有关动态调光玻璃原理、节能效率与应用的研究

王 漻

（中国中元国际工程有限公司，北京 100089）

1 动态调光玻璃的类型及原理

根据控制手段及原理的异同，调光玻璃可借由电控、温控、光控、压控等各种方式实现玻璃之透明与不透明状态的动态切换。本文针对其中最具行业影响力的两家生产研究机构（SageGlass，Pleotint）所形成量产的两种类型：电致调光玻璃（电控）及热致调光玻璃（温控）进行研究分析。

1.1 电致调光玻璃

以SageGlass所生产的电致调光玻璃为例，电致变色玻璃夹层由5层陶瓷材料组成。外围两层是透明的导体层（TC），中间依次为电致变色层（EC）、离子导体（IC）和反电极（CE）。当对CE侧的TC夹层施加正压时，锂离子经过IC层，进入EC层。同时，补偿电子由CE层脱离，经由外部电路转移到EC层，夹层颜色变深。当电源极性改变时，离子和电子返回至它们原本的涂层，玻璃返回至透明状态。这种固态的反应由一个较低电压的（小于5 V DC）电源控制。深色状态使得玻璃能够吸收、放射出不必要的太阳得热及眩光。透明状态的玻璃能够使建筑最大限度地利用日光和太阳能。

电致调光玻璃可通过楼宇自动控制系统、墙上开关或移动APP进行控制。

1.2 热致调光玻璃

以Pleotint公司生产的Suntuitive调光玻璃为例，当太阳光直射在玻璃表面时，PVB夹层温度升高、颜色变深，使玻璃产生染色效果。当太阳光减低时，玻璃和夹层温度降低，返回至透明状态。PVB夹层位于两层玻璃中间，形成夹层玻璃，此夹层玻璃再组合形成动态IGU （Integrated Glass Unit，整合玻璃单元）。热致调光玻璃可根据变化的日照情况改变染色效果，实时、自动地改变进入建筑物的可见光数量，减少太阳得热，隔断99%的有害紫外线光照，同时夹层玻璃也可提供较好的隔声和安全效果。

2 动态调光玻璃的节能效率

由于动态调光玻璃的热工性能、光学性能是根据外界条件（或控制系统）自动改变的，传统的计算方式难以精确计算出动态调光玻璃的能耗节约效率。因此，采用专门的能耗模拟软件EnergyPlus进行模拟，针对电致调光玻璃及热致调光玻璃分别设置模型，研究分析动态调光玻璃的能耗节约效率。

研究以北京作为地理位置，以首层面积为52 m×52 m，高度为120 m的建筑作为几何构型，将建筑窗墙比设置为40%。由于动态调光玻璃在全透光状态下具有一定的热工参数，为了比较玻璃变色对建筑能耗的作用，将全透光状态下的玻璃作为基础模型，即基础模型具有全透光状态下动态调光玻璃相同的热工性能。针对电致调光玻璃及热致调光玻璃全透光状态下热工参数的不同，分别设置基础模型。由于动态调光玻璃的可见光透射比可以根据外界条件的改变实时调节，在与智能照明控制系统共同使用时，可以大幅度降低建筑照明能耗。为分析动态调光玻璃与智能照明控制系统共同使用时的能耗节约效率，设置基础模型+照明控制系统与调光玻璃+照明控制系统两个对比模型。具体参数设置见表1。

通过对8种模型的能耗模拟，得到各个模型的建筑能耗数据。具体结果见表2。

以下针对模拟结果所产生的数据进行分析：

对比模型1和2可知，照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为15.23%，在建筑总能耗的节约效率为0.79%；对比模型1和3可知，电致调光外窗模型在制冷能耗的节约效率为57.03%，在建筑总能耗的节约效率为10.34%；对比模型1和4可知，电致调光外窗结合照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为45.04%，在制冷能耗的节约效率为60.74%，在建筑总能耗的节约效率为11.49%。

对比模型5和6可知，照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为44.95%，在建筑总能耗的节约效率为2.36%；对比模型5和7可知，热致调光外窗模型在制冷能耗的节约效率为5.37%，在建筑总能耗的节约效率为3.10%；对比模型5和8可知，热致调光外窗结合照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为44.96%，在制冷能耗的节约效率为7.48%，在建筑总能耗的节约效率为5.51%。

模拟结果表示，电致调光玻璃的建筑总能耗节约效率为11.49%，这是由于模型设置时针对电致调光玻璃的显色调节分为两档：当外窗太阳辐射强度超过100 W/m2时，电致调光玻璃直接变化至最高档（显色最深）；当外窗太阳辐射强度小于100 W/m2时，电致调光玻璃为透明状态。实际情况下，案例选用的电致调光玻璃显色调节分为4档（含透明状态），因此实际能耗节约效率应低于11.49%。此外，调光玻璃属于遮阳调节措施，基于经验此类建筑能耗减低措施对于夏热冬暖地区（海口、广州）应具有更明显的能耗削减作用。

表1 模型参数设置

表2 模拟结果数据

3 动态调光玻璃的应用

全球范围内，动态调光玻璃被应用在商业建筑、教育机构和政府机构，用于降低建筑能耗，减低运行费用，增强建筑使用者的舒适、健康、生产效率和室内体验。案例包括明尼阿波利斯圣保罗国际机场（美国）、阿密大学Frost音乐学院（美国）、Vaudois大学中心医院（瑞士）、Warwick Geneva酒店（瑞士）、Glatt创意中心（德国）、腾讯新总部大厦（中国）等。以Glatt创意中心（德国）为例，使用电致变色玻璃大幅度降低了建筑制冷与照明负荷，降低了空调系统占地面积。由于调光玻璃没有机械耗损部件，大大降低了设备后期的维护费用。建筑使用者可以根据日照强度、热度及眩光情况自动调节玻璃显色，同时保持外部视野。此外，建筑使用者能够针对个人工作空间处的玻璃显色程度进行独立控制，这显著增强了建筑使用者的舒适性。位于中国北京的腾讯新总部大厦于天窗采用动态调光玻璃，在节能、采光的基础上，利用不同分区的显色拼接出公司logo，于产品基本功能之上进行了企业文化宣传与创新。

4 结语

根据能耗模拟计算数据分析结果，动态调光玻璃结合智能照明控制系统对建筑的能耗削减作用最大。研究所选取的电致调光外窗结合照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为45.04%，在制冷能耗的节约效率为60.74%，在建筑总能耗的节约效率为11.49%。热致调光外窗结合照明控制系统模型在照明能耗的节约效率为44.96%，在制冷能耗的节约效率为7.48%，在建筑总能耗的节约效率为5.51%。结合对动态调光玻璃原理的分析以及应用案例分析，动态调光玻璃在减低建筑能耗，控制室内眩光，维持外部视野，增强建筑使用者的舒适性和室内体验上具有显著的优势。