Знания отрасли

I. Обзор

1.1 Предпосылки исследования

Световая и тепловая среда зданий периодически изменяется под воздействием внешних климатических условий, поэтому крайне важно обеспечить эффективное регулирование внутреннего освещения и теплопоступления от солнечного излучения. Термохромное стекло, как интеллектуальный материал с переменным светопропусканием и переменными теплоизоляционными свойствами, может динамически регулировать видимый свет и ближнее инфракрасное тепловое излучение, проникающее в здание, и обладает большим потенциалом для повышения комфорта внутреннего освещения и снижения энергопотребления зданий. Среди них термохромное стекло на основе гидрогелевых материалов является бесцветным и прозрачным, а температура перехода может свободно регулироваться в диапазоне от 20 до 50 °C. Оно обладает высоким светопропусканием в видимом диапазоне, что лучше соответствует требованиям архитектурных применений к температуре перехода и светопропусканию в видимом диапазоне, и имеет широкие перспективы применения.

Однако в существующих исследованиях и стандартах отсутствуют четкие методы проектирования и выбора оптимальной температуры перехода термохромного стекла в различных климатических условиях; одновременно отсутствует четкий стандарт оценки того, относится ли термохромное стекло к затеняющим устройствам и как оценивать его потенциал затенения. В архитектурных приложениях вопросы проектирования и выбора оптимальной температуры перехода термопрозрачного стекла в различных климатических условиях и при различной ориентации здания, а также расчет эквивалентной площади затенения при оценке стали неотложными задачами, требующими решения как в фундаментальных исследованиях, так и в архитектурном применении этого материала.

1.2 Цель и значимость исследования

Целью данного исследования является создание расчетной модели комплексного воздействия термозатемняющего стекла на освещение, тепловой режим и энергопотребление зданий путем сочетания экспериментальных испытаний и численного моделирования, а также ее проверка на основе измеренных данных. На этой основе разработан метод расчета оптимальной температуры перехода и эквивалентной длины затенения термозатемняющего стекла в различных климатических условиях, что послужит ориентиром для его проектирования и оценки в архитектурных приложениях. Результаты данного исследования будут способствовать широкому применению термозатемняющего стекла в архитектуре, улучшению свето- и тепловых характеристик зданий, снижению энергопотребления зданий и содействию устойчивому развитию строительной отрасли.

2. Испытание характеристик термозатемняющегося стекла

2.1 Тест оптических характеристик

С помощью УФ/видимого/ближнеинфракрасного спектрофотометра были исследованы оптические свойства образцов термодиммируемого стекла с температурами перехода 20℃, 25℃, 30℃ и 35℃ при различных температурах. Результаты испытаний показывают, что с повышением температуры светопропускание стекла постепенно уменьшается, а способность блокировать солнечное излучение постепенно увеличивается. Например, при 20℃ светопропускание стекла относительно высокое, что позволяет большому количеству видимого света проникать в помещение; при повышении температуры до 35℃ светопропускание значительно снижается, а светопропускание солнечного излучения также значительно уменьшается, эффективно блокируя проникновение солнечного тепла в помещение.

2.2 Испытание коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи образца был измерен с помощью измерителя теплопроводности стационарного теплового потока. Данные испытаний показывают, что коэффициент теплопередачи термозатемняющего стекла относительно велик в прозрачном состоянии; в распыленном состоянии коэффициент теплопередачи значительно снижается, что указывает на значительное улучшение теплоизоляционных свойств стекла в распыленном состоянии, что позволяет эффективно снизить теплопередачу между внутренним и наружным пространством.

3. Лабораторный анализ

3.1 Проектирование лаборатории

Аналогичная лабораторная комната была оборудована в Школе архитектуры и гражданского строительства Сямэньского университета. Сравнительная комната и лабораторная комната имеют одинаковые размеры: длина, ширина и высота 2,9 м × 2,6 м × 2,8 м, а внешние размеры окон составляют 0,93 м × 1,94 м. Окна сравнительной комнаты оснащены двухслойным стеклопакетом и горизонтальными солнцезащитными шторками шириной 50 см, а окна экспериментальной комнаты — однослойным терморегулируемым стеклом с температурой перехода 25℃.

