光致變色玻璃的光熱性能研究*

華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 毛會軍 孟慶林

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，建筑能耗不斷攀升。根據(jù)清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心發(fā)布的《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020》，我國2019年的建筑能源消費(fèi)總量為10億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占社會總能耗的22%[1]。另有研究表明，約50%的圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量是由玻璃窗戶散熱或得熱導(dǎo)致的[2]。為了降低建筑外窗散失的能量，吸熱玻璃[3]、Low-E玻璃[4]、涂膜玻璃[5-6]等新型節(jié)能玻璃相繼出現(xiàn)，上述玻璃的可見光透射比和遮蔽系數(shù)變化范圍分別約為35%～73%、0.31～0.65，從而極大提高了建筑外窗的遮陽與節(jié)能性能。但是，上述傳統(tǒng)節(jié)能外窗僅對太陽光線、熱輻射或者熱對流起阻隔作用，無法自主調(diào)節(jié)自身光譜特性以適應(yīng)外界條件的變化，從而調(diào)控室內(nèi)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能[7]。

因此，集節(jié)能、調(diào)光、裝飾等優(yōu)點(diǎn)于一體的變色節(jié)能玻璃應(yīng)運(yùn)而生[8-9]。變色節(jié)能玻璃由玻璃等透明基材和調(diào)光材料組成，調(diào)光材料在特定刺激下(溫度、電場、光照等)會發(fā)生化學(xué)或物理變化，改變其特定波段的太陽光透射比、反射比，進(jìn)而調(diào)整進(jìn)入室內(nèi)的光強(qiáng)和熱量，實(shí)現(xiàn)調(diào)控室內(nèi)環(huán)境和節(jié)能的目的。變色節(jié)能玻璃根據(jù)變色原理可分為熱致變色玻璃、電致變色玻璃、光致變色玻璃及氣致變色玻璃4類[10]。其中，光致變色玻璃是指受紫外線或日光照射后，在可見光譜區(qū)產(chǎn)生光吸收而自動變色，光照停止后又可逆地自動恢復(fù)到初始透明狀態(tài)的玻璃。相較于其他3類變色玻璃，光致變色玻璃能夠直接感知建筑外窗能耗的主要影響因素——太陽輻射的變化，并且具有性能隨太陽輻射可變的特點(diǎn)。此外，光致變色玻璃變色前可見光透射比可達(dá)70%且遮蔽系數(shù)約0.50，變色后則分別降至40%、0.42，其光熱性能比傳統(tǒng)節(jié)能玻璃更優(yōu)。其應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外涌現(xiàn)出諸多關(guān)于其制備、合成等相關(guān)研究[11-15]。

作為光致變色玻璃的核心，光致變色材料可分為有機(jī)和無機(jī)變色材料。與有機(jī)材料相比，無機(jī)變色材料具有抗老化性能強(qiáng)、變色持續(xù)時間長、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[16-17]。然而，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于無機(jī)光致變色玻璃的研究多探究組分、結(jié)構(gòu)、熱處理溫度等因素對其光熱性能的影響[18-20]，針對實(shí)際應(yīng)用中遇到的太陽輻照度、照射時間等外部因素則研究較少。此外，目前尚無針對光致變色玻璃光熱性能的測試標(biāo)準(zhǔn)或方法，使生產(chǎn)廠家、檢測機(jī)構(gòu)及使用單位面臨無法可依的局面，從而對相關(guān)行業(yè)的發(fā)展形成阻礙。

針對上述研究的不足之處，本文以常用的AgS無機(jī)光致變色玻璃為研究對象，測試了其在不同輻照度和照射時間下的透射比與反射比，并計算了該光致變色玻璃在不同照射時間下的遮蔽系數(shù)，進(jìn)而擬合了照射時間與遮蔽系數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為掌握無機(jī)光致變色玻璃光熱特性、促進(jìn)相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)出臺及科學(xué)應(yīng)用光致變色玻璃提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 測試材料

由于鹵化銀光致變色玻璃具有優(yōu)良的可逆變色性能和抗疲勞性能，因此本文選取常見的單層AgS無機(jī)光致變色玻璃作為測試對象。該光致變色玻璃采用貼膜法進(jìn)行制備，分別由基層玻璃和變色薄膜兩部分組成?；鶎硬Ａе饕煞譃镾iO2，通過溶膠-凝膠合成法制備而成；變色薄膜主要成分為AgS，貼于基層玻璃內(nèi)側(cè)表面。

