有關(guān)動態(tài)調(diào)光玻璃原理、節(jié)能效率與應(yīng)用的研究

王 漻

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 動態(tài)調(diào)光玻璃的類型及原理

根據(jù)控制手段及原理的異同，調(diào)光玻璃可借由電控、溫控、光控、壓控等各種方式實現(xiàn)玻璃之透明與不透明狀態(tài)的動態(tài)切換。本文針對其中最具行業(yè)影響力的兩家生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)（SageGlass，Pleotint）所形成量產(chǎn)的兩種類型：電致調(diào)光玻璃（電控）及熱致調(diào)光玻璃（溫控）進(jìn)行研究分析。

1.1 電致調(diào)光玻璃

以SageGlass所生產(chǎn)的電致調(diào)光玻璃為例，電致變色玻璃夾層由5層陶瓷材料組成。外圍兩層是透明的導(dǎo)體層（TC），中間依次為電致變色層（EC）、離子導(dǎo)體（IC）和反電極（CE）。當(dāng)對CE側(cè)的TC夾層施加正壓時，鋰離子經(jīng)過IC層，進(jìn)入EC層。同時，補(bǔ)償電子由CE層脫離，經(jīng)由外部電路轉(zhuǎn)移到EC層，夾層顏色變深。當(dāng)電源極性改變時，離子和電子返回至它們原本的涂層，玻璃返回至透明狀態(tài)。這種固態(tài)的反應(yīng)由一個較低電壓的（小于5 V DC）電源控制。深色狀態(tài)使得玻璃能夠吸收、放射出不必要的太陽得熱及眩光。透明狀態(tài)的玻璃能夠使建筑最大限度地利用日光和太陽能。

電致調(diào)光玻璃可通過樓宇自動控制系統(tǒng)、墻上開關(guān)或移動APP進(jìn)行控制。

1.2 熱致調(diào)光玻璃

以Pleotint公司生產(chǎn)的Suntuitive調(diào)光玻璃為例，當(dāng)太陽光直射在玻璃表面時，PVB夾層溫度升高、顏色變深，使玻璃產(chǎn)生染色效果。當(dāng)太陽光減低時，玻璃和夾層溫度降低，返回至透明狀態(tài)。PVB夾層位于兩層玻璃中間，形成夾層玻璃，此夾層玻璃再組合形成動態(tài)IGU （Integrated Glass Unit，整合玻璃單元）。熱致調(diào)光玻璃可根據(jù)變化的日照情況改變?nèi)旧Ч瑢崟r、自動地改變進(jìn)入建筑物的可見光數(shù)量，減少太陽得熱，隔斷99%的有害紫外線光照，同時夾層玻璃也可提供較好的隔聲和安全效果。

2 動態(tài)調(diào)光玻璃的節(jié)能效率

由于動態(tài)調(diào)光玻璃的熱工性能、光學(xué)性能是根據(jù)外界條件（或控制系統(tǒng)）自動改變的，傳統(tǒng)的計算方式難以精確計算出動態(tài)調(diào)光玻璃的能耗節(jié)約效率。因此，采用專門的能耗模擬軟件EnergyPlus進(jìn)行模擬，針對電致調(diào)光玻璃及熱致調(diào)光玻璃分別設(shè)置模型，研究分析動態(tài)調(diào)光玻璃的能耗節(jié)約效率。

研究以北京作為地理位置，以首層面積為52 m×52 m，高度為120 m的建筑作為幾何構(gòu)型，將建筑窗墻比設(shè)置為40%。由于動態(tài)調(diào)光玻璃在全透光狀態(tài)下具有一定的熱工參數(shù)，為了比較玻璃變色對建筑能耗的作用，將全透光狀態(tài)下的玻璃作為基礎(chǔ)模型，即基礎(chǔ)模型具有全透光狀態(tài)下動態(tài)調(diào)光玻璃相同的熱工性能。針對電致調(diào)光玻璃及熱致調(diào)光玻璃全透光狀態(tài)下熱工參數(shù)的不同，分別設(shè)置基礎(chǔ)模型。由于動態(tài)調(diào)光玻璃的可見光透射比可以根據(jù)外界條件的改變實時調(diào)節(jié)，在與智能照明控制系統(tǒng)共同使用時，可以大幅度降低建筑照明能耗。為分析動態(tài)調(diào)光玻璃與智能照明控制系統(tǒng)共同使用時的能耗節(jié)約效率，設(shè)置基礎(chǔ)模型+照明控制系統(tǒng)與調(diào)光玻璃+照明控制系統(tǒng)兩個對比模型。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