3.2 Содержание теста и результаты

Фактические измерения проводились в течение 10 дней подряд, и данные измерений включали данные о погоде на улице, температуре воздуха в помещении (естественная комнатная температура), освещенности в помещении и т. д. Результаты эксперимента показывают, что в жаркую погоду терморегулируемое стекло, установленное в экспериментальной комнате, постепенно запотевает при повышении температуры, эффективно блокируя солнечное излучение, и температура воздуха в помещении значительно ниже, чем в комнате без эффективных мер затенения. Кроме того, освещенность в помещении обеспечивает необходимое освещение, избегая при этом дискомфорта, вызванного прямым сильным светом. В контрольной комнате также наблюдался определенный эффект затенения под действием солнцезащитного экрана, но экспериментальная комната с терморегулируемым стеклом имеет больше преимуществ в автоматической адаптации регулирования температуры.

IV. Создание и проверка численной имитационной модели.

4.1 Создание модели EnergyPlus

Программа EnergyPlus используется для создания модели расчета эксплуатационных характеристик здания для аналогичного экспериментального помещения. На основе данных о погоде за 10 дней моделируются и рассчитываются температура воздуха внутри помещения и освещенность в экспериментальных точках измерения. В процессе создания модели детально задаются тепловые параметры ограждающей конструкции, характерные параметры наружных окон, источник тепла внутри помещения и другие соответствующие параметры, чтобы обеспечить точное отражение моделью реальной ситуации в экспериментальном помещении.

4.2 Проверка модели

Результаты моделирования сравниваются с экспериментальными данными. Сравнение измеренных и смоделированных значений температуры воздуха в помещении сравнительной и экспериментальной комнат показывает, что погрешность NMBE для температуры воздуха в сравнительной комнате составляет 1,99%, а погрешность NMBE для температуры воздуха в экспериментальной комнате — 1,05%. Погрешность NMBE экспериментальных и смоделированных значений освещенности в 9 точках измерения в экспериментальной комнате с терморегулируемым стеклом колеблется от -3,43% до 7,70%, а погрешность NMBE экспериментальных и смоделированных значений освещенности в 9 точках измерения в сравнительной комнате с прозрачным солнцезащитным стеклом колеблется от -6,01% до 15,38%. Результаты проверки показывают, что EnergyPlus обладает высокой точностью при расчете температуры воздуха в помещении и освещенности в сравнительной и экспериментальной комнатах, что позволяет использовать его в дальнейших исследованиях.

5. Исследование применения термозатемняющегося стекла в различных климатических условиях.

5.1 Создание типовой модели офиса

Для моделирования выбран типичный офисный корпус, и используется метод расчета, проверенный экспериментально. В зависимости от климатических условий, рабочие параметры, такие как тепловые параметры ограждающей конструкции, плотность мощности освещения, плотность оборудования, плотность персонала, коэффициент занятости персонала и заданная температура кондиционера в помещении, выбираются в соответствии с положениями действующих в нашей стране стандартов энергосбережения для зданий.

5.2 Моделирование и анализ физических характеристик здания

Для расчета эффективного дневного освещения (UDI), ожидаемого среднего индекса восприятия тепла в помещении (PMV) и энергопотребления на единицу площади здания (EUI) используется метод моделирования динамических физических характеристик здания в течение всего года, основанный на данных типичного метеорологического года. Анализируется влияние терморегулируемого стекла на световой и тепловой режимы здания, а также на энергопотребление в типичных офисных помещениях. Результаты моделирования показывают, что в разных климатических зонах влияние терморегулируемого стекла на световой и тепловой режим здания, а также на энергопотребление различно. В жарких регионах терморегулируемое стекло эффективно снижает температуру в помещении летом, уменьшает потребление энергии на кондиционирование воздуха и одновременно обеспечивает определенные потребности в освещении и повышает комфорт в помещении; в холодных регионах стекло остается прозрачным при низких температурах зимой, что способствует увеличению теплопоступления солнечной радиации в помещении и снижению энергопотребления на отопление.

VI. Исследование конструкции и выбора термодиммируемого стекла.

6.1 Сравнение характеристик различных видов стекла

Для сравнения и анализа характеристик зданий с использованием однослойного термозатемняющегося стекла, двухслойного низкоэмиссионного изоляционного стекла (высокая светопроницаемость на севере и низкая на юге) и однослойного термозатемняющегося стекла с низким эмиссионным коэффициентом пропускания света были выбраны типичные метеорологические данные для 203 городов моей страны. Результаты исследования показывают, что энергоэффективность зданий с однослойным термозатемняющимся стеклом в большинстве случаев (95%) ниже, чем у двухслойного низкоэмиссионного изоляционного стекла, а энергоэффективность зданий с однослойным термозатемняющимся стеклом с низким эмиссионным коэффициентом пропускания света в большинстве случаев (82%) ниже, чем у двухслойного низкоэмиссионного изоляционного стекла.

6.2. Составление карты оптимального выбора температуры перехода.

