Conocimientos del sector

I. Descripción general

1.1 Antecedentes de la investigación

El ambiente lumínico y térmico de los edificios se ve afectado periódicamente por las condiciones climáticas exteriores, por lo que resulta crucial lograr una regulación eficiente de la iluminación interior y la ganancia de calor por radiación solar. Como material inteligente con transmitancia lumínica y propiedades de aislamiento térmico variables, el vidrio termocrómico puede regular dinámicamente la luz visible y la radiación térmica infrarroja cercana que ingresa al edificio, y tiene un gran potencial para mejorar el confort del ambiente lumínico interior y reducir el consumo energético del edificio. Entre ellos, el vidrio termocrómico basado en materiales de hidrogel es incoloro y transparente, y su temperatura de transición se puede ajustar libremente entre 20 y 50 °C. Posee una alta transmitancia de luz visible, lo que permite satisfacer mejor los requisitos de las aplicaciones arquitectónicas en cuanto a temperatura de transición y transmitancia de luz visible, y ofrece amplias perspectivas de aplicación.

Sin embargo, en las investigaciones y normativas existentes, se observa una falta de métodos claros para el diseño y la selección de la temperatura de transición óptima del vidrio termocrómico bajo diferentes condiciones climáticas. Asimismo, no existe un estándar de evaluación claro para determinar si el vidrio termocrómico se considera un elemento de protección solar ni para evaluar su potencial de sombreado. En aplicaciones arquitectónicas, el diseño y la selección de la temperatura de transición óptima del vidrio termooscilante bajo diferentes climas y orientaciones de edificios, así como el cálculo de su área de sombreado equivalente durante la evaluación, se han convertido en cuestiones urgentes que deben resolverse para este material, desde la investigación básica hasta su aplicación arquitectónica.

1.2 Propósito y significado de la investigación

Este estudio tiene como objetivo establecer un modelo de cálculo para el impacto integral del vidrio termodifusible en la iluminación, el ambiente térmico y el consumo energético de los edificios, mediante una combinación de ensayos experimentales y simulación numérica, y verificarlo con datos medidos. Sobre esta base, se estudia el método de cálculo de la temperatura de transición óptima y la longitud de sombreado equivalente del vidrio termodifusible bajo diferentes condiciones climáticas, para proporcionar una referencia para su diseño y evaluación en aplicaciones arquitectónicas. Los resultados de este estudio contribuyen a promover la aplicación generalizada del vidrio termodifusible en el campo de la arquitectura, mejorar el rendimiento lumínico y térmico de los edificios, reducir el consumo energético y fomentar el desarrollo sostenible de la industria de la construcción.

2. Prueba de rendimiento del vidrio termodifusible

2.1 Prueba de rendimiento óptico

Utilizando un espectrofotómetro UV/visible/infrarrojo cercano, se analizaron las propiedades ópticas de muestras de vidrio termodifusible con temperaturas de transición de 20 °C, 25 °C, 30 °C y 35 °C a diferentes temperaturas. Los resultados muestran que, a medida que aumenta la temperatura, la transmitancia de luz visible del vidrio disminuye gradualmente y su capacidad para bloquear la radiación solar aumenta progresivamente. Por ejemplo, a 20 °C, la transmitancia de luz visible del vidrio es relativamente alta, lo que permite que una gran cantidad de luz visible entre en la habitación; cuando la temperatura sube a 35 °C, la transmitancia de luz visible disminuye significativamente, al igual que la transmitancia de radiación solar, bloqueando eficazmente la entrada de calor solar a la habitación.

2.2 Prueba del coeficiente de transferencia de calor

Se midió el coeficiente de transferencia de calor de la muestra utilizando un medidor de conductividad térmica de flujo de calor en estado estacionario. Los datos de la prueba muestran que el coeficiente de transferencia de calor del vidrio termoosmótico es relativamente alto en estado transparente; en estado atomizado, el coeficiente de transferencia de calor se reduce significativamente, lo que indica que el rendimiento de aislamiento térmico del vidrio en estado atomizado mejora considerablemente, lo que puede reducir eficazmente la transferencia de calor entre el interior y el exterior.

3. Prueba de laboratorio

3.1 Diseño del laboratorio

Se habilitó un laboratorio similar en la Facultad de Arquitectura e Ingeniería Civil de la Universidad de Xiamen. La sala de comparación y el laboratorio tienen las mismas dimensiones: 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m de largo, ancho y alto, y una ventana exterior de 0,93 m × 1,94 m. Las ventanas de la sala de comparación cuentan con vidrio aislante de doble capa y parasoles horizontales de 50 cm de ancho, mientras que las ventanas del laboratorio cuentan con vidrio termodifusible de una sola capa con una temperatura de transición de 25 ℃.

