Знание отрасли

I. Обзор

1.1 Предпосылки исследования

Световая и тепловая среда зданий периодически подвержена влиянию внешних климатических условий, поэтому крайне важно добиться эффективного регулирования внутреннего освещения и поступления тепла от солнечного излучения. Термохромное стекло, являясь интеллектуальным материалом с переменным светопропусканием и переменными теплоизоляционными свойствами, может динамически регулировать видимое световое и ближнее инфракрасное тепловое излучение, проникающее в здание, и имеет большой потенциал для повышения комфорта внутренней световой среды и снижения энергопотребления в здании. Среди них термохромное стекло на основе гидрогелевых материалов является бесцветным и прозрачным, а температура перехода может свободно устанавливаться от 20 до 50 °C. Оно имеет высокий коэффициент пропускания видимого света, что может лучше соответствовать требованиям архитектурных приложений к температуре перехода и пропусканию видимого света, и имеет широкие перспективы применения.

Однако в существующих исследованиях и стандартах отсутствуют чёткие методы проектирования и выбора оптимальной температуры перехода термохромного стекла в различных климатических условиях; в то же время отсутствует чёткий стандарт оценки принадлежности термохромного стекла к солнцезащитным средствам и оценки его затеняющего потенциала. В архитектурном применении вопросы проектирования и выбора оптимальной температуры перехода термодиммирующего стекла в различных климатических условиях и при различных ориентациях зданий, а также расчёта его эквивалентной площади затенения при оценке стали актуальными для этого материала, требующими решения на всех этапах – от фундаментальных исследований до применения в архитектуре.

1.2 Цель и значение исследования

Целью данного исследования является создание расчетной модели, учитывающей комплексное влияние термозатемняющего стекла на освещенность, тепловой режим и энергопотребление здания, путем сочетания экспериментальных испытаний и численного моделирования, а также ее проверка с помощью данных измерений. На этой основе изучается метод расчета оптимальной температуры перехода и эквивалентной длины затенения термозатемняющего стекла в различных климатических условиях, который может служить справочным материалом для его проектирования и оценки в архитектурном применении. Результаты данного исследования способствуют широкому применению термозатемняющего стекла в архитектуре, улучшению свето- и теплоизоляции зданий, снижению энергопотребления в зданиях и содействию устойчивому развитию строительной отрасли.

2. Тест производительности термозатемняющего стекла

2.1 Тест оптических характеристик

С помощью спектрофотометра в УФ/видимом/ближнем инфракрасном диапазонах были исследованы оптические свойства образцов термозатемняющего стекла с температурой перехода 20°C, 25°C, 30°C и 35°C при различных температурах. Результаты испытаний показывают, что с повышением температуры светопропускание стекла постепенно снижается, а его способность блокировать солнечное излучение постепенно увеличивается. Например, при 20°C светопропускание стекла относительно высокое, что позволяет большому количеству видимого света проникать в помещение; при повышении температуры до 35°C светопропускание значительно снижается, а также значительно снижается светопропускание солнечного излучения, что эффективно блокирует проникновение солнечного тепла в помещение.

2.2 Испытание коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи образца был измерен с помощью измерителя теплопроводности стационарного теплового потока. Результаты испытаний показывают, что коэффициент теплопередачи термозатемняющего стекла относительно высок в прозрачном состоянии; в распыленном состоянии коэффициент теплопередачи значительно снижается, что свидетельствует о значительном улучшении теплоизоляционных свойств стекла в распыленном состоянии, что позволяет эффективно снизить теплопередачу между внутренним и наружным пространством.

3. Лабораторный тест

3.1 Проектирование лаборатории

В Школе архитектуры и гражданского строительства Сямыньского университета была оборудована аналогичная лабораторная комната. Комната сравнения и лабораторная комната имеют одинаковые размеры: длину, ширину и высоту 2,9 м × 2,6 м × 2,8 м, а также наружное окно размером 20,93 м × 1,94 м. Окна комнаты сравнения оснащены двухслойным стеклопакетом и горизонтальными солнцезащитными жалюзи длиной 50 см, а окна экспериментальной комнаты – однослойным термозатемняющим стеклом с температурой перехода 25 °C.

3.2 Содержание и результаты теста

Фактические измерения проводились в течение 10 последовательных дней, и данные измерений включали данные о наружной погоде, температуре воздуха в помещении (естественная температура помещения), освещенности внутреннего освещения и т. д. Результаты эксперимента показывают, что в жаркую погоду термозатемняющее стекло, установленное в экспериментальной комнате, постепенно запотевает при повышении температуры, эффективно блокируя солнечное излучение, а температура воздуха в помещении значительно ниже, чем в комнате без эффективных мер затенения. Кроме того, освещенность внутреннего освещения обеспечивает потребности в освещении, избегая дискомфорта, вызванного прямым ярким светом. Сравнительная комната также имеет определенный эффект затенения под действием солнцезащитного козырька, но экспериментальная комната с термозатемняющим стеклом имеет больше преимуществ в автоматической адаптивности регулирования температуры.

