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I. Panoramica

1.1 Premesse della ricerca

L‘ambiente luminoso e termico degli edifici è periodicamente influenzato dalle condizioni climatiche esterne, pertanto è fondamentale ottenere una regolazione efficiente dell‘illuminazione interna e del guadagno di calore da radiazione solare. Il vetro termocromico, in quanto materiale intelligente con proprietà di trasmissione luminosa e isolamento termico variabili, può regolare dinamicamente la luce visibile e la radiazione termica nel vicino infrarosso che penetrano nell‘edificio, e presenta un grande potenziale per migliorare il comfort dell‘ambiente luminoso interno e ridurre il consumo energetico degli edifici. Tra questi, il vetro termocromico a base di idrogel è incolore e trasparente, e la temperatura di transizione può essere impostata liberamente da 20 a 50 °C. Ha un‘elevata trasmissione della luce visibile, che può soddisfare al meglio i requisiti delle applicazioni architettoniche in termini di temperatura di transizione e trasmissione della luce visibile, e ha ampie prospettive di applicazione.

Tuttavia, nella ricerca e negli standard esistenti, mancano metodi chiari per la progettazione e la selezione della temperatura di transizione ottimale del vetro termocromico in diverse condizioni climatiche; allo stesso tempo, non esiste uno standard di valutazione chiaro per stabilire se il vetro termocromico appartenga alla categoria degli elementi di ombreggiatura e per valutarne il potenziale ombreggiante. Nelle applicazioni architettoniche, la progettazione e la selezione della temperatura di transizione ottimale del vetro termooscurante in diversi climi e orientamenti degli edifici, nonché il calcolo della sua area di ombreggiatura equivalente durante la valutazione, sono diventati problemi urgenti da risolvere per questo materiale, dalla ricerca di base all‘applicazione architettonica.

1.2 Scopo e significato della ricerca

Questo studio si propone di sviluppare un modello di calcolo per valutare l‘impatto complessivo del vetro termo-oscurante sulla luce, sul comfort termico e sul consumo energetico degli edifici, attraverso una combinazione di test sperimentali e simulazioni numeriche, e di verificarlo tramite dati misurati. Sulla base di questo modello, viene studiato il metodo di calcolo della temperatura di transizione ottimale e della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche, al fine di fornire un riferimento per la sua progettazione e valutazione in ambito architettonico. I risultati di questo studio contribuiscono a promuovere la diffusione del vetro termo-oscurante in architettura, a migliorare le prestazioni termiche e di illuminazione degli edifici, a ridurre il consumo energetico e a favorire lo sviluppo sostenibile del settore edile.

2. Test di prestazione del vetro termo-oscurante

2.1 Test delle prestazioni ottiche

Utilizzando uno spettrofotometro UV/visibile/vicino infrarosso, sono state testate le proprietà ottiche di campioni di vetro termooscurante con temperature di transizione di 20℃, 25℃, 30℃ e 35℃ a diverse temperature. I risultati dei test mostrano che, all‘aumentare della temperatura, la trasmittanza della luce visibile del vetro diminuisce gradualmente, mentre la capacità di bloccare la radiazione solare aumenta progressivamente. Ad esempio, a 20℃, la trasmittanza della luce visibile del vetro è relativamente elevata, consentendo a una grande quantità di luce visibile di entrare nella stanza; quando la temperatura sale a 35℃, la trasmittanza della luce visibile diminuisce significativamente, e anche la trasmittanza della radiazione solare diminuisce significativamente, bloccando efficacemente l‘ingresso del calore solare nella stanza.

2.2 Test del coefficiente di scambio termico

Il coefficiente di scambio termico del campione è stato testato utilizzando un conduttimetro a flusso termico stazionario. I dati del test mostrano che il coefficiente di scambio termico del vetro termooscurante è relativamente elevato allo stato trasparente; allo stato atomizzato, il coefficiente di scambio termico si riduce significativamente, il che indica che le prestazioni di isolamento termico del vetro allo stato atomizzato sono notevolmente migliorate, consentendo di ridurre efficacemente il trasferimento di calore tra interno ed esterno.

