光致变色玻璃的光热性能研究*

华南理工大学 亚热带建筑科学国家重点实验室 毛会军 孟庆林

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，建筑能耗不断攀升。根据清华大学建筑节能研究中心发布的《中国建筑节能年度发展研究报告2020》，我国2019年的建筑能源消费总量为10亿t标准煤，约占社会总能耗的22%[1]。另有研究表明，约50%的围护结构耗热量是由玻璃窗户散热或得热导致的[2]。为了降低建筑外窗散失的能量，吸热玻璃[3]、Low-E玻璃[4]、涂膜玻璃[5-6]等新型节能玻璃相继出现，上述玻璃的可见光透射比和遮蔽系数变化范围分别约为35%～73%、0.31～0.65，从而极大提高了建筑外窗的遮阳与节能性能。但是，上述传统节能外窗仅对太阳光线、热辐射或者热对流起阻隔作用，无法自主调节自身光谱特性以适应外界条件的变化，从而调控室内环境并实现高效节能[7]。

因此，集节能、调光、装饰等优点于一体的变色节能玻璃应运而生[8-9]。变色节能玻璃由玻璃等透明基材和调光材料组成，调光材料在特定刺激下(温度、电场、光照等)会发生化学或物理变化，改变其特定波段的太阳光透射比、反射比，进而调整进入室内的光强和热量，实现调控室内环境和节能的目的。变色节能玻璃根据变色原理可分为热致变色玻璃、电致变色玻璃、光致变色玻璃及气致变色玻璃4类[10]。其中，光致变色玻璃是指受紫外线或日光照射后，在可见光谱区产生光吸收而自动变色，光照停止后又可逆地自动恢复到初始透明状态的玻璃。相较于其他3类变色玻璃，光致变色玻璃能够直接感知建筑外窗能耗的主要影响因素——太阳辐射的变化，并且具有性能随太阳辐射可变的特点。此外，光致变色玻璃变色前可见光透射比可达70%且遮蔽系数约0.50，变色后则分别降至40%、0.42，其光热性能比传统节能玻璃更优。其应用广泛，国内外涌现出诸多关于其制备、合成等相关研究[11-15]。

作为光致变色玻璃的核心，光致变色材料可分为有机和无机变色材料。与有机材料相比，无机变色材料具有抗老化性能强、变色持续时间长、热稳定性好等优点[16-17]。然而，国内外学者关于无机光致变色玻璃的研究多探究组分、结构、热处理温度等因素对其光热性能的影响[18-20]，针对实际应用中遇到的太阳辐照度、照射时间等外部因素则研究较少。此外，目前尚无针对光致变色玻璃光热性能的测试标准或方法，使生产厂家、检测机构及使用单位面临无法可依的局面，从而对相关行业的发展形成阻碍。

针对上述研究的不足之处，本文以常用的AgS无机光致变色玻璃为研究对象，测试了其在不同辐照度和照射时间下的透射比与反射比，并计算了该光致变色玻璃在不同照射时间下的遮蔽系数，进而拟合了照射时间与遮蔽系数之间的经验公式，为掌握无机光致变色玻璃光热特性、促进相关测试标准出台及科学应用光致变色玻璃提供参考依据。

1 实验测试

1.1 测试材料

由于卤化银光致变色玻璃具有优良的可逆变色性能和抗疲劳性能，因此本文选取常见的单层AgS无机光致变色玻璃作为测试对象。该光致变色玻璃采用贴膜法进行制备，分别由基层玻璃和变色薄膜两部分组成。基层玻璃主要成分为SiO2，通过溶胶-凝胶合成法制备而成；变色薄膜主要成分为AgS，贴于基层玻璃内侧表面。

为了方便在分光光度计内安装并进行测试，上述单层AgS无机光致变色玻璃截面尺寸为100 mm×100 mm，厚度为6 mm，测试环境温度为(25.0±1.0)℃。

根据GB/T 2680—94《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》的要求[21]，测试参数主要包括该无机光致变色玻璃在280～2 500 nm波长范围内的透射比、室外侧反射比(光线由室外侧射入室内侧条件下)、玻璃室内侧的半球辐射率，以及玻璃受到的辐照度与照射时间。

