Conhecimento do setor

I. Visão geral

1.1 Contexto da Pesquisa

O ambiente luminoso e térmico dos edifícios é periodicamente afetado pelas condições climáticas externas, sendo crucial, portanto, alcançar uma regulação eficiente da iluminação interna e do ganho de calor da radiação solar. Como um material inteligente com transmitância luminosa e propriedades de isolamento térmico variáveis, o vidro termocrômico pode regular dinamicamente a luz visível e a radiação térmica infravermelha próxima que entra no edifício, apresentando grande potencial para melhorar o conforto da iluminação interna e reduzir o consumo de energia dos edifícios. Dentre eles, o vidro termocrômico à base de hidrogel é incolor e transparente, e a temperatura de transição pode ser livremente definida entre 20 e 50 °C. Possui alta transmitância de luz visível, atendendo melhor às exigências de aplicações arquitetônicas em relação à temperatura de transição e à transmitância de luz visível, e apresenta amplas perspectivas de aplicação.

Contudo, nas pesquisas e normas existentes, há uma carência de métodos claros para o projeto e a seleção da temperatura de transição ideal do vidro termocrômico em diferentes condições climáticas; ao mesmo tempo, não existe um padrão de avaliação claro para determinar se o vidro termocrômico se enquadra na categoria de dispositivos de sombreamento e qual o seu potencial de sombreamento. Em aplicações arquitetônicas, como projetar e selecionar a temperatura de transição ideal do vidro termocrômico em diferentes climas e orientações de edifícios, e como calcular sua área de sombreamento equivalente durante a avaliação, tornaram-se questões urgentes a serem resolvidas para este material, desde a pesquisa básica até a aplicação arquitetônica.

1.2 Objetivo e importância da pesquisa

Este estudo visa estabelecer um modelo de cálculo para o impacto abrangente do vidro termodiminutivo na iluminação, no ambiente térmico e no consumo de energia de edifícios, através de uma combinação de testes experimentais e simulação numérica, e verificá-lo por meio de dados medidos. Com base nisso, o método de cálculo da temperatura de transição ideal e do comprimento de sombreamento equivalente do vidro termodiminutivo sob diferentes condições climáticas é estudado para fornecer uma referência para seu projeto e avaliação em aplicações arquitetônicas. Os resultados deste estudo são úteis para promover a aplicação generalizada do vidro termodiminutivo na área da arquitetura, melhorar o desempenho luminoso e térmico dos edifícios, reduzir o consumo de energia e promover o desenvolvimento sustentável da indústria da construção.

2. Teste de desempenho do vidro termodiminutivo

2.1 Teste de desempenho óptico

Utilizando um espectrofotômetro UV/visível/infravermelho próximo, as propriedades ópticas de amostras de vidro termodiminutivo com temperaturas de transição de 20 °C, 25 °C, 30 °C e 35 °C foram testadas em diferentes temperaturas. Os resultados dos testes mostram que, com o aumento da temperatura, a transmitância da luz visível do vidro diminui gradualmente, enquanto a capacidade de bloquear a radiação solar aumenta gradualmente. Por exemplo, a 20 °C, a transmitância da luz visível do vidro é relativamente alta, permitindo a entrada de uma grande quantidade de luz visível no ambiente; quando a temperatura sobe para 35 °C, a transmitância da luz visível cai significativamente, e a transmitância da radiação solar também diminui significativamente, bloqueando efetivamente a entrada do calor solar no ambiente.

2.2 Teste do coeficiente de transferência de calor

O coeficiente de transferência de calor da amostra foi testado utilizando um medidor de condutividade térmica de fluxo de calor em regime permanente. Os dados do teste mostram que o coeficiente de transferência de calor do vidro termo-diminutivo é relativamente alto no estado transparente; no estado atomizado, o coeficiente de transferência de calor é significativamente reduzido, o que indica que o desempenho de isolamento térmico do vidro no estado atomizado é significativamente melhorado, podendo reduzir efetivamente a transferência de calor entre o interior e o exterior.

3. Teste laboratorial

3.1 Projeto do laboratório

Uma sala de laboratório comparável foi instalada na Escola de Arquitetura e Engenharia Civil da Universidade de Xiamen. A sala de comparação e a sala de laboratório têm as mesmas dimensões, com 2,9 m de comprimento, 2,6 m de largura e 2,8 m de altura, e uma janela externa de 0,93 m × 1,94 m. As janelas da sala de comparação são equipadas com vidro isolante de camada dupla e brises horizontais com 50 cm de extensão, enquanto as janelas da sala experimental são equipadas com vidro termo-diminutivo de camada única com temperatura de transição de 25 °C.