3. Test di laboratorio

3.1 Progettazione del laboratorio

Presso la Facoltà di Architettura e Ingegneria Civile dell‘Università di Xiamen è stata allestita una stanza di laboratorio comparabile. La stanza di confronto e la stanza di laboratorio hanno le stesse dimensioni, con una lunghezza, larghezza e altezza di 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m e una finestra esterna di 0,93 m × 1,94 m. Le finestre della stanza di confronto sono dotate di vetro isolante a doppio strato e di schermature solari orizzontali estese per 50 cm, mentre le finestre della stanza sperimentale sono dotate di vetro termo-oscurante a singolo strato con una temperatura di transizione di 25 °C.

3.2 Contenuto e risultati del test

La misurazione effettiva è stata effettuata per 10 giorni consecutivi e i dati misurati includevano dati meteorologici esterni, temperatura dell‘aria interna (temperatura ambiente naturale), illuminazione interna, ecc. I risultati sperimentali mostrano che, con temperature elevate, il vetro termo-oscurante installato nella stanza sperimentale si appanna gradualmente all‘aumentare della temperatura, bloccando efficacemente la radiazione solare, e la temperatura dell‘aria interna è significativamente inferiore rispetto a quella della stanza senza efficaci misure di ombreggiatura. Inoltre, l‘illuminazione interna garantisce le esigenze di illuminazione evitando il disagio causato dalla luce diretta e intensa. Anche la stanza di confronto presenta un certo effetto ombreggiante grazie all‘azione della tenda parasole, ma la stanza sperimentale con vetro termo-oscurante offre maggiori vantaggi in termini di adattabilità automatica alla regolazione della temperatura.

IV. Definizione e verifica del modello di simulazione numerica

4.1 Definizione del modello EnergyPlus

EnergyPlus viene utilizzato per creare un modello di calcolo delle prestazioni energetiche dell‘edificio per la camera sperimentale di riferimento. Sulla base di 10 giorni di dati meteorologici esterni misurati, vengono simulate e calcolate la temperatura dell‘aria interna e l‘illuminamento nei punti di misurazione sperimentali. Durante il processo di creazione del modello, i parametri termici della struttura dell‘involucro, i parametri caratteristici delle finestre esterne, la fonte di calore interna e altri parametri correlati vengono impostati in dettaglio per garantire che il modello possa riflettere accuratamente la situazione reale della camera sperimentale.

4.2 Verifica del modello

I risultati della simulazione vengono confrontati con i dati sperimentali. Il confronto tra i valori misurati e simulati della temperatura dell‘aria interna della stanza di confronto e della stanza sperimentale mostra che l‘errore NMBE della temperatura dell‘aria interna della stanza di confronto è dell‘1,99%, mentre l‘errore NMBE della temperatura dell‘aria interna della stanza sperimentale è dell‘1,05%. L‘errore NMBE dei valori sperimentali e simulati dell‘illuminamento in 9 punti di misurazione nella stanza sperimentale con vetro termo-oscurante varia da -3,43% a 7,70%, mentre l‘errore NMBE dei valori sperimentali e simulati dell‘illuminamento in 9 punti di misurazione nella stanza di confronto con vetro isolante trasparente parasole varia da -6,01% a 15,38%. I risultati della verifica mostrano che EnergyPlus ha un‘elevata precisione nel calcolo della temperatura interna e dell‘illuminamento della stanza di confronto e della stanza sperimentale, il che può essere utilizzato per ulteriori ricerche.

5. Ricerca sull‘applicazione del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche

5.1 Definizione di un modello di ufficio tipico

Per la modellazione è stato selezionato un ufficio tipo e si è adottato un metodo di calcolo validato sperimentalmente. In diverse condizioni climatiche, i parametri operativi, quali i parametri termici della struttura dell‘involucro, la densità di potenza dell‘illuminazione, la densità delle apparecchiature, la densità del personale, il tasso di occupazione del personale e la temperatura impostata dell‘aria condizionata degli ambienti, sono stati selezionati in base alle disposizioni delle attuali norme di progettazione per il risparmio energetico negli edifici vigenti nel mio paese.

