面向低能耗與可控采光需求的智能變色窗戶(hù)研究＊

梁潤(rùn)琪 于杰生 顏哲 張永明，3

1 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院

2 同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，高密度人居環(huán)境生態(tài)與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院

1 研究背景

建筑立面作為建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分，其合理設(shè)計(jì)不僅可以營(yíng)造吸引人的視覺(jué)效果和優(yōu)異的室內(nèi)舒適度，還可以降低建筑的能源消耗，提高建筑整體的能源利用率。建筑能耗大約占世界能源消耗的40%，因此降低建筑能耗是實(shí)現(xiàn)世界能源可持續(xù)的有效途徑之一，而窗戶(hù)作為建筑中唯一透光的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可將太陽(yáng)輻射傳遞到室內(nèi)空間，若能就太陽(yáng)能對(duì)室內(nèi)光和熱舒適度方面進(jìn)行可適應(yīng)性的調(diào)節(jié)，就能達(dá)到節(jié)能減排的效果。隨著建筑立面技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型的窗體構(gòu)件（如透明隔熱材料、智能變色玻璃等）日益成熟，并且在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中有逐漸取代傳統(tǒng)透明玻璃窗的趨勢(shì)。同時(shí)，新型窗體的應(yīng)用研究也不僅局限于能耗分析，其對(duì)室內(nèi)光熱舒適度的測(cè)評(píng)和分析已經(jīng)成為不可或缺的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 智能窗戶(hù)是建筑立面發(fā)展的前沿技術(shù)

在建筑立面設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程中，窗戶(hù)的應(yīng)用也經(jīng)歷了不同程度的改進(jìn)，從玻璃透射率的提高到保溫性能的提高（雙層玻璃、三層玻璃、真空玻璃、透明隔熱玻璃等），從靜態(tài)光學(xué)屬性的提升（Low-E、高反射率玻璃等）到動(dòng)態(tài)光學(xué)屬性的探索（智能變色玻璃等）。其中，不同于其他高性能玻璃，智能變色窗戶(hù)能夠響應(yīng)不同的外部環(huán)境刺激來(lái)改變其光譜透射率，包括溫度（即熱致變色（Thermochromic，TC））、電（即電致變色（Electrochromic，EC））、氣體（即氣致變色（Gasochromic，GC））和光（即光致變色（Photochromic，PC）），從而適應(yīng)氣候條件來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化室內(nèi)光熱條件[1]，是目前最前沿的建筑立面節(jié)能技術(shù)之一，除電致變色玻璃已經(jīng)相對(duì)成熟之外，其他種類(lèi)目前尚在研究中。

目前，電致變色玻璃已有產(chǎn)品上市，并在實(shí)際案例中得以應(yīng)用[2-3]，而熱致變色玻璃仍處于小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)階段（圖1）。然而，熱致變色玻璃由于不需要額外的能量消耗便能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)熱量的透射量而得到廣泛的關(guān)注，制作工藝相對(duì)經(jīng)濟(jì)便捷，是最具有潛力的未來(lái)能大面積應(yīng)用于建筑中的智能窗戶(hù)材料，特別是基于二氧化釩（VO2）材料的熱致變色薄膜[4]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱致變色玻璃的研究已經(jīng)在材料的制備以及光學(xué)屬性的改善等方面進(jìn)行了廣泛研究，而其應(yīng)用于不同氣候條件下的建筑中是否能夠滿足節(jié)能和光熱舒適度的需求，還需要更加全面的了解，也是我們需要探討的問(wèn)題。

1.2 智能窗戶(hù)在建筑中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近幾十年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)熱致變色玻璃作為建筑節(jié)能組件的應(yīng)用，逐漸開(kāi)始對(duì)其使用性能進(jìn)行探索，而方向多集中在能耗上，對(duì)于其在室內(nèi)采光和建筑立面設(shè)計(jì)中的影響只進(jìn)行了有限的研究。Saeli[5]、Ye[6]和Long[7]的團(tuán)隊(duì)通過(guò)建筑能耗模擬對(duì)其進(jìn)行了研究，并與Low-E玻璃進(jìn)行過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)熱致變色窗戶(hù)可以帶來(lái)更多的節(jié)能效率。Hoffmann[8]和Warwick[9]的研究結(jié)果則顯示，熱致變色窗系統(tǒng)有潛力實(shí)現(xiàn)最大節(jié)能率達(dá)20%，但熱致變色性能，包括變色溫度、透射率變化幅度等還有待改善。Gao[10]和Ye[11]的團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)溫度可以降低9℃，相對(duì)普通玻璃而言，熱致變色材料的日光透射率較低，導(dǎo)致80%的照度受阻。

