華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室 毛會軍 孟慶林

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，建筑能耗不斷攀升。根據(jù)清華大學建筑節(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年的建筑能源消費總量為10億t標準煤，約占社會總能耗的22%[1]。另有研究表明，約50%的圍護結構耗熱量是由玻璃窗戶散熱或得熱導致的[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，無法自主調節(jié)自身光譜特性以適應外界條件的變化，從而調控室內環(huán)境并實現(xiàn)高效節(jié)能[7]。

因此，集節(jié)能、調光、裝飾等優(yōu)點于一體的變色節(jié)能玻璃應運而生[8-9]。變色節(jié)能玻璃由玻璃等透明基材和調光材料組成，調光材料在特定刺激下(溫度、電場、光照等)會發(fā)生化學或物理變化，改變其特定波段的太陽光透射比、反射比，進而調整進入室內的光強和熱量，實現(xiàn)調控室內環(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)產生光吸收而自動變色，光照停止后又可逆地自動恢復到初始透明狀態(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。此外，光致變色玻璃變色前可見光透射比可達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)。其應用廣泛，國內外涌現(xiàn)出諸多關于其制備、合成等相關研究[11-15]。

作為光致變色玻璃的核心，光致變色材料可分為有機和無機變色材料。與有機材料相比，無機變色材料具有抗老化性能強、變色持續(xù)時間長、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點[16-17]。然而，國內外學者關于無機光致變色玻璃的研究多探究組分、結構、熱處理溫度等因素對其光熱性能的影響[18-20]，針對實際應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準或方法，使生產廠家、檢測機構及使用單位面臨無法可依的局面，從而對相關行業(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)，進而擬合了照射時間與遮蔽系數(shù)之間的經驗公式，為掌握無機光致變色玻璃光熱特性、促進相關測試標準出臺及科學應用光致變色玻璃提供參考依據(jù)。

1 實驗測試

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行制備，分別由基層玻璃和變色薄膜兩部分組成。基層玻璃主要成分為SiO2，通過溶膠-凝膠合成法制備而成；變色薄膜主要成分為AgS，貼于基層玻璃內側表面。

為了方便在分光光度計內安裝并進行測試，上述單層AgS無機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)主要包括該無機光致變色玻璃在280～2 500 nm波長范圍內的透射比、室外側反射比(光線由室外側射入室內側條件下)、玻璃室內側的半球輻射率，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 實驗儀器及規(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行照射。實驗中所需太陽光通過太陽光氙燈模擬器產生，其輻照度范圍為0～1 000 W/m2，利用自帶的調光器進行多級調節(jié)，調節(jié)間隔為50 W/m2?？紤]到玻璃外窗實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，借鑒張麒的實驗做法[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、反射比等相關參數(shù)，避免玻璃試件復明影響測試結果的準確性。據(jù)統(tǒng)計，實驗所采取的玻璃試件的復明時間約為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系，將玻璃試件放置在同一輻照度的太陽光下進行不同時長的照射。選擇800 W/m2作為測試期間的太陽輻照度，原因在于800 W/m2是玻璃外窗在真實環(huán)境中接收到的較為極端的太陽輻照度，從而使測試結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》關于照射時間和復明時間的要求[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個大組的基礎上細分為9個小組，并遵循以下分布規(guī)律：1～4 min內分布較密集、4～10 min內分布均勻適中、10～15 min內分布較松散，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為標準照明體D65的相對光譜功率分布，見文獻[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[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光致變色玻璃的光熱性能基本無影響；同時，該無機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光致變色玻璃透射比的影響遠大于反射比。

此外，無機玻璃試件不同輻照度下透射比、反射比基本無變化，這一結果與有機光致變色玻璃的變色規(guī)律存在差異：前人研究結果表明，隨著輻照度增大，有機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，當輻照度減小時，其可見光透射比會增大，顏色由深變淺，進行褪色反應[22]。

上述差異源于無機與有機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，后者則為化學鍵異裂引起的分子結構變化[16]。對于無機變色玻璃，在光線照射后，不穩(wěn)定電子離開鹵離子，與銀離子結合為金屬銀，玻璃變深色。激發(fā)變色之后，光線強弱不再對電子交換過程產生影響，所以輻照度對其無影響；而對于有機變色玻璃，在光線照射下，諸如C—O鍵吸收能量發(fā)生異裂引起結構變化，在可見光區(qū)產生吸收峰，從而由無色透明變?yōu)樯钌?。輻照度變化，化學鍵吸收的能量變化，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對應的透射比及反射比進行分析，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光致變色玻璃的可見光透射比、反射比及吸收比的計算結果見表2。結果顯示隨著照射時間變長，無機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)律進一步驗證了光致變色玻璃的變色機理，即受紫外線或日光照射后在可見光譜區(qū)產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)與照射時間的關系

表3給出了該無機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)的計算結果，遮蔽系數(shù)越小，表明窗玻璃阻擋太陽向室內直接輻射熱量的性能越好。由表3可知，無機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11.3%，說明該光致變色玻璃經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、準確地預測此類無機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驗公式，具體表達為

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。

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

該經驗公式提出的意義在于：首先，由于建筑室外實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、時強時弱，本文的結論可以為準確分析光致變色玻璃在上述典型天氣下多次變暗與復明對室內光熱環(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，目前關于光致變色玻璃的檢測標準較少，僅有GB/T 9105—1988《光致變色玻璃眼鏡片毛坯》與GB 10810.3—2006《眼鏡鏡片及相關眼鏡產品+透射比規(guī)范及測量方法》兩部，且其中關于變色性能的測試參數(shù)主要是復明時間和540～560 nm范圍內的透射比，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)等建筑玻璃極為關注的參數(shù)。上述標準不能完全用于指導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，可以預測隨著照射時間的增長(t>15 min)，無機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 結論

本文以AgS無機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驗公式，得到以下結論：

1) 輻照度對有機光致變色玻璃的光熱性能具有較大影響，而對無機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，無機光致變色玻璃照射后的遮蔽系數(shù)最大降低幅度可達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)。