5.2 Simulazione e analisi delle prestazioni fisiche degli edifici

Il metodo di simulazione dinamica delle prestazioni fisiche degli edifici per l‘intero anno, basato su dati meteorologici tipici, viene utilizzato per calcolare l‘illuminazione diurna effettiva (UDI), l‘indice di percezione termica medio previsto per gli interni (PMV) e il consumo energetico per unità di superficie dell‘edificio (EUI), e per analizzare l‘influenza del vetro termo-oscurante sull‘ambiente luminoso, termico e sul consumo energetico dell‘edificio in tipiche applicazioni per uffici. I risultati della simulazione mostrano che, nelle diverse zone climatiche, l‘influenza del vetro termo-oscurante sull‘ambiente luminoso e termico dell‘edificio e sul consumo energetico è differente. Nelle zone calde, il vetro termo-oscurante può ridurre efficacemente la temperatura interna in estate, diminuire il consumo energetico per il condizionamento dell‘aria e, allo stesso tempo, garantire determinate esigenze di illuminazione e migliorare il comfort interno; nelle zone fredde, il vetro rimane trasparente alle basse temperature invernali, il che favorisce l‘aumento del guadagno di calore da radiazione solare interna e la riduzione del consumo energetico per il riscaldamento.

VI. Ricerca sulla progettazione e selezione del vetro termo-oscurante

6.1 Confronto delle prestazioni di diversi tipi di vetro

Sono stati selezionati dati meteorologici tipici di 203 città del mio paese per confrontare e analizzare le prestazioni energetiche degli edifici con vetro termo-oscurante monostrato, vetro isolante a doppia emissività (alta trasmittanza a nord e bassa trasmittanza a sud) e vetro termo-oscurante monostrato a bassa emissività nelle quattro direzioni est, ovest, sud e nord. I risultati della ricerca mostrano che le prestazioni energetiche degli edifici con vetro termo-oscurante monostrato nella maggior parte delle aree (95%) non sono buone come quelle del vetro isolante a doppia emissività, mentre le prestazioni energetiche degli edifici con vetro termo-oscurante monostrato a bassa emissività nella maggior parte delle aree (82%) sono peggiori di quelle del vetro isolante a doppia emissività.

6.2 Mappatura della selezione ottimale della temperatura di transizione

Sulla base della ricerca sopra descritta, è stata elaborata una mappa per la selezione ottimale della temperatura di transizione del vetro termooscurante monostrato a bassa emissività in base a 4 orientamenti degli edifici. La mappa mostra in modo intuitivo la temperatura di transizione ottimale del vetro termooscurante applicabile a diverse regioni e orientamenti degli edifici, fornendo un importante riferimento per i progettisti architettonici. Ad esempio, nelle calde regioni meridionali, la temperatura di transizione ottimale del vetro termooscurante monostrato a bassa emissività per edifici orientati est-ovest è di circa 35-38 °C; mentre nelle fredde regioni settentrionali, la temperatura di transizione ottimale per edifici orientati sud è relativamente bassa, tra 28 e 32 °C.