為了方便在分光光度計內(nèi)安裝并進(jìn)行測試，上述單層AgS無機(jī)光致變色玻璃截面尺寸為100 mm×100 mm，厚度為6 mm，測試環(huán)境溫度為(25.0±1.0)℃。

根據(jù)GB/T 2680—94《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關(guān)窗玻璃參數(shù)的測定》的要求[21]，測試參數(shù)主要包括該無機(jī)光致變色玻璃在280～2 500 nm波長范圍內(nèi)的透射比、室外側(cè)反射比(光線由室外側(cè)射入室內(nèi)側(cè)條件下)、玻璃室內(nèi)側(cè)的半球輻射率，以及玻璃受到的輻照度與照射時間。

測試所用的主要儀器及型號規(guī)格如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及規(guī)格型號

1.2 測試方法

為了探究光致變色玻璃的光熱性能隨輻照度的變化規(guī)律，將玻璃試件放置在不同輻照度的太陽光下進(jìn)行照射。實(shí)驗(yàn)中所需太陽光通過太陽光氙燈模擬器產(chǎn)生，其輻照度范圍為0～1 000 W/m2，利用自帶的調(diào)光器進(jìn)行多級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)間隔為50 W/m2?？紤]到玻璃外窗實(shí)際接收到的太陽輻照度范圍與時長分布情況，將輻照度分為4組，分別為200、400、600、800 W/m2。同時，借鑒張麒的實(shí)驗(yàn)做法[22]，保持照射時間2 min不變，將玻璃試件置于上述4組不同輻照度的太陽光下進(jìn)行照射并觀察顏色變化。照射2 min后取回玻璃試件并立即測試其透射比、反射比等相關(guān)參數(shù)，避免玻璃試件復(fù)明影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。據(jù)統(tǒng)計，實(shí)驗(yàn)所采取的玻璃試件的復(fù)明時間約為3～4 min，而完成玻璃光熱參數(shù)測試所需的時間為12 s左右。因此，玻璃光熱參數(shù)測試所需時間對其復(fù)明過程的影響較小。

為了確定光致變色玻璃光熱性能與照射時間之間的關(guān)系，將玻璃試件放置在同一輻照度的太陽光下進(jìn)行不同時長的照射。選擇800 W/m2作為測試期間的太陽輻照度，原因在于800 W/m2是玻璃外窗在真實(shí)環(huán)境中接收到的較為極端的太陽輻照度，從而使測試結(jié)果具有一定的代表性。此外，參考GB/T 9105—1988《光致變色玻璃眼鏡片毛坯》關(guān)于照射時間和復(fù)明時間的要求[23]，將照射時間粗分為3個大組，分別為1～4 min、4～10 min及10～15 min。同時在3個大組的基礎(chǔ)上細(xì)分為9個小組，并遵循以下分布規(guī)律：1～4 min內(nèi)分布較密集、4～10 min內(nèi)分布均勻適中、10～15 min內(nèi)分布較松散，9個小組分別為1、1.5、2、4、6、8、10、12、15 min。

基于該單層AgS無機(jī)光致變色玻璃在上述不同工況下測得的透射比、反射比，計算以下參數(shù)：

1) 可見光透射比。

(1)

式中τv為試件的可見光透射比；Dλ為標(biāo)準(zhǔn)照明體D65的相對光譜功率分布，見文獻(xiàn)[21]；τ(λ)為試件的可見光光譜透射比；V(λ)為明視覺光譜光視效率；λ為波長，nm；Δλ為波長間隔，此處為10 nm。

2) 可見光反射比。

(2)

式中ρv為試件的可見光反射比；ρv(λ)為試件的可見光光譜反射比。

3) 太陽光直接透射比τe。

(3)

式中Sλ為太陽光輻射相對光譜分布，見文獻(xiàn)[21]。

4) 太陽光直接反射比ρe。

(4)

式中ρs(λ)為試件的太陽光光譜反射比。

5) 太陽光直接吸收比αe。

αe=1-τe-ρe

(5)

6) 太陽能總透射比g。

(6)

式中εi為半球輻射率，該試件取0.86。

7) 遮蔽系數(shù)Se。

(7)

式中τs為3 mm厚的普通透明平板玻璃的太陽能總透射比，其理論值取88.9%。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照度對光熱性能的影響

