电致变色玻璃窗节能特性分析_梁庆
第2卷 第4期
2008年12月
材 料 研 究 与 应 用
MATERIALSRESEARCHANDAPPLICATION
Vo1.2,No.4Dec.2008
文章编号:167329981(2008)0420470205
电致变色玻璃窗节能特性分析
梁 庆1,2,徐 刚1,徐雪青1
3
(1.中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室,广东广州 510640;
2.中国科学院研究生院,北京 100039)
摘 要:介绍了电致变色玻璃窗的几种控制方式,.结果表明,无论是电致变色/白玻,还是电致变色/Low2E中空玻璃,的能耗,但如果控制方式选用不当,耗.此外,无论在何种控制方式下,采用电致变色/2/白玻中空玻璃.
关键词:电致变色玻璃;;;中图分类号:5. :A
,导致其光学性质也发生变化,从而产生变色的现象.利用电致变色材料的这一特性构造的玻璃窗可以按照人的意愿实现对太阳光的动态调节,这种类型的装置玻璃被称为智能窗或灵巧窗(SmartWindow).目前,国内外很多大学和科研机构均在从事智能窗的研究和开发工作[1214],其中工作的一个重点就是选择适当的控制方式调节太阳光的输入,以达到最大限度地降低建筑的能耗和提高用户的舒适性的目的.本文首先介绍电致变色玻璃窗的控制方式,然后结合某一典型的办公室房间分析比较了在北京地区气候条件下不同的控制方式对建筑照明能耗、供热能耗以及供冷能耗的影响.
1 电致变色玻璃窗控制方式
可以采取两种系统调节电致变色玻璃窗的状态:开/关系统和线性控制系统[9].图1(a)为开/关系统的示意图,当某一控制参数小于转换点I时,电致变色玻璃处于漂白态(bleach),即玻璃是完全透
收稿日期:2008209210
3基金项目:广州市科技攻关计划资助项目(2007Z22D2051)
),男,河南永城人,硕士研究生.作者简介:梁庆(1984—
明的,当该控制参数大于转换点I时,玻璃处于着色
态(coloured),即玻璃完全着色;图1(b)为线性控制系统的示意图,当控制参数小于转换点I及大于转换点DI时,玻璃分别处于漂白态和着色态,而当控制参数处于两者之间时,玻璃的光学性能随控制参数的变化而线性变化.控制参数可以是太阳辐射强度、温度、照度、房间负荷等,也可以是这些参数之间的组合.此外,I和DI也可视为时间点,表示在不同时间段内,玻璃处于不同的状态.
不同类型的控制参数构成了不同的控制方式,这些方式各有其特点.Sullivan[10]研究了美国加利福尼亚某一全年以冷负荷为主的城市发现,当照明负荷为建筑能耗必须考虑的重要组成部分时,以日光照度作为控制参数的转换点能够更好地降低建筑能耗,而当照明负荷可以忽略时,以房间冷负荷作为转换点能够更好地减少房间的太阳辐射得热.Karlsson[11]认为以太阳辐射强度或房间照度与以温度或空间负荷作为转换点相比,前者能够更好地提高人体舒适性.Gugliermetti[9]以太阳辐射强度作为转换点,分析了地中海气候条件下的三个城市分别采用开/关和线性控制系统时建筑能耗情况,结果
第2卷 第4期梁庆,等:电致变色玻璃窗节能特性分析・471・
表明,采用线性控制系统能够提供比开/关系统更好的舒适性,而两种系统所计算出的建筑能耗却相差无几.
为简化计算,本文仅分析在开/关控制系统下选取不同类型参数的控制方式,如时间、温度、太阳辐射强度、照度以及组合参数控制等,建筑能耗的变化情况.具体的控制方式为:
(1)电致变色玻璃全年处于漂白态.(2)电致变色玻璃全年处于着色态.
(3)5月1日～9月30日处于着色态,10月1日～4月30日处于漂白态.
(4)5月1日～9月30日11:00～15:00处于着
色态,其余时间段内均处于漂白态.
(5)设置点的照度小于500lux时处于漂白态,其余照度下均处于着色态.
(6)房间温度达到26℃时处于着色态,其余温度下均处于漂白态.
(7)户外温度高于20℃时处于着色态,反之为漂白态.
(8)窗户上的太阳辐射强度大于350W/m2时处于着色态,反之为漂白态.
(9)户外温度高于20℃并且窗户上的太阳辐射强度大于350W/m2时处于着色态,反之为漂白态
.
图1 电致变色玻璃窗的控制系统[9]
(a)开/关控制系统;(b)线性控制系统
源功率可以根据参考点照度的变化线性可调
.
2 建筑能耗模拟
2.1 建筑模型
模型为北京某幢三层建筑物中的一房间,该房
间的建筑平面图如图2所示,该房间是3.2m高的办公室,其南向窗台高0.75m,窗墙面积比为51.1%,东、西、北向以及上下楼板均与结构相似的
空调房间相邻.建筑维护结构材料列于表1.
