電致變色玻璃窗的節能潛力研究分析

趙永青，黃永紅

（長沙理工大學能源與動力工程學院）

（Changsha University of Science and Technology）

電致變色玻璃窗的節能潛力研究分析

趙永青，黃永紅

（長沙理工大學能源與動力工程學院）

（Changsha University of Science and Technology）

分析了電致變色玻璃對建筑能耗的影響，對LOW-E玻璃和電質變色玻璃節能特性做了對比；同時分析了不同控制方式對電致變色玻璃節能的影響。結果表明，電致變色玻璃與LOW-E具有較好的節能效果，最低節能率為10 %，不同控制方式對建筑制冷能耗的影響不大。但是對于制熱能耗，控制方式選擇不當會導致能耗增加，如果電致變色玻璃用于這些地區，控制方式選擇需慎重。

電致變色玻璃；節能；建筑能耗

1　引言

電致變色玻璃早在20世紀60年代，Plant在研究有機染料時發現了電致變色現象。1969年，S.K.Deb首次使用無定形WO3薄膜制備了電致變色器件［1］“氧空位色心”機理。電致變色玻璃真正應用到建筑上是始于20世紀80年代末，新型有機電致變色材料合成和電致變色器件的制備成為一個日益活躍的研究領域。此期間，美國科學家C.M.Lampert和瑞典科學家C.G.Granqvist等人提出了以電致變色膜為基礎的一種新型節能窗，即智能調光窗（Smart Window）。

電致變色玻璃可以通過感應輸入信號（室外溫度、室內溫度，室外太陽輻射等）調節玻璃的顏色，從而改變玻璃透射比、遮陽系數，達到動態遮陽、調光的效果。由于這個特性一些學者對電致變色玻璃窗的節能特性進行了研究。Sullivan［2］等研究了美國全年以冷負荷為主的建筑，發現當照明負荷占建筑能耗比例較大時，以自然光照度作為控制變量可以更好地降低建筑能耗；而當照明能耗可以忽略時，以房間冷負荷作為轉換點能夠更好地減少房間的太陽輻射得熱。Eleanor·S·Lee［3］等使用監測的方法研究了電致變色玻璃窗的節能特性，結果表明電致變色玻璃窗與使用LOW-E窗加外百葉的項目相比，冷負荷降低3%左右，照明能耗降低10%～25%；并且如果電致變色玻璃窗與內遮陽或外遮陽配合使用可以減小陽光直射，進一步改善室內的熱環境和光環境。E.S.Lee［4］等研究了電致變色玻璃窗對建筑能耗和室內光環境的影響，結果表明電致變色玻璃與普通LOW-E玻璃相比節能率5%～10%，并且能有效降低室內自然采光眩光指數（DGI）值。

本文對LOW-E玻璃和電致變色玻璃節能特性做了對比研究，并研究了不同控制方式下的電致變色玻璃窗的能耗。

2　模擬分析

2.1建筑模型

模型為上海的一棟41層的辦公樓，為核心筒結構，窗墻面積比為60%。典型層平面圖如圖 1所示，建筑熱工性能參數和室內材料光學性能參數見表1、表2、表3。

圖1　典型層平面圖

表1　不透明圍護結構性能參數

表2　室內材料光學性能參數

2.2玻璃性能參數

電致變色玻璃窗的組成結構為6mm 電致變色玻璃+13mm空氣+6mm白玻璃；LOW-E玻璃窗的組成結構為6mm 電致變色玻璃+13mm空氣+6mmLow-E 玻璃。

表3　玻璃性能參數

2.3電致變色玻璃控制方式

可以采取兩種系統調節電致變色玻璃窗的狀態：開/關系統和線性控制系統。圖2為開/關系統的示意圖，當某一控制參數小于轉換點I時，電致變色玻璃處于漂白態（ bleach），即玻璃是完全透明的；當該控制參數大于轉換點I時，玻璃處于著色態（coloured），即玻璃完全著色。圖3為線性控制系統的示意圖，當控制參數小于轉換點I及大于轉換點DI時，玻璃分別處于漂白態和著色態；而當控制參數處于兩者之間時，玻璃的光學性能隨控制參數的變化而線性變化?？刂茀悼梢允翘栞椛鋸姸?、溫度、照度、房間負荷等，也可以是這些參數的組合。此外，I和DI也可視為時間點，表示在不同時間段內，玻璃處于不同的狀態。

圖2　開/關控制

圖3　線性控制

本次在線性控制方式下，取太陽輻射、室外干球溫度、室內自然光照度、室內負荷作為控制變量進行分析。分析的控制方式如下：

1）窗戶上的太陽輻射大于350W/m2時電致變色玻璃處于著色狀態，小于50W/m2處于漂白狀態；

2）室外干球溫度大于27℃時處于著色狀態，小于15℃時處于漂白狀態；

3）室內自然采光照度大于600lx處于著色狀態，小于300lx處于漂白狀態；

4）冷負荷超過40W/m2處于著色狀態，熱負荷大于30W/m2處于漂白狀態。

3模擬軟件及計算條件

本次采用eQUEST3.64進行分析，氣象數據采用上海市典型氣象年數據，數據格式為CSWD?？照{設定溫度為26℃，采暖設定溫度為20℃。計算時間為7∶00～19∶00。

4　計算結果及分析

不同控制方式能耗對比見表4、圖4。

從圖5、圖6可以看出，相對于使用LOW-E玻璃的建筑，電致變色玻璃可以較大幅度降低建筑能耗，其能耗降低比例為 10.2%～13.3%，不同控制方式能耗差異不大。

從圖5可以看出，電致變色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗。電致變色玻璃與LOW-E玻璃對比，制冷能耗降低比例為 16.7 %～25.1 %。這是由于電致變色玻璃可以動態調節玻璃自身遮陽系數，通過設置合理的控制變量值，可以使得玻璃在建筑冷負荷大的時候通過變色減小玻璃遮陽系數，從而達到降低冷負荷的效果，進一步降低制冷能耗。

從圖6可以看出，電致變色玻璃與LOW-E玻璃相比，采暖能耗在控制方式1、方式3、方式4情況下能耗增加，只有在控制方式2的情況下才減少。

表4　不同控制方式EC窗與LOWE玻璃窗能耗對比

圖4　不同控制方式建筑能耗對比

圖5　不同方式制冷能耗對比

圖6　不同控制方式采暖能耗對比

5　結束語

本文以上海某建筑為研究對象，對比分析使用LOW-E玻璃以及不同控制方式的電致玻璃時的建筑能耗，得到電致變色玻璃對建筑能耗的影響效果。

1）電致變色玻璃與LOW-E玻璃相比，具有很好的節能效果，最低節能率也達到了10 %；并且不同控制方式對于冷負荷的影響并不大。

2）電致變色玻璃可以大大降低建筑制冷能耗，但是對于制熱能耗，很可能會出現能耗增加的情況。所以，對于寒冷和嚴寒地區，由于采暖能耗比較大，如果選擇電致變色玻璃，一定要慎重選擇控制方式。

［1］ 朱泉峣，靳艾平，陳文，等. 智能窗中電致變色材料的研究進展［J］ . 國外建材科技，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