圖1、2分別顯示了玻璃試件以輻照度200、400、600、800 W/m2照射后的透射比、反射比的變化。結(jié)果顯示：4種照射工況下玻璃的透射比、反射比曲線均接近一致，說明輻照度這一外部因素對無機(jī)光致變色玻璃的光熱性能基本無影響；同時，該無機(jī)光致變色玻璃照射前與照射后的透射比存在明顯差異，而反射比基本無差異，說明光線照射對無機(jī)光致變色玻璃透射比的影響遠(yuǎn)大于反射比。

此外，無機(jī)玻璃試件不同輻照度下透射比、反射比基本無變化，這一結(jié)果與有機(jī)光致變色玻璃的變色規(guī)律存在差異：前人研究結(jié)果表明，隨著輻照度增大，有機(jī)光致變色玻璃的可見光透射比會降低，即顏色會由淺變深；反之，當(dāng)輻照度減小時，其可見光透射比會增大，顏色由深變淺，進(jìn)行褪色反應(yīng)[22]。

上述差異源于無機(jī)與有機(jī)光致變色玻璃的變色原理不同，前者為銀原子與鹵原子之間的電子交換，后者則為化學(xué)鍵異裂引起的分子結(jié)構(gòu)變化[16]。對于無機(jī)變色玻璃，在光線照射后，不穩(wěn)定電子離開鹵離子，與銀離子結(jié)合為金屬銀，玻璃變深色。激發(fā)變色之后，光線強(qiáng)弱不再對電子交換過程產(chǎn)生影響，所以輻照度對其無影響；而對于有機(jī)變色玻璃，在光線照射下，諸如C—O鍵吸收能量發(fā)生異裂引起結(jié)構(gòu)變化，在可見光區(qū)產(chǎn)生吸收峰，從而由無色透明變?yōu)樯钌］椪斩茸兓?，化學(xué)鍵吸收的能量變化，其異裂過程隨之而變。

2.2 照射時間對光熱性能的影響

選取照射時間1、4、10 min對應(yīng)的透射比及反射比進(jìn)行分析，原因在于上述3個照射時間能夠各自代表測試過程中劃分的3個大組照射時間。如圖3、4所示，太陽光照射后，光致變色玻璃只在可見光譜區(qū)發(fā)生透射比、反射比的變化，而在其他光譜區(qū)基本無變化，說明太陽光照射只影響光致變色玻璃可見光區(qū)的光譜特性。

具體而言，圖3表明隨著照射時間變長，玻璃在可見光譜區(qū)的透射比逐漸增大，但始終小于未照射時的透射比，其透射比最大差值可達(dá)37%。與透射比變化規(guī)律類似，隨著照射時間變長，玻璃在可見光譜區(qū)的反射比也逐漸增大，但是其變化值較小，僅為2%，如圖4所示。

基于上述光譜數(shù)據(jù)，在不同照射時間下該無機(jī)光致變色玻璃的可見光透射比、反射比及吸收比的計算結(jié)果見表2。結(jié)果顯示隨著照射時間變長，無機(jī)光致變色玻璃主要變化的參數(shù)是可見光透射比和吸收比，具體規(guī)律為透射比由41.0%增大至70.5%，吸收比由51.4%減小至19.4%，兩者變化值均在30%左右；反射比也有一定程度的增大，但變化值較小。上述規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證了光致變色玻璃的變色機(jī)理，即受紫外線或日光照射后在可見光譜區(qū)產(chǎn)生光吸收而自動變色[10]。

表2 玻璃在不同照射時間下的光譜參數(shù) %

3 遮蔽系數(shù)與照射時間的關(guān)系

表3給出了該無機(jī)光致變色玻璃在不同照射時間下的太陽能總透射比與遮蔽系數(shù)的計算結(jié)果，遮蔽系數(shù)越小，表明窗玻璃阻擋太陽向室內(nèi)直接輻射熱量的性能越好。由表3可知，無機(jī)光致變色玻璃隨著照射時間變長，其遮蔽系數(shù)Se持續(xù)增大并趨于穩(wěn)定，但始終小于照射前的初始值0.560。相較于該初始值，照射后的遮蔽系數(shù)最大降低幅度可達(dá)11.3%，說明該光致變色玻璃經(jīng)太陽光照射后具有較好的遮陽隔熱效果。