1 智能窗戶(hù)示意圖

表1 SageGlass、VO2_Nano以及參照組普通玻璃的光譜透射率（平均值）

與熱致變色玻璃TC不同，電致變色EC窗系統(tǒng)可以根據(jù)用戶(hù)需求來(lái)人工控制是否施加電壓進(jìn)而改變其光譜透射率，針對(duì)EC窗的研究主要集中在其材料特性、能效和控制策略上，它可以代替遮陽(yáng)設(shè)備來(lái)減少眩光，也可以降低不必要的太陽(yáng)能得熱，從而保持室內(nèi)的熱舒適性并減少制冷能耗[12-13]。它們的共同點(diǎn)是，TC和EC窗在工作時(shí)均有著色，并且根據(jù)摻雜的金屬元素可以改變其原有顏色。通常，TC玻璃呈現(xiàn)為棕色，EC玻璃呈現(xiàn)為藍(lán)色。材料的著色特性意味著不同的室內(nèi)視覺(jué)舒適度以及外立面視覺(jué)效果，所以在熱致變色玻璃的探索中，動(dòng)態(tài)的采光效果評(píng)估和空間光色的因素也是需要著重討論的部分。

1.3 存在的問(wèn)題和研究意義

從以往的成果可以看出，研究的關(guān)注點(diǎn)多為智能變色玻璃的材料開(kāi)發(fā)和節(jié)能效應(yīng)，然而在實(shí)現(xiàn)新型智能窗戶(hù)的有效利用中，建筑設(shè)計(jì)中關(guān)于室內(nèi)光舒適和可適應(yīng)性變色立面的探索還十分有限。為了實(shí)現(xiàn)智能窗戶(hù)全面高效的評(píng)估，本研究以典型辦公空間為例，進(jìn)行熱致變色窗與電致變色窗的性能對(duì)比研究，包括節(jié)能效果和光環(huán)境特性，并結(jié)合作者前期研究，討論智能窗戶(hù)的顏色對(duì)使用者產(chǎn)生的影響，同時(shí)回答以下問(wèn)題：

（1）研究階段的熱致變色玻璃作為建筑立面材料從哪些方面可以超越現(xiàn)有市面上的電致變色玻璃？

（2）評(píng)估一種智能窗戶(hù)在建筑中的應(yīng)用，哪些衡量標(biāo)準(zhǔn)最有效？

（3）動(dòng)態(tài)有色的采光環(huán)境是否會(huì)對(duì)空間使用者產(chǎn)生影響？

下面將從不同的視角對(duì)新型智能窗戶(hù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，既是對(duì)可適應(yīng)性建筑立面設(shè)計(jì)的探索，也是對(duì)立面技術(shù)的衡量方法和衡量標(biāo)準(zhǔn)的研究。

2 研究方法的探索

本研究運(yùn)用建筑模擬軟件EnergyPlus對(duì)一個(gè)典型的辦公室進(jìn)行建模，在模型中設(shè)置安裝兩種不同的智能變色窗戶(hù)，并與傳統(tǒng)的透明雙層玻璃窗戶(hù)參考對(duì)照。為了充分體現(xiàn)智能窗戶(hù)的應(yīng)用效果，選擇基于中國(guó)上海冬冷夏熱的氣候條件運(yùn)行。

2.1 EnergyPlus模型設(shè)置

EnergyPlus是一款經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的建筑能耗模擬軟件，本研究的仿真模型是一間6m（長(zhǎng)）×5m（寬）×3m（高）的辦公室，位于多層建筑中的標(biāo)準(zhǔn)層，并且假設(shè)同層的相鄰房間各項(xiàng)條件都相同。窗戶(hù)（4.5m×2m）所在的南墻是唯一直接暴露于室外環(huán)境的表面。根據(jù)中國(guó)建筑法規(guī)和工作進(jìn)度表[14]，對(duì)南墻和常規(guī)雙層玻璃窗的U值、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備負(fù)載、照明負(fù)載、人員密度進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)置。

運(yùn)行時(shí)間為工作日的上午8點(diǎn)至下午6點(diǎn)，并將室內(nèi)溫度控制在21℃～24℃之間的舒適范圍內(nèi)。在采光控制方面，劃分了兩個(gè)照度區(qū)，分別設(shè)置兩個(gè)照度傳感器監(jiān)測(cè)各照度區(qū)域中的照度值，一個(gè)照度傳感器靠近窗口（Sensor1），另一個(gè)（Sensor2）遠(yuǎn)離窗口，人工照明被定義為自動(dòng)調(diào)光，即在照度未達(dá)到工作場(chǎng)所的目標(biāo)照度500Lux時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈補(bǔ)充照度。