3.2 Contenido y resultados de la prueba

La medición se realizó durante 10 días consecutivos e incluyó datos meteorológicos exteriores, temperatura ambiente (temperatura natural de la habitación), iluminancia, etc. Los resultados experimentales muestran que, en climas cálidos, el vidrio termodifusible instalado en la sala experimental se empaña gradualmente al aumentar la temperatura, bloqueando eficazmente la radiación solar. La temperatura ambiente es significativamente menor que la de la sala sin medidas de sombreado efectivas. Además, la iluminancia satisface las necesidades de iluminación, evitando la incomodidad causada por la luz directa intensa. La sala de comparación también presenta cierto efecto de sombreado gracias a la parasol, pero la sala experimental con vidrio termodifusible ofrece mayores ventajas en la regulación automática de la temperatura.

IV. Establecimiento y verificación del modelo de simulación numérica

4.1 Establecimiento del modelo EnergyPlus

EnergyPlus se utiliza para establecer un modelo de cálculo del rendimiento del edificio para la sala experimental comparable. A partir de 10 días de datos meteorológicos exteriores medidos, se simulan y calculan la temperatura del aire interior y la iluminancia en los puntos de medición experimentales. Durante el proceso de creación del modelo, se definen en detalle los parámetros térmicos de la estructura del cerramiento, los parámetros característicos de las ventanas exteriores, la fuente de calor interior y otros parámetros relacionados para garantizar que el modelo refleje con precisión la situación real de la sala experimental.

4.2 Verificación del modelo

Los resultados de la simulación se comparan con los datos experimentales. La comparación entre los valores medidos y simulados de la temperatura del aire interior de la sala de comparación y la sala experimental muestra que el error NMBE de la temperatura del aire interior de la sala de comparación es del 1,99 %, y el error NMBE de la temperatura del aire interior de la sala experimental es del 1,05 %. El error NMBE de los valores experimentales y simulados de la iluminancia en 9 puntos de medición en la sala experimental con vidrio termodifusible oscila entre -3,43 % y 7,70 %, y el error NMBE de los valores experimentales y simulados de la iluminancia en 9 puntos de medición en la sala de comparación con vidrio aislante transparente parasol oscila entre -6,01 % y 15,38 %. Los resultados de la verificación muestran que EnergyPlus tiene una alta precisión en el cálculo de la temperatura interior y la iluminancia de la iluminación de la sala de comparación y la sala experimental, lo que puede utilizarse para futuras investigaciones.

5. Investigación sobre la aplicación de vidrio termooscurecedor en diferentes condiciones climáticas.

5.1 Establecimiento de un modelo de oficina típico

Se selecciona una oficina típica para el modelado y se adopta el método de cálculo verificado experimentalmente. Bajo diferentes condiciones climáticas, los parámetros operativos, tales como los parámetros térmicos de la estructura del recinto, la densidad de potencia de iluminación, la densidad de equipos, la densidad de personal, la tasa de ocupación del personal y la temperatura de ajuste del aire acondicionado de la sala, se seleccionan de acuerdo con las disposiciones de las normas vigentes de diseño de ahorro de energía para edificios en mi país.

5.2 Simulación y análisis del comportamiento físico de los edificios

El método de simulación dinámica anual del rendimiento físico del edificio, basado en datos meteorológicos típicos, se utiliza para calcular la iluminación efectiva de luz natural (UDI), el índice de percepción térmica promedio esperado en interiores (PMV) y el consumo de energía por unidad de área del edificio (EUI), y analizar la influencia del vidrio termodifusible en el entorno lumínico, el entorno térmico y el consumo de energía del edificio en aplicaciones típicas de oficinas. Los resultados de la simulación muestran que, en diferentes zonas climáticas, la influencia del vidrio termodifusible en el entorno lumínico y térmico del edificio y el consumo de energía es diferente. En zonas cálidas, el vidrio termodifusible puede reducir eficazmente la temperatura interior en verano, disminuir el consumo de energía del aire acondicionado y, al mismo tiempo, garantizar ciertas necesidades de iluminación y mejorar el confort interior; en zonas frías, el vidrio permanece transparente a bajas temperaturas en invierno, lo que favorece el aumento de la ganancia de calor por radiación solar en interiores y la reducción del consumo de energía para calefacción.

VI. Investigación sobre el diseño y la selección de vidrios termoatenuables

6.1 Comparación del rendimiento de diferentes vidrios

Se seleccionaron datos meteorológicos típicos de 203 ciudades de mi país para comparar y analizar el rendimiento energético de edificios con vidrio termodifusible de una sola capa, vidrio aislante de doble capa Low-e (alta transmitancia en el norte y baja transmitancia en el sur) y vidrio termodifusible de una sola capa Low-e en cuatro direcciones: este, oeste, sur y norte. Los resultados de la investigación muestran que el rendimiento energético de los edificios con vidrio termodifusible de una sola capa en la mayoría de las áreas (95%) no es tan bueno como el del vidrio aislante de doble capa Low-e, mientras que el rendimiento energético de los edificios con vidrio termodifusible de una sola capa Low-e en la mayoría de las áreas (82%) es peor que el del vidrio aislante de doble capa Low-e.

