摘要：通過采用EnergyPlus軟件分別研究了安徽合肥地區(qū)在非空調(diào)環(huán)境下電致變色玻璃窗對(duì)辦公建筑室溫和熱舒適性影響，以及在空調(diào)環(huán)境下，電致變色玻璃窗對(duì)辦公建筑能耗的影響.結(jié)果顯示，在無空調(diào)環(huán)境下，與普通6 mm玻璃窗相比，夏季高溫時(shí)間減少了245 h，全年熱舒適時(shí)間增加了753 h；與Low-E玻璃窗相比，夏季高溫時(shí)間減少了164 h，全年熱舒適時(shí)間增加了333 h.而在有空調(diào)環(huán)境中，電致變色玻璃窗的全年能耗相比于6 mm普通玻璃窗提高了23.9%，相比于Low-E窗提高了7.7%.電致變色玻璃窗可以有效改善室內(nèi)熱環(huán)境、提高室內(nèi)的熱舒適并且可以顯著減少能耗.

關(guān)鍵詞：電致變色玻璃；辦公建筑；室溫；熱舒適性；能耗模擬

中圖分類號(hào)：TU242.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Analysis of Photothermal Environment and Comprehensive"Energy Consumption of Electrochromic Glass"Window Based on Energy Plus

PAN An， JIANG Xiping

（School of Civil Engineering amp; Architecture， Anhui University of"Science amp; Technology， Huainan 232001， China）

Abstract： This paper used EnergyPlus software to study the impact of electrochromic glass windows on room temperature and thermal comfort of office buildings in Hefei， Anhui Province in non-air-conditioned environment; and the impact of electrochromic glass windows on office building energy consumption in air-conditioned environments. The results show that in a non-air-conditioned environment， compared with ordinary 6mm glass windows， the high temperature time in summer is reduced by 245 hours， and the annual thermal comfort time is increased by 753 hours throughout the year; compared with Low-E glass windows， the high temperature time in summer is reduced by 164 hours， and the annual thermal comfort time is increased by 333 hours. While， in an air-conditioned environment， the annual energy consumption of the electrochromic glass windows is 23.9% higher than that of the 6mm ordinary glass windows， and 7.7% higher than that of the Low-E windows. Electrochromic glass windows can effectively improve the indoor thermal environment and the thermal comfort and can significantly reduce energy consumption simultaneously.

Key words： electrochromic glass; office building; room temperature; thermal comfort; energy consumption simulation

在全球經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和供暖與制冷需求上升的推動(dòng)下，全球能源消耗持續(xù)增加，其中20%至40%的能源消耗來自建筑物［1］.作為建筑物最重要的傳熱構(gòu)件，窗戶直接影響著建筑物的性能［2］.由于人們大部分時(shí)間都在室內(nèi)度過，室內(nèi)環(huán)境的熱舒適度日益受到關(guān)注.然而，窗戶會(huì)導(dǎo)致大量能量的散失，例如，在一棟兩層樓的房屋中，30%的墻壁被窗戶所覆蓋，窗戶散失的能量高達(dá)60%.因此，通過改善窗戶性能可以改善室內(nèi)環(huán)境.雙層玻璃窗可以提高熱舒適度并降低能耗.先進(jìn)的窗戶技術(shù)可以提高室內(nèi)熱能和視覺性能［3］.其中，在能效窗技術(shù)方面最具有前景的是應(yīng)用電致變色材料的窗戶，統(tǒng)稱電致變色玻璃窗.電致變色玻璃應(yīng)用于建筑物可以減少制冷和供暖所需的能源消耗，并改善自然光照程度以提高舒適度，因此成為節(jié)能建筑材料的重要發(fā)展方向之一.

