且窗墙比0.6以上的建筑中，全年节能率最高超过10%，显示出优良的节能效果；在建筑面积和窗墙比均较小的办公楼中低、高透光色玻璃的节能效果近似。除了节能效果外，光色玻璃具有独特的阻隔紫外线和防眩光功能，因此在办公楼等其他建筑中也有广泛的应用价值。此外，图7中数据表明，通过本文的简化计算方法得到的能耗率范围在0%～8%，而常见的建筑形式(建筑面积小于5 000 m2，窗墙比小于0.6)，能耗率范围在0%～3%，波动范围较小，说明该方法可用于评估光致变色玻璃在实际建筑项目中的节能效果。

图7 采用低高透光色玻璃的办公楼、图书馆、会展中心的能耗率图

3 结 论

(1)通过熔融加二次热处理法制备了低、高两种透光率的光色玻璃，并以二者性能为基础，建立了光色玻璃节能性能的简化模拟方法。

(2)能耗计算得出，在建筑面积较大且窗墙比0.6以上的公共建筑中，低透光色玻璃全年节能率最高超过10%，具有优良的节能效果；在以办公楼为代表的建筑面积和窗墙比较小的建筑中，光色玻璃主要作用在于阻隔紫外线和防眩光，高透光色玻璃即可满足使用需求。

(3)综合结果分析，光色玻璃在不同建筑中具有不同应用效果，应针对建筑形式具体分析，按需研制不同性能的光色玻璃以满足不同的建筑要求。