基于分層控制策略采光實驗的電致變色窗研究

王崇敏，彭晉卿，羅伊默，譚羽桐

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

電致變色(Electrochromic, EC)玻璃作為一種新型動態(tài)玻璃，可以根據(jù)室內(nèi)光熱環(huán)境需求主動調(diào)節(jié)電壓來改變可見光透過率和太陽得熱系數(shù)，從而實現(xiàn)對進入室內(nèi)的可見光及太陽輻射熱的精準調(diào)控[1-2].與傳統(tǒng)靜態(tài)窗相比，EC窗能夠解決太陽光進入室內(nèi)產(chǎn)生不適眩光以及輻射熱過大問題，具有廣泛應用前景[3-4].

自WO3變色現(xiàn)象首次被發(fā)現(xiàn)到EC窗問世[5-7]以來，EC窗吸引了研究者的廣泛關(guān)注.Sullivan和Selkowitz等[8-12]曾研究并發(fā)現(xiàn)了EC窗能有效降低空調(diào)能耗，改善眩光.隨著研究深入，控制策略在EC窗節(jié)能和采光方面的重要作用逐漸顯露.Sullivan[13]率先提出了分別基于工作面照度、基于入射太陽輻射強度以及基于空調(diào)模式來控制EC玻璃窗，發(fā)現(xiàn)了不同控制策略對室內(nèi)光熱環(huán)境的影響不同.Karlsson等[14]研究表明以入射太陽輻射強度作為控制參數(shù)可以獲得更好的光熱環(huán)境.Gugliermetti等[15]同時考慮了垂直立面太陽輻射強度和眩光指數(shù)(Daylight Glare Index, DGI)，發(fā)現(xiàn)控制參數(shù)的閾值選取與玻璃的透過率以及入射方向密切相關(guān).此外，相關(guān)研究表明控制參數(shù)閾值對EC窗的采光和節(jié)能效果也具有重要影響.戚浩然等[16-17]以室外水平照度作為控制參數(shù)，并以總能耗最低為目標優(yōu)化了其閾值，改善了EC窗的節(jié)能效果.Lee等[18]通過對不同氣候區(qū)商業(yè)建筑中EC窗最佳控制參數(shù)的選取及閾值優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)了溫度是降低能耗最有效的參數(shù)，而綜合考慮能耗和采光時，入射到窗上的太陽輻射強度則是更好的選擇.

目前EC窗研究大多是以能耗最低為目標優(yōu)化控制參數(shù)閾值，并且全年控制參數(shù)均采用相同閾值，從而忽略了太陽位置季節(jié)差異性的影響，難以滿足視覺舒適要求.因此，本文基于采光實驗，優(yōu)先考慮天然采光和眩光，對EC窗夏季調(diào)控方式與垂直立面輻射強度的關(guān)系進行了研究，提出了EC窗分層控制策略，并對其進行了能耗模擬以驗證節(jié)能效果.本文第一部分主要介紹了實驗平臺及方案設計，接著在第二部分介紹了玻璃光熱性能參數(shù)、采光和能耗模型.第三部分則驗證采光模型的準確性，并根據(jù)實驗所得垂直立面太陽輻射強度和EC窗狀態(tài)調(diào)控的關(guān)系，提出了夏季EC窗分層控制策略，通過能耗模擬分析了其節(jié)能性.最后在第四部分總結(jié)了實驗和模擬得到的主要結(jié)論.

1 實驗介紹

1.1 建筑概況

本文以長沙市湖南大學智慧能源實驗室的一間辦公室為研究案例，如圖1(a)所示.該辦公室尺寸為2.5 m×6 m×3 m，南外墻裝有1.16 m×0.73 m的EC玻璃6塊，每塊玻璃均可獨立控制.

1.2 實驗方案

如圖1(b)所示，采光點位于房間中軸線，距窗1 m，高0.75 m，采光點正上方置一相機，距地1.2 m.采光點和相機上均安裝照度傳感器，分別測量采光點照度和垂直立面照度.如圖1所示立面上裝有日照輻射計以獲取垂直立面太陽輻射強度，此外可從實驗室配置的小型氣象站獲取太陽輻射、溫濕度等氣象參數(shù).通過相機拍攝曝光程度不同的照片來合成高動態(tài)范圍圖像(High-Dynamic Range, HDR)，并據(jù)此計算眩光可能性(Daylight Glare Probability, DGP).EC玻璃著色時長為30 min，褪色時長為10 min.實驗中分層調(diào)節(jié)EC玻璃來實現(xiàn)室內(nèi)采光點照度≤2 000 lux，DGP≤0.35的采光要求，以此探究夏季EC窗調(diào)控方式與垂直立面太陽輻射強度之間的關(guān)系.實驗所用器材及型號如表1所示.