IV. Создание и проверка численной имитационной модели

4.1 Создание модели EnergyPlus

EnergyPlus используется для создания модели расчета эксплуатационных характеристик здания для сопоставимого экспериментального помещения. На основе данных измерений наружной погоды за 10 дней моделируются и рассчитываются температура воздуха в помещении и освещенность в точках экспериментальных измерений. В процессе создания модели подробно задаются тепловые параметры ограждающей конструкции, характеристики наружных окон, источник тепла внутри помещения и другие сопутствующие параметры, чтобы модель точно отражала фактическую ситуацию в экспериментальном помещении.

4.2 Проверка модели

Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными. Сравнение измеренных и моделируемых значений температуры воздуха в помещении сравнительной комнаты и экспериментальной комнаты показывает, что погрешность NMBEs температуры воздуха в помещении сравнительной комнаты составляет 1,99%, а погрешность NMBEs температуры воздуха в помещении экспериментальной комнаты составляет 1,05%. Погрешность NMBEs экспериментальных и моделируемых значений освещенности в 9 точках измерения в экспериментальной комнате с термозатемняющим стеклом составляет от -3,43% до 7,70%, а погрешность NMBEs экспериментальных и моделируемых значений освещенности в 9 точках измерения в комнате сравнения с солнцезащитным прозрачным изоляционным стеклом составляет от -6,01% до 15,38%. Результаты проверки показывают, что EnergyPlus имеет высокую точность расчета температуры и освещенности в помещении сравнительной комнаты и экспериментальной комнаты, что может быть использовано для дальнейших исследований.

5. Исследования по применению термозатемняющего стекла в различных климатических условиях.

5.1 Создание типовой модели офиса

Для моделирования выбран типичный офис, и применен проверенный экспериментально метод расчета. В различных климатических условиях рабочие параметры, такие как тепловые характеристики ограждающей конструкции, плотность мощности освещения, плотность размещения оборудования, плотность персонала, интенсивность занятости персонала и заданная температура кондиционирования воздуха в помещении, выбираются в соответствии с положениями действующих в моей стране стандартов энергосберегающего проектирования зданий.

5.2 Моделирование и анализ физических характеристик здания

Метод моделирования динамических физических характеристик здания в течение всего года, основанный на данных типичного метеорологического года, используется для расчета эффективного естественного освещения (UDI), ожидаемого среднего индекса теплового восприятия внутри помещений (PMV) и энергопотребления единицы площади здания (EUI), а также для анализа влияния термозатемняющего стекла на световую среду здания, тепловую среду и энергопотребление здания в типичных офисных помещениях. Результаты моделирования показывают, что в разных климатических зонах влияние термозатемняющего стекла на световую и тепловую среду здания и энергопотребление различно. В жарких районах термозатемняющее стекло может эффективно снижать температуру в помещении летом, снижать потребление энергии на кондиционирование воздуха и в то же время обеспечивать определенные потребности в освещении и улучшать комфорт в помещении; в холодных районах стекло остается прозрачным при низких температурах зимой, что способствует увеличению теплопоступления от солнечного излучения в помещении и снижению потребления энергии на отопление.

VI. Исследования по проектированию и выбору термозатемняющего стекла

6.1 Сравнение характеристик различных очков

Для сравнения и анализа эффективности зданий с однослойным термозатемняющим стеклом, двухслойным стеклопакетом Low-e (с высоким коэффициентом пропускания на севере и низким коэффициентом пропускания на юге) и однослойным термозатемняющим стеклом Low-e в четырёх направлениях (восток, запад, юг и север) были выбраны типичные метеорологические данные по 203 городам моей страны. Результаты исследования показывают, что энергоэффективность зданий с однослойным термозатемняющим стеклом в большинстве районов (95%) уступает энергоэффективности двухслойного стеклопакета Low-e, в то время как энергоэффективность зданий с однослойным термозатемняющим стеклом Low-e в большинстве районов (82%) хуже, чем энергоэффективность двухслойного стеклопакета Low-e.