3.2 Conteúdo e resultados dos testes

A medição propriamente dita foi realizada durante 10 dias consecutivos, e os dados coletados incluíram informações meteorológicas externas, temperatura do ar interno (temperatura ambiente natural), iluminância da iluminação interna, etc. Os resultados experimentais mostram que, em clima quente, o vidro termodiminutivo instalado na sala experimental embaça gradualmente com o aumento da temperatura, bloqueando eficazmente a radiação solar, e a temperatura do ar interno é significativamente menor do que a da sala sem medidas eficazes de sombreamento. Além disso, a iluminância da iluminação interna atende às necessidades de iluminação, evitando o desconforto causado pela luz forte e direta. A sala de comparação também apresenta certo efeito de sombreamento sob a ação do protetor solar, mas a sala experimental com vidro termodiminutivo demonstra maior vantagem na adaptação automática da regulação de temperatura.

IV. Estabelecimento e verificação do modelo de simulação numérica

4.1 Estabelecimento do modelo EnergyPlus

O EnergyPlus é utilizado para criar um modelo de cálculo de desempenho de edifícios para a sala experimental comparável. Com base em dados meteorológicos externos coletados ao longo de 10 dias, a temperatura do ar interno e a iluminância nos pontos de medição experimental são simuladas e calculadas. Durante o processo de criação do modelo, os parâmetros térmicos da estrutura do edifício, os parâmetros característicos das janelas externas, a fonte de calor interna e outros parâmetros relacionados são definidos em detalhes para garantir que o modelo reflita com precisão a situação real da sala experimental.

4.2 Verificação do Modelo

Os resultados da simulação são comparados com os dados experimentais. A comparação entre os valores medidos e simulados da temperatura do ar interior da sala de comparação e da sala experimental mostra que o erro NMBE da temperatura do ar interior da sala de comparação é de 1,99%, e o erro NMBE da temperatura do ar interior da sala experimental é de 1,05%. O erro NMBE dos valores experimentais e simulados da iluminância em 9 pontos de medição na sala experimental com vidro termodimerizável varia de -3,43% a 7,70%, e o erro NMBE dos valores experimentais e simulados da iluminância em 9 pontos de medição na sala de comparação com vidro isolante transparente com proteção solar varia de -6,01% a 15,38%. Os resultados da verificação mostram que o EnergyPlus possui alta precisão no cálculo da temperatura interna e da iluminância da sala de comparação e da sala experimental, podendo ser utilizado em pesquisas futuras.

5. Pesquisa sobre a aplicação de vidro termodiminutivo em diferentes condições climáticas.

5.1 Estabelecimento de um modelo de escritório típico

Para a modelagem, selecionou-se um escritório típico e adotou-se o método de cálculo verificado experimentalmente. Sob diferentes condições climáticas, os parâmetros operacionais, como parâmetros térmicos da estrutura do edifício, densidade de potência da iluminação, densidade de equipamentos, densidade de pessoal, taxa de ocupação de pessoal e temperatura de ajuste do ar condicionado, foram selecionados de acordo com as normas vigentes para projeto de edifícios com foco em eficiência energética no meu país.

5.2 Simulação e análise do desempenho físico de edifícios

O método de simulação dinâmica do desempenho físico de edifícios ao longo de todo o ano, baseado em dados meteorológicos típicos, é utilizado para calcular a iluminação natural efetiva (UDI), o índice médio esperado de percepção térmica interna (PMV) e o consumo de energia por unidade de área do edifício (EUI), além de analisar a influência do vidro termodiminutivo no ambiente luminoso, no ambiente térmico e no consumo de energia em aplicações típicas de escritórios. Os resultados da simulação mostram que, em diferentes zonas climáticas, a influência do vidro termodiminutivo no ambiente luminoso e térmico e no consumo de energia do edifício é diferente. Em áreas quentes, o vidro termodiminutivo pode reduzir efetivamente a temperatura interna no verão, diminuir o consumo de energia do ar condicionado e, ao mesmo tempo, garantir certas necessidades de iluminação e melhorar o conforto interno; em áreas frias, o vidro permanece transparente em baixas temperaturas no inverno, o que contribui para aumentar o ganho de calor da radiação solar interna e reduzir o consumo de energia para aquecimento.

VI. Pesquisa sobre o projeto e a seleção de vidro termo-diminutivo

6.1 Comparação do desempenho de diferentes tipos de vidro

Dados meteorológicos típicos de 203 cidades do meu país foram selecionados para comparar e analisar o desempenho de edifícios com vidro termodiminutivo de camada única, vidro isolante de dupla camada Low-e (alta transmitância no norte e baixa transmitância no sul) e vidro termodiminutivo de camada única Low-e nas quatro direções: leste, oeste, sul e norte. Os resultados da pesquisa mostram que o desempenho de eficiência energética dos edifícios com vidro termodiminutivo de camada única na maioria das áreas (95%) não é tão bom quanto o do vidro isolante de dupla camada Low-e, enquanto o desempenho de eficiência energética dos edifícios com vidro termodiminutivo de camada única Low-e na maioria das áreas (82%) é pior do que o do vidro isolante de dupla camada Low-e.