圖1 電致變色窗建筑示意圖

表1 實驗器材及型號參數(shù)

2 模型建立

2.1 窗戶物理模型

為分析EC窗節(jié)能效果，本文選取了普通窗進行對比研究.EC窗的構(gòu)造為10 mmEC玻璃+12 mm氬氣+6 mm超白玻璃，普通窗則為兩層6 mm白玻璃中間填充12 mm空氣，超白玻璃和白玻璃均選自WINDOW軟件自帶玻璃數(shù)據(jù)庫.使用型號為Perkin Elmer LAMBDA 1050+的分光光度計實測了單層EC玻璃光譜數(shù)據(jù)，然后導入Optics6和WINDOW7.6中計算得到EC窗的光熱性能參數(shù)，如表2所示，并將EC玻璃的4種狀態(tài)分別命名：S1(透明)、S2(淺)、S3(較深)、S4(深色).

表2 EC玻璃和普通玻璃性能參數(shù)

如圖2所示，首先參照實際建筑在Rhino中建立建筑模型；然后，輸入實測天氣數(shù)據(jù)及EC玻璃數(shù)據(jù)，通過HoneybeePlus等軟件調(diào)用Radiance計算采光點照度、眩光可能性(Daylight Glare Probability，DGP).為保證模擬的準確性，對室內(nèi)各表面及窗臺反射率進行了測試，室內(nèi)墻面、地板、天花板及窗臺反射率分別為0.68、0.14、0.60和0.21.

圖2 采光與能耗模擬流程示意圖

與此同時，在SketchUp中建立建筑模型并導入EnergyPlus中，再輸入長沙典型氣象年天氣文件來模擬夏季能耗.模擬時間為6月1日至8月31日，工作時間為8∶00—18∶00，室內(nèi)設有一名工作人員，溫度設為26 ℃，采用60 W的熒光燈，其照度設定值為500 lux，即當室內(nèi)參考點照度低于500 lux時啟用人工照明，模擬中的照度參考點位置與實驗一致，模擬時間步長為10 min.本文分別模擬了基于實驗得到的EC窗分層控制策略、整體控制策略以及普通玻璃的建筑能耗.其中整體控制策略為目前常用，即當垂直立面太陽輻射強度為：0～75 W/m2，EC窗整體處于S1；75～150 W/m2，EC窗整體處于S2；150～250 W/m2，EC窗整體處于S3；250 W/m2以上，EC窗整體處于S4.

2.2 采光與能耗模型

為實現(xiàn)EC窗動態(tài)控制，使用了EnergyPlus自帶的EMS功能.本文在模擬中，選取太陽高度角、太陽方位角和垂直立面太陽輻射強度作為變量，通過Energy Runtime Language將太陽直射光入射位置、垂直立面輻射強度與EC玻璃窗之間的關(guān)系編寫成控制語句，實現(xiàn)了對EC窗的動態(tài)控制.其中關(guān)于太陽直射光入射位置的判斷如圖3所示，首先根據(jù)幾何方法計算獲得太陽直射光落在每層玻璃時的太陽高度角和方位角；然后根據(jù)設定的人眼垂直視角(45°)，水平視角(120°)以及人眼位置計算人眼視野與窗戶重合范圍即可確定太陽直射光進入人眼視野時的入射位置，如表3所示.

表3 太陽直射光通過各層玻璃進入人眼視野的角度范圍

圖3 太陽直射光線位置判斷示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 實驗結(jié)果與分析

3.1.1 采光模型驗證

本文通過EC窗采光實驗，驗證了所建立的采光模型的準確性，探究了夏季EC窗調(diào)控方式與垂直立面太陽輻射強度關(guān)系，得到了分層控制下新的垂直立面輻射強度控制閾值，從而提出了夏季以垂直立面太陽輻射強度為控制參數(shù)的EC窗分層控制策略.最后通過模擬對比了采用EC窗(分層控制策略和整體控制策略)和普通玻璃窗的建筑能耗.

圖4(a)展示了2021年6月4日至6月7日EC玻璃窗整體控制，玻璃狀態(tài)分別為S1、S4、S3、S2四種狀態(tài)時實驗和模擬的采光點照度，可見EC窗模擬照度和實驗測試照度吻合度較好，最大相對誤差不超過15%.如圖4(b)所示，四種狀態(tài)下模擬與實測DGP基本保持一致.由此可見，本文建立的窗戶模型和采光模型準確可靠.