На основе проведенного исследования была составлена ​​карта оптимальной температуры перехода для проектирования однослойного термопрозрачного стекла Low-e при 4 различных ориентациях здания. Карта наглядно показывает оптимальную температуру перехода термопрозрачного стекла, применимую к различным регионам и различным ориентациям зданий, предоставляя важную информацию для архитекторов. Например, в жарких южных регионах оптимальная температура перехода однослойного термопрозрачного стекла Low-e для зданий, ориентированных с востока на запад, составляет около 35-38℃; в то время как в холодных северных регионах оптимальная температура перехода для зданий, ориентированных на юг, относительно низкая и находится в диапазоне 28-32℃.

VII. Исследование по оценке эффективности солнцезащитного экранирования терморегулируемого стекла.

7.1 Сравнение со стационарными наружными солнцезащитными сооружениями

Для сравнения влияния однослойного терморегулируемого стекла и стационарных внешних солнцезащитных устройств (горизонтального и вертикального наружного затенения) на освещенность, теплоизоляцию и энергопотребление зданий были выбраны типичные города в 5 зонах температурного режима зданий в моей стране (Харбин, Пекин, Нанкин, Куньмин, Сямэнь). Анализ и расчеты охватывают 5 типичных городских климатических условий, 4 ориентации зданий (восток, запад, юг и север), однослойное терморегулируемое стекло с температурой перехода 20-50℃, стационарное горизонтальное наружное затенение длиной 0-3,6 м и стационарное вертикальное наружное затенение длиной 0-3,6 м. При этом в окнах со стационарным наружным затенением используется двухслойное стеклопакетное покрытие, а выбор длины затенения 0-3,6 м учитывает наличие самозатеняющих конструкций здания, включая балконы, коридоры и выступы здания.

7.2 Метод и результаты определения эквивалентной длины затенения

Предлагается процесс определения эквивалентной длины затенения термозатемняющего стекла: сначала определяется минимальное энергопотребление здания при различных температурах перехода, и температура перехода при наименьшем энергопотреблении здания является оптимальной температурой перехода термозатемняющего стекла; затем, когда минимальное энергопотребление здания с термозатемняющим стеклом наиболее близко, длина фиксированного внешнего затенения является эквивалентной длиной затенения термозатемняющего стекла. На примере сравнения термозатемняющего стекла и горизонтального внешнего затенения в Сямыне, при климатических условиях Сямыня, оптимальная температура перехода однослойного термозатемняющего стекла составляет 36-37℃. В четырех направлениях — восток, запад, юг и север — эквивалентные длины горизонтального внешнего затенения термозатемняющего стекла с оптимальной температурой перехода составляют соответственно 0,5 м, 0,9 м, 0,4 м и 1,6 м. Результаты исследований показывают, что терморегулируемое стекло может обеспечить энергосбережение в зданиях и улучшение светового и теплового режима, аналогичные эффектам стационарных наружных солнцезащитных устройств.

VIII. Заключение и перспективы

8.1 Заключение исследования

В данном исследовании с помощью экспериментальных испытаний и численного моделирования была разработана расчетная модель комплексного воздействия термодиммируемого стекла на освещение, тепловой режим и энергопотребление здания, а также проверена точность модели на основе измеренных данных. Была получена методика расчета оптимальной температуры перехода и эквивалентной длины затенения термодиммируемого стекла в различных климатических условиях, а также составлена ​​карта выбора оптимальной температуры перехода. Результаты показывают, что термодиммируемое стекло обладает хорошим потенциалом регулирования света и тепла в зданиях, может эффективно повышать комфорт внутреннего освещения и теплового режима, снижать энергопотребление здания, и в большинстве регионов энергоэффективность зданий с однослойным термодиммируемым стеклом Low-e выше, чем у традиционного стекла. В то же время, термодиммируемое стекло обеспечивает энергосбережение и улучшение светового и теплового режима, аналогичные эффектам стационарных наружных солнцезащитных устройств.

8.2 Перспективы исследований

Дальнейшие исследования позволят расширить область применения термодиммируемого стекла в различных типах зданий, таких как жилые дома, больницы, школы и т. д., и углубленно проанализировать его характеристики при различных функциональных требованиях зданий. Одновременно с этим, можно оптимизировать свойства материалов и производственный процесс термодиммируемого стекла, повысить его стабильность, долговечность и точность диммирования, а также снизить производственные затраты для расширения его применения. Кроме того, в сочетании с искусственным интеллектом, большими данными и другими технологиями, можно реализовать интеллектуальную связь между термодиммируемым стеклом и другими строительными системами, что позволит еще больше повысить уровень интеллектуальности и энергосбережения зданий.