2.2 智能變色窗材料設(shè)置

兩種有代表性的智能變色玻璃為：1）TC玻璃VO2_Nano是一種新型的VO2基底的熱致變色納米顆粒膜，主要調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射的近紅外（NIR）波段部分（780～2 500nm），伴隨可見(jiàn)光波段（380～780nm）的微小變化（63%～60%），呈棕色[15]；2）EC玻璃SageGlass是一款商業(yè)電致變色玻璃產(chǎn)品[16]，它能夠同時(shí)改變近紅外和可見(jiàn)光的透射率，呈藍(lán)色。

在變色過(guò)程中有四種狀態(tài)（可見(jiàn)光透射率分別為60%、18%、6%和1%），使用者可根據(jù)自己所處空間光環(huán)境的需求主動(dòng)調(diào)節(jié)窗戶(hù)的透明度。此外，以普通透明雙層玻璃（DG）作為對(duì)照組（表1），在EnergyPlus中應(yīng)用能源管理系統(tǒng)（EMS）模塊設(shè)置TC和EC窗戶(hù)在建筑中的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。為了便于不同窗戶(hù)類(lèi)型之間的比較，將VO2_Nano的變色溫度假定為28℃，變色溫度區(qū)間為6℃，電致變色SageGlass的控制策略也設(shè)置為根據(jù)外窗表面溫度調(diào)節(jié)，與前者相同。

2 受不同窗戶(hù)影響的能源消耗（包括照明、制冷和采暖）

3 SageGlass 和VO2_Nano 影響下Sensor1 和Sensor2 的各區(qū)間UDI 值

2.3 衡量參數(shù)設(shè)置

智能窗戶(hù)性能評(píng)估從能耗、采光性能、采光舒適度和色溫四個(gè)方面進(jìn)行討論。其中，能耗包括照明、制冷和采暖三個(gè)主要部分；采光性能包括有效日光照度（Useful Daylight Illuminance，UDI），是指水平照度值落入指定照度區(qū)間的小時(shí)數(shù)占總有效工作時(shí)間的百分比，定義了以下三個(gè)區(qū)間[17]：

（1）UDI500-2000Lux表示照度在500～2 000Lux之間的UDI，此照度范圍可以滿足自然光作為唯一的光源，在工作空間中造成視覺(jué)不適概率較小。

（2）UDI＜500Lux表示照度低于500Lux的UDI，需要人工照明以補(bǔ)充不足的日光。

（3）UDI＞2000Lux的照度超過(guò)2 000Lux，意味著日光供應(yīng)過(guò)多可能會(huì)導(dǎo)致視覺(jué)不適。

衡量采光舒適度的指數(shù)采用DGI，即日照眩光指數(shù)（Daylight Glare Index，DGI），所需參數(shù)包括光源亮度、背景亮度和立體角。由于立體角隨觀察者位置而改變，本研究選取了兩個(gè)代表性位置進(jìn)行分析：1）觀察者面對(duì)側(cè)壁的位置；2）觀察者面對(duì)窗戶(hù)的位置。在工作環(huán)境中，眩光指數(shù)的上限要求為22[18]，DGI低于16的眩光是不可察覺(jué)的，而高于28則是人眼不能承受的。因此，DGI的最適范圍值為16～22，低于16的DGI表示無(wú)眩光問(wèn)題。

3 研究結(jié)果的分析

通過(guò)一系列模擬計(jì)算，得到了能耗（包括人工照明、制冷和采暖）和采光性能（UDI、DGI）的數(shù)據(jù)，下面結(jié)合之前的研究，簡(jiǎn)要討論變色窗戶(hù)對(duì)人的影響。

3.1 能耗分析

圖2顯示了分別使用SageGlass，VO2_Nano和普通透明雙層玻璃（DG）的典型辦公室的年度總能耗，包括人工照明、采暖和制冷。通過(guò)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，與普通玻璃相比，兩種變色窗都引起了人工照明能耗需求量的增加且漲幅相近，約54%，其中SageGlass引起了相對(duì)較明顯的增長(zhǎng)。供暖的耗能方面，SageGlass還引起了供暖需求的大幅度增加，達(dá)44.2%；而由VO2_Nano引起的供暖能耗增加僅為4.2%。同時(shí)，SageGlass的制冷消耗量減少了43.4%，VO2_Nano減少了11%，這扭轉(zhuǎn)了供暖需求引起的總能耗增加的趨勢(shì)，SageGlass實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10.8%的總節(jié)能量。結(jié)果表明，以窗表面溫度為基準(zhǔn)的控制策略下，SageGlass比VO2_Nano智能窗戶(hù)更具有提高辦公建筑能源效率的潛力。