圖4 EC玻璃窗采光點照度、DGP的實測和模擬對比圖

3.1.2 垂直立面輻射強度與EC玻璃調(diào)控策略的關(guān)系

實驗于2021年7月6日至28日，晴朗天氣下進行，共17日.表4和圖5分別展示了7月16日和17日9∶00～10∶00和12∶10～14∶00玻璃調(diào)控方式、天氣情況以及采光實驗結(jié)果.

表4 7月16日和7月17日EC窗調(diào)控方式

如圖5(b)所示，7月16日與7月17日9∶35～10∶00的垂直立面輻射強度相差較小，但此時7月16日相較于7月17日的采光點照度和DGP均過高，產(chǎn)生了不適眩光，說明太陽直射光不在人眼內(nèi)時EC窗中層玻璃著色對采光的調(diào)控效果優(yōu)于上層玻璃著色；12∶10以后太陽直射光出現(xiàn)在窗戶上，此時7月16日的垂直立面太陽輻射大部分時間高于7月17日，但其所營造的室內(nèi)光環(huán)境卻優(yōu)于17日，說明此天氣條件下調(diào)節(jié)EC窗中下層為S2狀態(tài)更為合適.如圖5所示，7月17日采光點照度及DGP與其垂直立面太陽輻射強度變化趨勢相似，而7月16日將EC窗中層調(diào)至S2時明顯改善了室內(nèi)光環(huán)境，這種分層控制玻璃狀態(tài)能夠具有針對性地改善室內(nèi)光環(huán)境，從而滿足視覺舒適需求.

圖5 7月16日和17日采光實驗結(jié)果

如圖5所示，7月16日12∶10的室內(nèi)采光點照度為1 956 lux,DGP為0.34，滿足室內(nèi)采光要求.此時垂直立面太陽輻射強度為189 W/m2,窗戶狀態(tài)為中下層S2，上層透明.太陽高度角和方位角分別為75.5°和121.3°，據(jù)表3可將其歸為太陽直射光僅透過下層窗.按照上述過程篩選出實驗結(jié)果中所有滿足采光點照度不超過2 000 lux且DGP不大于0.35的時刻點，并記錄對應時刻的垂直立面太陽輻射強度和窗戶所處狀態(tài)；再按照各時刻的太陽高度角和方位角，依據(jù)表3將其分成太陽直射光不在視野范圍、太陽直射光透過中下兩層窗和太陽直射光僅透過下層窗三類；最終篩選統(tǒng)計得到了垂直立面輻射強度與EC窗分層控制的關(guān)系，如表5所示.

表5 玻璃狀態(tài)和垂直立面太陽輻射的對應關(guān)系

當垂直立面輻射強度小于70 W/m2，無論太陽直射光位置如何，EC玻璃窗處于S1狀態(tài)均可滿足采光和眩光需求，由于太陽直射光未照射到南立面或者受到較厚云層遮擋使南立面垂直太陽輻射強度較小，因此，EC窗處于透明態(tài)即可滿足視覺舒適要求.而隨著垂直立面太陽輻射強度增大，即使太陽直射光線未出現(xiàn)在視野中，EC玻璃也需調(diào)整著色狀態(tài)才能滿足采光要求，即當垂直立面輻射強度處于70～110 W/m2時，需將中層玻璃調(diào)至S4狀態(tài)；在110～140 W/m2時，將下層玻璃調(diào)至S4狀態(tài)；超過140 W/m2時，將中下兩層玻璃調(diào)至S2狀態(tài).從上述垂直立面輻射強度與對應的EC窗調(diào)控方式不難發(fā)現(xiàn)，EC窗中層著色和下層著色所對應的垂直立面輻射強度閾值不相同，這是由于采光點及人眼位置與下層窗平行，相同條件下，下層窗著色比中層著色使采光點照度及DGP更低.太陽直射光出現(xiàn)在視野時，當太陽直射光透過中下兩層窗且垂直立面輻射強度為：70～210 W/m2，需將中下兩層玻璃調(diào)至S2狀態(tài)；超過210 W/m2時，需將中下兩層玻璃調(diào)至S3狀態(tài).而當太陽直射光僅通過下層窗且垂直立面輻射強度為：70～120 W/m2時，需將下層窗調(diào)至S4狀態(tài)；120～250 W/m2時，需將中下兩層窗調(diào)至S2；超過250 W/m2時，需將中下兩層窗調(diào)至S3狀態(tài).太陽直射光線出現(xiàn)在中下兩層窗與僅出現(xiàn)在下層窗時EC窗調(diào)整狀態(tài)不同的主要原因在于太陽直射光透過中下兩層窗時比僅透過下層窗時的太陽高度角較低，進入室內(nèi)的太陽直射光更多且落點靠近采光點和人眼位置.