6.2 Mapeo de la selección del diseño de temperatura de transición óptima

Con base en la investigación anterior, se elaboró ​​un mapa de selección de temperatura de transición óptima para vidrio termodifusible monocapa de baja emisividad bajo cuatro orientaciones de edificios. El mapa muestra de forma intuitiva la temperatura de transición óptima del vidrio termodifusible aplicable a diferentes regiones y orientaciones de edificios, lo que proporciona una referencia importante para los diseñadores arquitectónicos. Por ejemplo, en las cálidas regiones del sur, la temperatura de transición óptima del vidrio termodifusible monocapa de baja emisividad para edificios orientados de este a oeste es de alrededor de 35-38 °C; mientras que en las frías regiones del norte, la temperatura de transición óptima para edificios orientados al sur es relativamente baja, entre 28 y 32 °C.

VII. Estudio sobre la evaluación del rendimiento de protección solar del vidrio termodifusible

7.1 Comparación con instalaciones de sombreado externas fijas

Se seleccionaron ciudades típicas en 5 zonas climáticas térmicas de edificios en mi país (Harbin, Beijing, Nanjing, Kunming, Xiamen) para comparar los efectos del vidrio termodifusible de una sola capa y las instalaciones de sombreado externo fijo (sombreado externo horizontal y sombreado externo vertical) en el ambiente de luz y calor interior y el consumo de energía del edificio. Los casos de análisis y cálculo abarcan 5 condiciones climáticas urbanas típicas, 4 orientaciones de edificios (este, oeste, sur y norte), vidrio termodifusible de una sola capa con una temperatura de transición de 20-50℃, sombreado externo horizontal fijo con una longitud de 0-3,6 m y sombreado externo vertical fijo con una longitud de 0-3,6 m. Entre ellos, las ventanas del sombreado externo fijo utilizan vidrio aislante de doble capa, y la selección de la longitud de sombreado de 0-3,6 m tiene en cuenta las estructuras de autosombreado del edificio, incluidos balcones, pasillos y salientes del edificio.

7.2 Método y resultados para determinar la longitud de sombreado equivalente

Se propone un proceso para determinar la longitud de sombreado equivalente del vidrio termodifusible: primero, se determina el consumo mínimo de energía del edificio para el vidrio termodifusible a diferentes temperaturas de transición, y la temperatura de transición con el menor consumo de energía del edificio es la temperatura de transición óptima del vidrio termodifusible; luego, cuando el consumo mínimo de energía del edificio del vidrio termodifusible es más cercano, la longitud de sombreado externo fijo es la longitud de sombreado equivalente del vidrio termodifusible. Tomando como ejemplo la comparación entre el vidrio termodifusible y el sombreado externo horizontal en Xiamen, bajo las condiciones climáticas de Xiamen, la temperatura de transición óptima del vidrio termodifusible de una sola capa es de 36-37 °C. En las cuatro direcciones (este, oeste, sur y norte), las longitudes de sombreado externo horizontal equivalentes del vidrio termodifusible con la temperatura de transición óptima son 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m y 1,6 m respectivamente. Los resultados de la investigación muestran que el vidrio termodifusible puede lograr un ahorro de energía en el edificio y una mejora del ambiente lumínico y térmico similares a los de las instalaciones de sombreado externo fijo.

VIII. Conclusión y perspectivas

8.1 Conclusión de la investigación

Mediante ensayos experimentales y simulaciones numéricas, este estudio estableció un modelo de cálculo para el impacto integral del vidrio termodifusible en la iluminación, el ambiente térmico y el consumo energético de los edificios, y verificó la precisión del modelo con datos medidos. El estudio obtuvo el método de cálculo de la temperatura de transición óptima y la longitud de sombreado equivalente del vidrio termodifusible bajo diferentes condiciones climáticas, y elaboró ​​un mapa de selección de diseño para la temperatura de transición óptima. Los resultados muestran que el vidrio termodifusible tiene un buen potencial de regulación de la luz y el calor en aplicaciones de construcción, puede mejorar eficazmente el confort del ambiente interior de luz y calor, reducir el consumo energético de los edificios y, en la mayoría de las áreas, la eficiencia energética de los edificios con vidrio termodifusible monocapa de baja emisividad es mejor que la del vidrio tradicional. Al mismo tiempo, el vidrio termodifusible puede lograr efectos de ahorro energético y mejora del ambiente de luz y calor similares a los de las instalaciones de sombreado externas fijas.

8.2 Perspectivas de investigación

Futuras investigaciones podrán ampliar la aplicación del vidrio termodifusible en distintos tipos de edificios, como viviendas, hospitales y escuelas, y analizar en profundidad su rendimiento bajo diferentes requisitos funcionales. Asimismo, se optimizarán las propiedades del material y el proceso de producción, mejorando su estabilidad, durabilidad y precisión de atenuación, y reduciendo los costes de producción para promover su mayor aplicación. Además, mediante la integración de inteligencia artificial, macrodatos y otras tecnologías, se podrá lograr una conexión inteligente entre el vidrio termodifusible y otros sistemas constructivos, mejorando así la inteligencia y el ahorro energético de los edificios.