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電致變色玻璃進(jìn)行了越來越多的研究.李崢嶸研究了電致變色玻璃在高層居住建筑的熱環(huán)境分析［4］；Dussault等［5］通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，電致變色玻璃窗能夠顯著的影響室內(nèi)的光熱參數(shù)，在減少眩光方面尤為明顯；Fang等［6］分析了電致變色玻璃在不同熱流密度條件下玻璃表面溫度的變化規(guī)律；Jan等［7］通過研究指出電致變色玻璃系統(tǒng)切換到1%的透射率水平，可以在典型的辦公情況下全年相當(dāng)好地減輕眩光.目前更多的主流在于研究電致變色玻璃的性能材料以及非空調(diào)環(huán)境下的室內(nèi)熱環(huán)境和眩光的分析.本文使用Energy Plus軟件研究電致變色玻璃對(duì)比市場(chǎng)流行的Low-E玻璃和6 mm普通玻璃在對(duì)安徽合肥地區(qū)低層辦公建筑在非空調(diào)環(huán)境下熱舒適性及室溫分析；同時(shí)增加了對(duì)在有空調(diào)環(huán)境下全年的能耗影響分析，并結(jié)合所得結(jié)論簡(jiǎn)述電致變色材料未來的發(fā)展.

1模型介紹

1.1電致變色玻璃

電致變色是指在外加電場(chǎng)作用下，使材料發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，從而使材料顏色發(fā)生改變的現(xiàn)象.根據(jù)這一現(xiàn)象而研究出新型智能玻璃-電致變色玻璃［8］.電致變色玻璃（Electronic Glass）一般是在兩層玻璃之間夾有5個(gè)薄膜層，如圖1所示，分別為透明導(dǎo)電層、電致變色層、離子傳導(dǎo)層、離子存儲(chǔ)層及另一透明導(dǎo)電層［9］.普通辦公建筑中，由于外遮陽使用受限，內(nèi)遮陽隔熱效果不明顯，電致變色玻璃集成了傳統(tǒng)的玻璃窗和遮陽設(shè)施的功能，具有較大的應(yīng)用潛力［4］.因此，研究電致變色玻璃對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境和熱舒適的影響具有重要意義（后文電致變色玻璃窗均稱EC窗）.

本文采用了EnergyPlus軟件模擬，分別研究了電致變色玻璃窗、Low-E玻璃窗和普通6 mm白玻璃在非空調(diào)條件下室內(nèi)的空氣平均溫度、PMV的影響以及在空調(diào)條件下室內(nèi)的能耗對(duì)比分析.

1.2模型建立

考慮到太陽照射角度可能對(duì)結(jié)果有所影響，本文分別采用東、南、西、北四個(gè)方向的辦公建筑（模型見圖2）來進(jìn)行模擬［10］，層高3 m，每個(gè)房間尺寸均為3 m×5 m×10 m（高×寬×長(zhǎng)），且各個(gè)朝向有一扇窗戶，窗洞尺寸為 3 m×2 m.本文所研究的三種玻璃窗類型以及玻璃光學(xué)尺寸見表1和表2.

電致變色玻璃窗在冬季變?yōu)闇\色狀態(tài)，其他季節(jié)均為深色狀態(tài).室內(nèi)人員為4人，人員活動(dòng)強(qiáng)度為132 W，室內(nèi)照明功率取10 W/m2，室內(nèi)其余電器功率取15 W/m2.夏季室內(nèi)風(fēng)速設(shè)為0.2 m/s，其余時(shí)間設(shè)為0.1 m/s.氣象資料選用安徽合肥市典型氣象數(shù)據(jù).

2三種類型窗戶在無空調(diào)情況下的室溫及熱舒適影響

室內(nèi)光熱環(huán)境參數(shù)對(duì)人員熱舒適性有重要影響.下文主要選取和熱舒適性相關(guān)的室溫和PMV指標(biāo)，研究窗墻比為0.4的EC窗對(duì)比其余兩種窗戶材料時(shí)，這兩個(gè)指標(biāo)在無空調(diào)狀態(tài)下的變化規(guī)律.

2.1在無空調(diào)情況下不同朝向窗戶對(duì)室溫的影響

在進(jìn)行遮陽模擬之前先對(duì)模型進(jìn)行室溫模擬，模擬結(jié)果如表3所示.從模擬數(shù)據(jù)中可知，在普通6 mm普通白玻璃窗的情況下，西向房間的夏季室溫最高，東向房間次之，南向和北向房間較少.這是因?yàn)槲飨蚍块g在夏季受到的太陽輻射最多，夏季超過28 ℃的高溫時(shí)間比東向房間多了26 h，比南向房間多了58 h，比北向房間多了59 h，往往室內(nèi)溫度較高，在不采用空調(diào)設(shè)備的情況下嚴(yán)重影響房間的熱舒適性，即“西曬”現(xiàn)象.故下文進(jìn)行效果最明顯的西向房間對(duì)于三種窗戶的室溫模擬.