6.2 Mapeamento da seleção do projeto de temperatura de transição ideal

Com base na pesquisa acima, foi elaborado um mapa para a seleção da temperatura de transição ideal para vidros termodiminuídos de camada única Low-e em quatro orientações de edifícios. O mapa mostra de forma intuitiva a temperatura de transição ideal do vidro termodiminutivo aplicável a diferentes regiões e orientações de edifícios, fornecendo uma importante referência para projetistas arquitetônicos. Por exemplo, nas regiões quentes do sul, a temperatura de transição ideal do vidro termodiminutivo de camada única Low-e para edifícios orientados no sentido leste-oeste é de cerca de 35-38 °C; enquanto nas regiões frias do norte, a temperatura de transição ideal para edifícios orientados no sentido sul é relativamente baixa, entre 28-32 °C.

VII. Estudo sobre a avaliação do desempenho de proteção solar de vidro termo-diminutivo

7.1 Comparação com instalações fixas de sombreamento externo

Cidades típicas em 5 zonas climáticas térmicas de edifícios no meu país (Harbin, Pequim, Nanjing, Kunming, Xiamen) foram selecionadas para comparar os efeitos do vidro termodiminutivo de camada única e de sistemas fixos de sombreamento externo (sombreamento externo horizontal e vertical) sobre a luminosidade e o calor internos, bem como sobre o consumo de energia dos edifícios. Os casos de análise e cálculo abrangem 5 condições climáticas urbanas típicas, 4 orientações de edifícios (leste, oeste, sul e norte), vidro termodiminutivo de camada única com temperatura de transição de 20-50 °C, sombreamento externo horizontal fixo com comprimento de 0-3,6 m e sombreamento externo vertical fixo com comprimento de 0-3,6 m. As janelas com sombreamento externo fixo utilizam vidro isolante de dupla camada, e a seleção do comprimento de sombreamento de 0-3,6 m leva em consideração as estruturas de sombreamento próprio do edifício, incluindo varandas, corredores e saliências da fachada.

7.2 Método e resultados para determinar o comprimento de sombreamento equivalente

Propõe-se um processo para determinar o comprimento equivalente de sombreamento do vidro termodiminutivo: primeiro, determina-se o consumo mínimo de energia do edifício com o vidro termodiminutivo em diferentes temperaturas de transição, sendo a temperatura de transição com o menor consumo de energia considerada a temperatura de transição ideal do vidro termodiminutivo; em seguida, quando o consumo mínimo de energia do edifício com o vidro termodiminutivo estiver mais próximo do valor ideal, o comprimento da cobertura externa fixa corresponde ao comprimento equivalente de sombreamento do vidro termodiminutivo. Tomando como exemplo a comparação entre o vidro termodiminutivo e a cobertura externa horizontal em Xiamen, sob as condições climáticas de Xiamen, a temperatura de transição ideal do vidro termodiminutivo de camada única é de 36-37 °C. Nas quatro direções leste, oeste, sul e norte, os comprimentos equivalentes de cobertura externa horizontal do vidro termodiminutivo com a temperatura de transição ideal são de 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m e 1,6 m, respectivamente. Os resultados da pesquisa mostram que o vidro termodiminutivo pode alcançar efeitos de economia de energia e melhoria do ambiente luminoso e térmico em edifícios semelhantes aos das coberturas externas fixas.

VIII. Conclusão e Perspectivas

8.1 Conclusão da Pesquisa

Por meio de testes experimentais e simulações numéricas, este estudo estabeleceu um modelo de cálculo para o impacto abrangente do vidro termodiminutivo na iluminação, no ambiente térmico e no consumo de energia do edifício, e verificou a precisão do modelo através de dados medidos. O estudo obteve o método de cálculo da temperatura de transição ideal e do comprimento de sombreamento equivalente do vidro termodiminutivo sob diferentes condições climáticas e elaborou um mapa de seleção de projeto para a temperatura de transição ideal. Os resultados mostram que o vidro termodiminutivo possui bom potencial de regulação de luz e calor em aplicações prediais, podendo melhorar efetivamente o conforto do ambiente interno de luz e calor, reduzir o consumo de energia do edifício e, na maioria das áreas, a eficiência energética do vidro termodiminutivo de camada única Low-e é superior à do vidro tradicional. Ao mesmo tempo, o vidro termodiminutivo pode alcançar efeitos de economia de energia e melhoria do ambiente de luz e calor semelhantes aos de estruturas fixas de sombreamento externo.

8.2 Perspectivas de Pesquisa

Pesquisas futuras podem expandir ainda mais a aplicação do vidro termodiminutivo em diferentes tipos de edificações, como residenciais, hospitais, escolas, etc., e analisar profundamente seu desempenho sob diferentes requisitos funcionais. Ao mesmo tempo, otimizar as propriedades dos materiais e o processo de produção do vidro termodiminutivo, aprimorando sua estabilidade, durabilidade e precisão de dimerização, além de reduzir os custos de produção para promover uma aplicação mais ampla. Ademais, em conjunto com inteligência artificial, big data e outras tecnologias, a integração inteligente entre o vidro termodiminutivo e outros sistemas prediais pode ser viabilizada, elevando ainda mais o nível de inteligência e economia de energia das edificações.