表3 玻璃在不同照射時間下的太陽能總透射比g與遮蔽系數(shù)Se

為了快速、準(zhǔn)確地預(yù)測此類無機(jī)光致變色玻璃光熱性能隨照射時間的變化規(guī)律，從而為分析其傳熱過程等方面提供參考，如圖5所示，采用多項式回歸方程擬合了遮蔽系數(shù)與照射時間之間的經(jīng)驗(yàn)公式，具體表達(dá)為

圖5 光致變色玻璃遮蔽系數(shù)與照射時間的擬合曲線

Se=0.481 93-0.003 71t+0.001 36t2-

0.038 36t3(R2=0.994)

(8)

式中t為試件在太陽光下的照射時間，min。

對經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行回歸分析，相關(guān)系數(shù)R2=0.994，說明公式的擬合程度較高。由于該經(jīng)驗(yàn)公式是基于測試參數(shù)擬合而成，故其使用范圍為：無機(jī)光致變色玻璃受太陽光照射時間在1～15 min以內(nèi)。從該經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，當(dāng)照射時間在6～10 min內(nèi)時，玻璃的遮蔽系數(shù)隨照射時間t的變化率最大；當(dāng)照射時間在10～15 min內(nèi)時，t越大，遮蔽系數(shù)的變化率越小，趨于穩(wěn)定。

該經(jīng)驗(yàn)公式提出的意義在于：首先，由于建筑室外實(shí)際的太陽輻射并非逐時變化，而是連續(xù)變化，在多云天氣頻繁出現(xiàn)的地區(qū)，外窗接收到的太陽輻射時有時無、時強(qiáng)時弱，本文的結(jié)論可以為準(zhǔn)確分析光致變色玻璃在上述典型天氣下多次變暗與復(fù)明對室內(nèi)光熱環(huán)境的影響提供依據(jù)，其非穩(wěn)態(tài)傳熱方程正在建立中；其次，目前關(guān)于光致變色玻璃的檢測標(biāo)準(zhǔn)較少，僅有GB/T 9105—1988《光致變色玻璃眼鏡片毛坯》與GB 10810.3—2006《眼鏡鏡片及相關(guān)眼鏡產(chǎn)品+透射比規(guī)范及測量方法》兩部，且其中關(guān)于變色性能的測試參數(shù)主要是復(fù)明時間和540～560 nm范圍內(nèi)的透射比，而不測試全波長的透射比、反射比及太陽輻射透過率、遮蔽系數(shù)等建筑玻璃極為關(guān)注的參數(shù)。上述標(biāo)準(zhǔn)不能完全用于指導(dǎo)建筑用變色玻璃的測試。因此，分析光致變色玻璃光熱性能的非穩(wěn)態(tài)特征，有利于為建筑用光致變色玻璃的性能測試提供參考。

此外，根據(jù)遮蔽系數(shù)隨照射時間的變化規(guī)律，可以預(yù)測隨著照射時間的增長(t>15 min)，無機(jī)光致變色玻璃的遮蔽系數(shù)會不斷增大并趨于一個小于初始值的穩(wěn)定數(shù)值，即相對于未照射的工況，其始終具有更佳的遮陽隔熱效果，存在一定的節(jié)能潛力。

4 結(jié)論

本文以AgS無機(jī)光致變色玻璃為研究對象，測試了其在不同輻照度和照射時間下的透射比與反射比，計算了該變色玻璃在不同照射時間下的遮蔽系數(shù)，并擬合了遮蔽系數(shù)與照射時間之間的經(jīng)驗(yàn)公式，得到以下結(jié)論：

1) 輻照度對有機(jī)光致變色玻璃的光熱性能具有較大影響，而對無機(jī)光致變色玻璃的光熱性能則基本無影響，2種玻璃的變色規(guī)律存在差異。

2) 隨著照射時間變長，無機(jī)光致變色玻璃的可見光透射比與吸收比有較大變化，透射比增大、吸收比減??；反射比也有一定程度的增大，但變化值較小。另外，照射后的可見光透射比始終小于照射前的可見光透射比。

3) 與照射前的遮蔽系數(shù)相比，無機(jī)光致變色玻璃照射后的遮蔽系數(shù)最大降低幅度可達(dá)11.3%，并且隨著照射時間變長逐漸增大并趨于穩(wěn)定，但始終小于未照射工況下的遮蔽系數(shù)。