VII. Studio sulla valutazione delle prestazioni di schermatura solare del vetro termo-oscurante

7.1 Confronto con le strutture fisse di ombreggiatura esterna

Sono state selezionate città tipiche in 5 zone climatiche termiche degli edifici nel mio paese (Harbin, Pechino, Nanchino, Kunming, Xiamen) per confrontare gli effetti del vetro termo-oscurante monostrato e dei sistemi di schermatura esterna fissa (schermatura esterna orizzontale e schermatura esterna verticale) sull‘ambiente interno luminoso e termico e sul consumo energetico degli edifici. I casi di analisi e calcolo coprono 5 tipiche condizioni climatiche urbane, 4 orientamenti degli edifici (est, ovest, sud e nord), vetro termo-oscurante monostrato con temperatura di transizione di 20-50 °C, schermatura esterna orizzontale fissa con lunghezza di 0-3,6 m e schermatura esterna verticale fissa con lunghezza di 0-3,6 m. Tra questi, le finestre con schermatura esterna fissa utilizzano vetro isolante a doppio strato e la scelta della lunghezza di schermatura di 0-3,6 m tiene conto delle strutture di auto-ombreggiatura dell‘edificio, inclusi balconi, corridoi e sporgenze dell‘edificio.

7.2 Metodo e risultati per la determinazione della lunghezza di ombreggiatura equivalente

Viene proposto un processo per la determinazione della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante: in primo luogo, si determina il consumo energetico minimo dell‘edificio per il vetro termo-oscurante a diverse temperature di transizione, e la temperatura di transizione corrispondente al consumo energetico minimo rappresenta la temperatura di transizione ottimale del vetro termo-oscurante; quindi, quando il consumo energetico minimo del vetro termo-oscurante è più vicino a tale valore, la lunghezza della schermatura esterna fissa corrisponde alla lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante. Prendendo come esempio il confronto tra vetro termo-oscurante e schermatura esterna orizzontale a Xiamen, nelle condizioni climatiche di Xiamen, la temperatura di transizione ottimale del vetro termo-oscurante monostrato è di 36-37 °C. Nelle quattro direzioni est, ovest, sud e nord, le lunghezze equivalenti di schermatura esterna orizzontale del vetro termo-oscurante con la temperatura di transizione ottimale sono rispettivamente di 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m e 1,6 m. I risultati della ricerca dimostrano che il vetro termo-oscurante può raggiungere effetti di risparmio energetico e miglioramento dell‘ambiente luminoso e termico simili a quelli delle schermature esterne fisse.

VIII. Conclusioni e prospettive

8.1 Conclusione della ricerca

Attraverso test sperimentali e simulazioni numeriche, questo studio ha stabilito un modello di calcolo per l‘impatto complessivo del vetro termo-oscurante sulla luce, sul comfort termico e sul consumo energetico degli edifici, verificandone l‘accuratezza tramite dati misurati. Lo studio ha ottenuto il metodo di calcolo della temperatura di transizione ottimale e della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche, e ha elaborato una mappa di selezione progettuale per la temperatura di transizione ottimale. I risultati mostrano che il vetro termo-oscurante ha un buon potenziale di regolazione della luce e del calore nelle applicazioni edili, può migliorare efficacemente il comfort luminoso e termico degli ambienti interni, ridurre il consumo energetico degli edifici e, nella maggior parte delle aree, l‘efficienza energetica degli edifici con vetro termo-oscurante monostrato a bassa emissività è superiore a quella del vetro tradizionale. Allo stesso tempo, il vetro termo-oscurante può ottenere effetti di risparmio energetico e miglioramento del comfort luminoso e termico degli edifici simili a quelli dei sistemi di ombreggiatura esterni fissi.

8.2 Prospettive di ricerca

La ricerca futura potrà ulteriormente ampliare le applicazioni del vetro termo-oscurante in diverse tipologie di edifici, come edifici residenziali, ospedali, scuole, ecc., e analizzarne a fondo le prestazioni in base alle diverse esigenze funzionali dell‘edificio. Allo stesso tempo, sarà possibile ottimizzare le proprietà dei materiali e il processo produttivo del vetro termo-oscurante, migliorandone la stabilità, la durata e la precisione di oscuramento, e riducendo i costi di produzione per promuoverne una più ampia applicazione. Inoltre, combinando l‘intelligenza artificiale, i big data e altre tecnologie, si potrà realizzare un collegamento intelligente tra il vetro termo-oscurante e gli altri sistemi dell‘edificio, migliorando ulteriormente il livello di intelligenza e risparmio energetico degli stessi.