根據(jù)表5進一步提出了夏季EC窗分層控制策略，如圖6所示.首先判斷垂直立面輻射強度是否超過70 W/m2，未超過則將EC窗調(diào)至透明態(tài)，若超過則繼續(xù)判斷太陽直射光是否出現(xiàn)在人眼視野內(nèi)，當未出現(xiàn)在人眼視野時，則依據(jù)其對應的室外垂直立面輻射強度閾值調(diào)整EC窗狀態(tài)；若出現(xiàn)在人眼視野時，則進一步判斷太陽直射光入射位置為中下兩層窗還是僅下層窗，再根據(jù)其分別對應的垂直立面太陽輻射強度閾值對EC窗進行調(diào)控.

圖6 夏季EC玻璃分層控制策略

3.2 模擬結(jié)果與分析

本文對采用分層控制策略的EC窗的能耗進行了模擬，并與整體控制策略以及普通窗進行了對比.本文在模擬時，選取太陽高度角和方位角以及垂直立面太陽輻射強度作為變量，使用EnergyPlus軟件自帶的EMS實現(xiàn)對EC窗的動態(tài)控制.

如圖7所示，夏季普通窗的照明能耗僅為0.04 kW·h，而分層控制和整體控制策略下EC窗產(chǎn)生的照明能耗分別為2.22 kW·h和19.82 kW·h.可以發(fā)現(xiàn)，EC窗采用整體控制時減少進入室內(nèi)的太陽輻射熱的同時遮擋了大量可見光，從而增加了照明能耗.相比于普通窗戶，EC窗使用分層控制策略時的照明能耗有所增加但空調(diào)能耗減少了48.21 kW·h；EC窗采用分層控制時雖比整體控制增加了12.95 kW·h的空調(diào)能耗，但減少了17.6 kW·h的照明能耗.整體而言，采用分層控制策略的EC窗與普通玻璃窗和整體控制策略相比，總能耗分別減少了20.4%和2.5%，具有較好的節(jié)能效果.

圖7 EC玻璃窗與普通玻璃窗能耗對比圖

4 結(jié)論

本文基于EC窗的采光實驗結(jié)果首先驗證了其采光模型的準確性，接著對夏季EC窗調(diào)控方式與垂直立面太陽輻射強度的關(guān)系進行了研究，得到了EC窗調(diào)控狀態(tài)與垂直立面太陽輻射強度閾值的對應關(guān)系并提出了夏季EC窗分層控制策略.最后，對新提出的分層控制策略進行了能耗模擬，并與整體控制策略和普通玻璃窗對比.具體結(jié)論如下：

(1)夏季當垂直立面輻射強度小于70 W/m2時，EC窗整體處于透明態(tài)即可滿足室內(nèi)光環(huán)境需求；而隨著垂直立面太陽輻射增大，則需根據(jù)太陽直射光入射位置以及垂直立面太陽輻射強度閾值來改變窗戶狀態(tài)以滿足室內(nèi)光環(huán)境需求；

(2)當太陽直射光不在人眼視野時，較低窗層著色比較高窗層著色對控制室內(nèi)光環(huán)境更為有效.中、下層窗著色能遮擋更多落到采光點的光線；

(3)當太陽直射光位置處在人眼視野內(nèi)，太陽直射光入射位置不同對室內(nèi)采光的影響不同.入射位置為僅下層窗要比中下兩層窗對室內(nèi)照度及眩光影響更??；

(4)相較于普通玻璃窗，使用分層控制策略的EC窗能有效降低進入室內(nèi)的太陽輻射熱，節(jié)省了20.4%的總能耗；與整體控制策略相比，分層控制策略更大程度地利用了天然采光，減少了2.5%的總能耗.

本文基于采光實驗從采光和視覺舒適角度對EC窗分層控制策略的參數(shù)閾值進行了優(yōu)化，在營造舒適室內(nèi)光環(huán)境的同時降低了能耗.該研究方法為不同季節(jié)、不同氣候條件下的EC玻璃窗的分層控制研究提供了借鑒.