室内天花板、墙壁和地板的可见光的反射率分别为70%,70%和35%,热红外的反射率均为90%.光源采用300W的荧光灯,发出的光线中可见光占37%、热红外光占18%,其余能量通过对流形式直接散发到房间空气中.照度参考点(500lux)设置在距地板高度0.75m的房间平面的中心,光
图2 建筑平面图
・472・材 料 研 究 与 应 用
表1 建筑材料
2008
外墙/mm外抹白灰砂浆面 25
聚苯板 25混凝土200
内抹水泥砂浆面 20
内墙/mm内抹水泥砂浆 20
砖200
内抹水泥砂浆 20
屋面/mm水泥粗砂焦渣垫层 15聚氨酯涂膜防水层 10聚苯乙烯保温板 25
钢筋混凝土200内抹水泥砂浆 20
楼板/mm
混凝土200
内抹水泥砂浆 20
地面/mm混凝土 200
2.2 玻璃窗性能参数
+6mm白玻,2号玻璃窗的组成结构为6mm电致
玻璃窗的性能参数由窗户性能分析软件WIN2
DOW5.0[15]计算得到,结果列于表2,其中1号玻璃窗的组成结构为6mm电致变色玻璃+13mm空气
变色玻璃+13mm空气+6mmLow2E玻璃,电致变色玻璃、白玻、Low2E文献[16].
表2 玻璃窗类型
12ECLow2EECcolored/Low2E
(-267
2.671.771.77
/%
73216215
可见光透过率/%
75
117211
2.3 模拟软件及计算条件
由此导致房间的冷负荷与其它几种控制方式相比也不是最小的.
使用EnergyPlus[17]软件计算,模拟时间为每天8:00～18:00,空气渗透量假定为0.25ACH,不考虑人员及除荧光灯以外的其它设备的散热,采用国际典型气象年(IWEC)数据,空调温度设定为26℃,采暖温度设定为20℃.
3 计算结果与分析
图3为1号玻璃窗和2号玻璃窗在各种控制方式下房间的照明负荷、热负荷和冷负荷,其中控制方式1与2为电致变色玻璃的两种极端状态,此时电致变色玻璃分别相当于普通白玻璃、热吸收玻璃.由于在方式1下玻璃的太阳得热系数和可见光透过率全年都处于极大值,因此可以保证全年有最低的照明和热负荷,但也由此造成了较高的冷负荷.方式2虽然太阳得热系数全年都处于最小值,但由于可见光透过率也处于最小值,因此,其照明负荷也较高,而照明负荷的增加,使光源对外散失的热量也增加,
图3 不同控制方式下房间的照明负荷、热负荷和冷负荷
(a)1号玻璃窗;(b)2号玻璃窗
第2卷 第4期梁庆,等:电致变色玻璃窗节能特性分析・473・
图4 电致变色/白玻在不同控制方式下房间的耗电量
(a)某中央空调系统(εε,c=2.3);(b)某空调热泵系统(,c=3.49
)h=1.9εh=4.0ε
电致变色/Low2E玻璃在不同控制方式下房间的耗电量
)某中央空调系统(εε,c=2.3);(b)某空调热泵系统(,c=3.49)h=1.9εh=4.0ε
为了比较各种控制方式的综合性能,利用公式
E=W+
的节能效果是电致变色/Low2E玻璃的高,如在两种空调系统中均采用控制方式9,电致变色/Low2E玻璃比电致变色/白玻分别节能9.0%和7.5%.
除上述几种控制方式外,电致变色玻璃窗还可以采用更复杂的控制方式,如PID和神经模糊控制[12213]等.另外,为提高窗户的性能,还可以在窗户外辅以必要的遮阳措施[9,14].电致变色玻璃窗究竟采用何种控制方式才能够获得最佳的节能效果和人体舒适度,不仅与电致变色材料自身的性质有关,同时也与建筑物的结构、功能以及所在地的气候特点等因素相关,选择控制方式时必须结合这些因素进行综合考虑.参考文献:
[1]张金伟,刁训刚,马荣,等.ZAO/WO3/PAMPS/ZAO全
εh
+
εc
把照明负荷、热负荷和冷负荷全部
折合为耗电量,式中E为耗电量,W,Qh和Qc分别为照明负荷,热负荷和冷负荷,εh和εc分别为房间热力系统的采暖能效比和制冷能效比.从图4和图5可以看出,虽然采用的空调设备的能效比不同,但
由于方式9同时兼顾了照明、采暖和供冷,所消耗的电力在9种控制方式中是最小的,与方式1和2相比,电致变色/白玻在(a)系统下分别节能7.9%和36.3%,在(b)系统下节能8.6%和43.0%;电致变色/Low2E玻璃在(a)系统下分别节能10.7%和68.9%,在(b)系统下节能11.4%和88.1%.控制方
式3,5,7和8的耗电量高于方式1,说明如果控制方式选用不当,采用了电致变色玻璃窗的能耗反而会高于普通白玻.另外,在控制方式3和7中,冷、热负荷的耗电总量是所有方式中最小的,说明如果对照明的要求不高,选用这两种控制方式是比较合适的.
此外,虽然电致变色/Low2E玻璃的照明耗电量都比相应的控制方式下电致变色/白玻的高,但总
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510640,China;2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)
Abstract:Thispaperpresentsseveralcontrolstrategiesforelectrochromicglazing,andtheeffectofdiffer2entcontrolstrategiesonbuildingenergyconsumptionisemphaticallyanalyzed.TheresultsshowthatthebuildingenergyconsumptioncanbereducedbyusingtheappropriatecontrolstrategiesforeitherEC/clearorEC/Low2Einsulatingglazingunit.However,iftheselectionofcontrolstrategiesisimproper,theener2gyconsumptionwillbehigherthanusingclearglassforusingelectrochromicglazing,Besides,nomatterwhatkindofcontrolstrategies,theperformanceisbetterthanEC/clearinsulatingglazingunitforEC/Low2Einsulatingglazingunit.
Keywords:electrochromicglazing;controlstrategies;buildingenergysaving;performanceanalysis