3.2 有效日光照度

根據(jù)EnergyPlus每小時(shí)輸出的照度數(shù)據(jù)計(jì)算出有效日光照度UDI，作為評(píng)估智能窗戶(hù)采光性能的重要指標(biāo)。圖3顯示了智能窗戶(hù)對(duì)UDI分布的影響，從數(shù)據(jù)可以看出，在SageGlass和VO2_Nano影響下，傳感器Sensor1監(jiān)測(cè)到的有效日照UDI500-2000Lux的時(shí)間都有所增加，即照度值在500～2000Lux范圍內(nèi)的時(shí)長(zhǎng)占總工作時(shí)間的百分比有所上升，與DG相比，增加量分別為10%和15%；而在傳感器Sensor2的位置，兩種智能窗都使得UDI500-2000Lux有所降低，特別是SageGlass，造成Sensor2處UDI500-2000Lux降低的最大值達(dá)9%。此外，兩個(gè)傳感器Sensor1和Sensor2的UDI＞2000Lux值均低于DG，這意味著SageGlass和VO2_Nano可以降低日光供應(yīng)過(guò)多造成的眩光風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 日照眩光指數(shù)

由傳感器Sensor1收集輸出的日光眩光指數(shù)（DGI）的數(shù)據(jù)如圖4所示，縱坐標(biāo)表示四個(gè)DGI數(shù)值范圍，橫坐標(biāo)表示分別落入這四個(gè)數(shù)值范圍的時(shí)長(zhǎng)（單位：h）。就面向側(cè)壁的位置（圖4a）而言，大多數(shù)工作時(shí)間都滿足可接受的眩光指數(shù)要求（DGI＜22）。兩種智能窗戶(hù)減少了DGI在16～22的時(shí)長(zhǎng)，卻大大增加了DGI＜16的時(shí)長(zhǎng)，這意味著使用智能窗戶(hù)有消除眩光的作用，并且使用VO2_Nano可以減少多達(dá)49%的眩光風(fēng)險(xiǎn)，而使用SageGlass可以減少39%的眩光風(fēng)險(xiǎn)。從觀察者面對(duì)窗口位置的眩光值分布情況（圖4b）可以看出，與普通雙層玻璃窗相比，SageGlass和VO2_Nano使DGI>22的時(shí)長(zhǎng)分別降低了11.4%和10%，并且使其落入16～22區(qū)間和＜16的DGI小時(shí)數(shù)都有所增加。綜合分析，VO2_Nano對(duì)于削弱眩光更加有效。

3.4 色溫CCT與人的關(guān)系

基于筆者已有的實(shí)驗(yàn)研究，兩種智能窗戶(hù)會(huì)影響室內(nèi)的色溫環(huán)境，其相關(guān)色溫（Correlated Colour Temperature，CCT）分別為4 000K（VO2_Nano）和7 000K（SageGlass）。根據(jù)以往研究成果和筆者關(guān)于人體反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可知，盡管色彩較冷（CCT較高）的亮度條件更有利于視敏度，但較暖色（CCT較低）的窗戶(hù)更容易被接受[19-20]。因此，具有棕色色調(diào)的VO2_Nano有可能在未來(lái)建筑中更容易被接受。然而從建筑設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，藍(lán)色玻璃在高層辦公建筑中更為普遍和被人們接受，所以就權(quán)衡室內(nèi)光舒適度和外立面視覺(jué)效果的問(wèn)題還需要具體項(xiàng)目具體分析。

4 SageGlass 和VO2_Nano 影響下兩個(gè)視覺(jué)方位的DGI 值

4 結(jié)論

通過(guò)以典型的辦公空間為例對(duì)TC和EC兩種玻璃窗的建筑應(yīng)用進(jìn)行分析，包括UDI、DGI和人類(lèi)對(duì)窗戶(hù)顏色的響應(yīng)在內(nèi)的采光性能及節(jié)能效果，可以得出如下結(jié)論：1）盡管SageGlass會(huì)比VO2_Nano產(chǎn)生更多的照明消耗，但其總體節(jié)能效率更高；2）在有效采光和眩光風(fēng)險(xiǎn)方面，VO2_Nano表現(xiàn)出比SageGlass更優(yōu)異的性能，體現(xiàn)了熱致變色玻璃的優(yōu)越性；3）在工作環(huán)境中，暖色的智能窗戶(hù)更容易被接受，而立面設(shè)計(jì)方面需要根據(jù)實(shí)際情況具體分析。以上結(jié)論對(duì)于本研究的特定條件有效，而且在依據(jù)窗戶(hù)溫度的控制策略下，不利于SageGlass提供最優(yōu)采光環(huán)境。今后，團(tuán)隊(duì)將針對(duì)控制策略的優(yōu)化及相應(yīng)的變色智能玻璃使用對(duì)人的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖片來(lái)源

圖1 來(lái)源于文獻(xiàn)[16]和[11]；其余圖片為作者自繪。