2.2西向房間在不同類型窗戶下的室溫模擬

通過軟件模擬得出無空調(diào)狀態(tài)下6 mm普通玻璃窗、Low-E玻璃窗以及EC窗全年逐時(shí)溫度，見圖3，黑色為6 mm普通玻璃窗，藍(lán)色為L(zhǎng)ow-E玻璃窗，橙色為EC窗.由模擬可知，夏季明顯EC窗房間的室溫整體上小于Low-E窗房間和6 mm普通玻璃窗房間的室溫，而在冬季EC窗室溫整體上高于其他兩種.

在高溫季節(jié)，當(dāng)太陽輻射通過EC窗時(shí)，相較于其他窗戶，其透過的太陽輻射量較低，從而減少了通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的熱量.而當(dāng)沒有太陽輻射時(shí)，EC窗的傳熱系數(shù)較大，有利于室內(nèi)的散熱.在冬季，EC窗一直處于漂白（淺色）狀態(tài)，因此透過窗戶的太陽輻射量較多.當(dāng)室溫較高時(shí)，EC窗發(fā)生變色，太陽輻射的透過量較其他兩種窗戶低，因而通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的熱量減少；而當(dāng)室溫較低時(shí)，EC窗不發(fā)生變色，其太陽輻射的透過量大于其他兩種窗戶.同時(shí)，窗戶的傳熱系數(shù)會(huì)影響房間的散熱或熱損失.室溫是太陽輻射透過量和通過窗戶的散熱量綜合影響的結(jié)果.具體的溫度分布在全年各季節(jié)見表4.從表中可以看出，在夏季超過28 ℃的時(shí)間，EC窗戶比6 mm玻璃窗少了245 h，比Low-E窗戶少了164 h，表明EC窗對(duì)于減小室內(nèi)高溫的效果較為明顯.而在冬季低于16 ℃的時(shí)間，EC窗戶比6 mm玻璃窗少了456 h，比Low-E窗戶少了121 h，表明EC窗對(duì)于減少冬季低溫時(shí)間的效果更為明顯.

2.3無空調(diào)狀態(tài)時(shí)PMV

PMV熱舒適模型是人體體溫調(diào)節(jié)的早期數(shù)學(xué)模型，提出了七級(jí)感覺的指標(biāo)來表示大多數(shù)人對(duì)熱環(huán)境的平均投票值［11］，見表5.當(dāng)PMV=0時(shí)，室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到最佳熱舒適狀態(tài).

室內(nèi)溫度是導(dǎo)致PMV的主要原因，圖4是全年逐時(shí)PMV分布圖.無空調(diào)狀態(tài)下，夏季室內(nèi)溫度較高，6 mm普通玻璃窗房間白天PMV值基本在3以上，室內(nèi)人員處于熱的狀態(tài)；Low-E窗白天PMV值基本在2以上，而EC窗PMV值基本在2以下，夏季時(shí)EC玻璃對(duì)室內(nèi)人員的PMV值的有一定改善作用，具體見表6.

PMV指標(biāo)在（-1，1）之間表示適合人體的熱舒適性指標(biāo).春季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了205 h，提升了15.7％，比Low-E窗房間多了93 h，提升了6.6％；夏季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了238 h，提升了19.5％，比Low-E窗房間多了162 h，提升了12.5％；秋季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了178 h，提升了13.1％，比Low-E窗房間多了71 h，提升了4.8％；冬季EC窗房間熱舒適性比普通6 mm玻璃窗房間多了132 h，提升了17.3％，比Low-E窗房間多了8 h，提升了0.8％.在表中可以看出EC窗房間對(duì)比其余兩個(gè)房間明顯在全年舒適性時(shí)間均有所增加，尤其在春夏兩個(gè)季節(jié)尤為明顯.采用電致變色玻璃窗可以較明顯地改善室內(nèi)熱舒適.