通過對8種模型的能耗模擬，得到各個模型的建筑能耗數(shù)據(jù)。具體結(jié)果見表2。

以下針對模擬結(jié)果所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

對比模型1和2可知，照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為15.23%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為0.79%；對比模型1和3可知，電致調(diào)光外窗模型在制冷能耗的節(jié)約效率為57.03%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為10.34%；對比模型1和4可知，電致調(diào)光外窗結(jié)合照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為45.04%，在制冷能耗的節(jié)約效率為60.74%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為11.49%。

對比模型5和6可知，照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為44.95%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為2.36%；對比模型5和7可知，熱致調(diào)光外窗模型在制冷能耗的節(jié)約效率為5.37%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為3.10%；對比模型5和8可知，熱致調(diào)光外窗結(jié)合照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為44.96%，在制冷能耗的節(jié)約效率為7.48%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為5.51%。

模擬結(jié)果表示，電致調(diào)光玻璃的建筑總能耗節(jié)約效率為11.49%，這是由于模型設(shè)置時針對電致調(diào)光玻璃的顯色調(diào)節(jié)分為兩檔：當(dāng)外窗太陽輻射強(qiáng)度超過100 W/m2時，電致調(diào)光玻璃直接變化至最高檔（顯色最深）；當(dāng)外窗太陽輻射強(qiáng)度小于100 W/m2時，電致調(diào)光玻璃為透明狀態(tài)。實際情況下，案例選用的電致調(diào)光玻璃顯色調(diào)節(jié)分為4檔（含透明狀態(tài)），因此實際能耗節(jié)約效率應(yīng)低于11.49%。此外，調(diào)光玻璃屬于遮陽調(diào)節(jié)措施，基于經(jīng)驗此類建筑能耗減低措施對于夏熱冬暖地區(qū)（海口、廣州）應(yīng)具有更明顯的能耗削減作用。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

表2 模擬結(jié)果數(shù)據(jù)

3 動態(tài)調(diào)光玻璃的應(yīng)用

全球范圍內(nèi)，動態(tài)調(diào)光玻璃被應(yīng)用在商業(yè)建筑、教育機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)，用于降低建筑能耗，減低運行費用，增強(qiáng)建筑使用者的舒適、健康、生產(chǎn)效率和室內(nèi)體驗。案例包括明尼阿波利斯圣保羅國際機(jī)場（美國）、阿密大學(xué)Frost音樂學(xué)院（美國）、Vaudois大學(xué)中心醫(yī)院（瑞士）、Warwick Geneva酒店（瑞士）、Glatt創(chuàng)意中心（德國）、騰訊新總部大廈（中國）等。以Glatt創(chuàng)意中心（德國）為例，使用電致變色玻璃大幅度降低了建筑制冷與照明負(fù)荷，降低了空調(diào)系統(tǒng)占地面積。由于調(diào)光玻璃沒有機(jī)械耗損部件，大大降低了設(shè)備后期的維護(hù)費用。建筑使用者可以根據(jù)日照強(qiáng)度、熱度及眩光情況自動調(diào)節(jié)玻璃顯色，同時保持外部視野。此外，建筑使用者能夠針對個人工作空間處的玻璃顯色程度進(jìn)行獨立控制，這顯著增強(qiáng)了建筑使用者的舒適性。位于中國北京的騰訊新總部大廈于天窗采用動態(tài)調(diào)光玻璃，在節(jié)能、采光的基礎(chǔ)上，利用不同分區(qū)的顯色拼接出公司logo，于產(chǎn)品基本功能之上進(jìn)行了企業(yè)文化宣傳與創(chuàng)新。

4 結(jié)語

根據(jù)能耗模擬計算數(shù)據(jù)分析結(jié)果，動態(tài)調(diào)光玻璃結(jié)合智能照明控制系統(tǒng)對建筑的能耗削減作用最大。研究所選取的電致調(diào)光外窗結(jié)合照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為45.04%，在制冷能耗的節(jié)約效率為60.74%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為11.49%。熱致調(diào)光外窗結(jié)合照明控制系統(tǒng)模型在照明能耗的節(jié)約效率為44.96%，在制冷能耗的節(jié)約效率為7.48%，在建筑總能耗的節(jié)約效率為5.51%。結(jié)合對動態(tài)調(diào)光玻璃原理的分析以及應(yīng)用案例分析，動態(tài)調(diào)光玻璃在減低建筑能耗，控制室內(nèi)眩光，維持外部視野，增強(qiáng)建筑使用者的舒適性和室內(nèi)體驗上具有顯著的優(yōu)勢。