6.2 Картирование оптимального выбора конструкции температуры перехода

На основе вышеизложенного исследования была составлена карта оптимальной температуры перехода для низкоэмиссионного однослойного термозатемняющего стекла для зданий с 4 ориентациями. Карта наглядно показывает оптимальную температуру перехода термозатемняющего стекла, применимую к различным регионам и различным ориентациям зданий, предоставляя важную справочную информацию для архитектурных проектировщиков. Например, в жарких южных регионах оптимальная температура перехода низкоэмиссионного однослойного термозатемняющего стекла для зданий, ориентированных с востока на запад, составляет около 35–38 °C; в то время как в холодных северных регионах оптимальная температура перехода для зданий, ориентированных с юга, относительно низкая и составляет 28–32 °C.

VII. Исследование по оценке солнцезащитных свойств термозатемняющего стекла

7.1 Сравнение со стационарными внешними системами затенения

Типичные города в 5 тепловых климатических зонах зданий в моей стране (Харбин, Пекин, Нанкин, Куньмин, Сямынь) были выбраны для сравнения влияния однослойного термозатемняющего стекла и фиксированных внешних устройств затенения (горизонтальное внешнее затенение и вертикальное внешнее затенение) на внутреннюю световую и тепловую среду и потребление энергии в здании. Случаи анализа и расчета охватывают 5 типичных городских климатических условий, 4 ориентации зданий: восток, запад, юг и север, однослойное термозатемняющее стекло с температурой перехода 20-50 ℃, фиксированное горизонтальное внешнее затенение длиной 0-3,6 м и фиксированное вертикальное внешнее затенение длиной 0-3,6 м. Среди них окна фиксированного внешнего затенения используют двухслойное изоляционное стекло, а выбор длины затенения 0-3,6 м учитывает конструкции самозатенения здания, включая балконы, коридоры и выступы здания.

7.2 Метод и результаты определения эквивалентной длины затенения

Предлагается процесс определения эквивалентной длины затенения термодиммирующего стекла: сначала определить минимальное энергопотребление здания термодиммирующего стекла при различных температурах перехода, а температура перехода при самом низком потреблении энергии здания является оптимальной температурой перехода термодиммирующего стекла; затем, когда минимальное энергопотребление здания термодиммирующего стекла наиболее близко, длина фиксированного внешнего затенения является эквивалентной длиной затенения термодиммирующего стекла. Если в качестве примера сравнить термодиммирующее стекло и горизонтальное внешнее затенение в Сямыне, то в климатических условиях Сямыня оптимальная температура перехода однослойного термодиммирующего стекла составляет 36-37 ℃. В четырех направлениях на восток, запад, юг и север эквивалентные горизонтальные длины внешнего затенения термодиммирующего стекла с оптимальной температурой перехода составляют 0,5 м, 0,9 м, 0,4 м и 1,6 м соответственно. Результаты исследований показывают, что термозатемняющее стекло может обеспечить экономию энергии в здании и улучшение свето- и теплоснабжения, аналогичные эффектам стационарных наружных солнцезащитных систем.

VIII. Заключение и перспективы

8.1 Заключение исследования

С помощью экспериментальных испытаний и численного моделирования в этом исследовании была создана расчетная модель для всестороннего воздействия термозатемняющего стекла на освещенность здания, тепловую среду и энергопотребление здания, а также проверена точность модели с помощью измеренных данных. В исследовании был получен метод расчета оптимальной температуры перехода и эквивалентной длины затенения термозатемняющего стекла в различных климатических условиях, а также составлена карта выбора конструкции для оптимальной температуры перехода. Результаты показывают, что термозатемняющее стекло обладает хорошим потенциалом регулирования света и тепла в зданиях, может эффективно улучшить комфорт внутренней освещенности и тепловой среды, снизить энергопотребление здания, и в большинстве областей энергоэффективность здания низкоэмиссионного однослойного термозатемняющего стекла лучше, чем у традиционного стекла. В то же время термозатемняющее стекло может обеспечить энергосбережение в здании и улучшение световой и тепловой среды, аналогичные эффектам стационарных внешних солнцезащитных устройств.

8.2 Перспективы исследований

Дальнейшие исследования позволят расширить область применения термозатемняющего стекла в различных типах зданий, таких как жилые дома, больницы, школы и т.д., и углубленно проанализировать его эксплуатационные характеристики в соответствии с различными функциональными требованиями. Одновременно с этим будут оптимизированы свойства материала и процесс производства термозатемняющего стекла, повышена его стабильность, долговечность и точность затемнения, а также снижены производственные затраты для более широкого применения. Кроме того, в сочетании с искусственным интеллектом, большими данными и другими технологиями, интеллектуальная связь термозатемняющего стекла с другими строительными системами может быть реализована для дальнейшего повышения уровня интеллектуальности и энергосбережения зданий.