3EC窗相比其他窗在有空調(diào)情況下的能耗對(duì)比分析

為了研究EC窗房間相比其他兩種類型窗戶房間在有空調(diào)的情況下的能耗情況，對(duì)上文西向房間進(jìn)行三種類型窗戶進(jìn)行模擬.氣象資料選取合肥市典型氣象數(shù)據(jù)，夏季空調(diào)啟動(dòng)時(shí)間段為6月1日至10月31日，室溫超過26 ℃自動(dòng)開啟；冬季空調(diào)啟動(dòng)時(shí)間段為12月1號(hào)至2月28日，室溫低于20 ℃自動(dòng)開啟，空調(diào)溫度設(shè)置為26 ℃.模擬結(jié)果見圖5.

從圖5可以明顯看出在有空調(diào)的情況下，裝有EC窗和Low-E窗的房間相比于普通6 mm玻璃窗的節(jié)能效果都有所提升，但EC窗的效果更為顯著.

表7是三個(gè)房間各個(gè)季節(jié)的能耗，通過計(jì)算得知：相比于6 mm普通玻璃窗房間，裝有EC窗的節(jié)能率在四個(gè)季節(jié)分別是25.3%、11.6%、30.6%、32%，全年平均節(jié)能率為23.9%；相比于Low-E玻璃窗房間，EC窗的節(jié)能率在四個(gè)季節(jié)分別是3.9%、8.2%、22.2%、3.7%，全年平均節(jié)能率為7.7%.可以看出，EC窗的節(jié)能效果均有所提升.

4結(jié)論

通過EnergyPlus軟件對(duì)三種窗戶進(jìn)行室溫、舒適性以及能耗模擬得出以下結(jié)論：

（1）在無空調(diào)狀態(tài)下，以最明顯的西向房間為例，全年絕大多數(shù)時(shí)間，電致變色玻璃窗房間的室溫相比于市場(chǎng)較為流行的兩種窗戶房間的室溫均有明顯的改善作用.

相比于6 mm玻璃窗房間室溫低于16 ℃的時(shí)間，春、秋、冬季分別減少了41、36、456 h；16～19 ℃的時(shí)間，秋季和冬季分別增加了36、143 h；19～24 ℃的時(shí)間，春、夏、秋季分別增加了76、32、99 h；24～28 ℃的時(shí)間，夏季和秋季分別增加了213、85 h；對(duì)于高于28 ℃的時(shí)間，夏季和秋季分別減少了245、150 h.

而相比于Low-E玻璃窗房間室溫低于16 ℃的時(shí)間，春季和冬季分別減少了5、121 h；16～19 ℃的時(shí)間，秋季7 h；19～24 ℃的時(shí)間，春、夏、秋季分別增加了38、24、69 h；24～28 ℃的時(shí)間，夏季和秋季分別增加了140、19 h；對(duì)于高于28 ℃的時(shí)間，夏季和秋季分別減少了164、103 h.

（2）電致變色玻璃改善了室內(nèi)的PMV值，增加了室內(nèi)的熱舒適時(shí)間，相比于6 mm玻璃窗，春季、夏季、秋季以及冬季熱舒適時(shí)間分別增加了205、238、178、132 h；而相比于Low-E玻璃窗，春季、夏季、秋季以及冬季熱舒適時(shí)間分別增加了93、162、71、7 h.

（3）在有空調(diào)的情況下，西向窗戶房間在裝有EC玻璃的情況下，全年空調(diào)能耗比6 mm玻璃窗房間減少了23.9%；比Low-E玻璃窗房間減少了7.7%.

5展望

黨的十八大以來，我們把綠色低碳和節(jié)能減排擺在突出位置，建立并實(shí)施能源消耗總量和強(qiáng)度雙控制度［12］，建筑節(jié)能越來越受到重視［13］.電致變色技術(shù)通過自主調(diào)節(jié)玻璃透光度，使玻璃內(nèi)外的光線與熱量變得可控，從而減少由于建筑內(nèi)的高溫或低溫環(huán)境所引起的供暖供冷所帶來的能耗.目前，電致變色技術(shù)是最有應(yīng)用前景的智能材料之一，并且通過模擬的結(jié)果在對(duì)室溫的控制方面和能耗方面改善效果明顯.隨著人們對(duì)建筑節(jié)能和舒適度的要求越來越高，電致變色玻璃在智能節(jié)能窗應(yīng)用的比例也逐漸增加，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車天窗、后視鏡以及飛機(jī)的窗戶，相信在未來會(huì)迎來巨大的發(fā)展空間.

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［責(zé)任編輯仲圓］