测试所用的主要仪器及型号规格如表1所示。

表1 实验仪器及规格型号

1.2 测试方法

为了探究光致变色玻璃的光热性能随辐照度的变化规律，将玻璃试件放置在不同辐照度的太阳光下进行照射。实验中所需太阳光通过太阳光氙灯模拟器产生，其辐照度范围为0～1 000 W/m2，利用自带的调光器进行多级调节，调节间隔为50 W/m2。考虑到玻璃外窗实际接收到的太阳辐照度范围与时长分布情况，将辐照度分为4组，分别为200、400、600、800 W/m2。同时，借鉴张麒的实验做法[22]，保持照射时间2 min不变，将玻璃试件置于上述4组不同辐照度的太阳光下进行照射并观察颜色变化。照射2 min后取回玻璃试件并立即测试其透射比、反射比等相关参数，避免玻璃试件复明影响测试结果的准确性。据统计，实验所采取的玻璃试件的复明时间约为3～4 min，而完成玻璃光热参数测试所需的时间为12 s左右。因此，玻璃光热参数测试所需时间对其复明过程的影响较小。

为了确定光致变色玻璃光热性能与照射时间之间的关系，将玻璃试件放置在同一辐照度的太阳光下进行不同时长的照射。选择800 W/m2作为测试期间的太阳辐照度，原因在于800 W/m2是玻璃外窗在真实环境中接收到的较为极端的太阳辐照度，从而使测试结果具有一定的代表性。此外，参考GB/T 9105—1988《光致变色玻璃眼镜片毛坯》关于照射时间和复明时间的要求[23]，将照射时间粗分为3个大组，分别为1～4 min、4～10 min及10～15 min。同时在3个大组的基础上细分为9个小组，并遵循以下分布规律：1～4 min内分布较密集、4～10 min内分布均匀适中、10～15 min内分布较松散，9个小组分别为1、1.5、2、4、6、8、10、12、15 min。

基于该单层AgS无机光致变色玻璃在上述不同工况下测得的透射比、反射比，计算以下参数：

1) 可见光透射比。

(1)

式中τv为试件的可见光透射比；Dλ为标准照明体D65的相对光谱功率分布，见文献[21]；τ(λ)为试件的可见光光谱透射比；V(λ)为明视觉光谱光视效率；λ为波长，nm；Δλ为波长间隔，此处为10 nm。

2) 可见光反射比。

(2)

式中ρv为试件的可见光反射比；ρv(λ)为试件的可见光光谱反射比。

3) 太阳光直接透射比τe。

(3)

式中Sλ为太阳光辐射相对光谱分布，见文献[21]。

4) 太阳光直接反射比ρe。

(4)

式中ρs(λ)为试件的太阳光光谱反射比。

5) 太阳光直接吸收比αe。

αe=1-τe-ρe

(5)

6) 太阳能总透射比g。

(6)

式中εi为半球辐射率，该试件取0.86。

7) 遮蔽系数Se。

(7)

式中τs为3 mm厚的普通透明平板玻璃的太阳能总透射比，其理论值取88.9%。

2 结果与分析

2.1 辐照度对光热性能的影响

图1、2分别显示了玻璃试件以辐照度200、400、600、800 W/m2照射后的透射比、反射比的变化。结果显示：4种照射工况下玻璃的透射比、反射比曲线均接近一致，说明辐照度这一外部因素对无机光致变色玻璃的光热性能基本无影响；同时，该无机光致变色玻璃照射前与照射后的透射比存在明显差异，而反射比基本无差异，说明光线照射对无机光致变色玻璃透射比的影响远大于反射比。

此外，无机玻璃试件不同辐照度下透射比、反射比基本无变化，这一结果与有机光致变色玻璃的变色规律存在差异：前人研究结果表明，随着辐照度增大，有机光致变色玻璃的可见光透射比会降低，即颜色会由浅变深；反之，当辐照度减小时，其可见光透射比会增大，颜色由深变浅，进行褪色反应[22]。

上述差异源于无机与有机光致变色玻璃的变色原理不同，前者为银原子与卤原子之间的电子交换，后者则为化学键异裂引起的分子结构变化[16]。对于无机变色玻璃，在光线照射后，不稳定电子离开卤离子，与银离子结合为金属银，玻璃变深色。激发变色之后，光线强弱不再对电子交换过程产生影响，所以辐照度对其无影响；而对于有机变色玻璃，在光线照射下，诸如C—O键吸收能量发生异裂引起结构变化，在可见光区产生吸收峰，从而由无色透明变为深色。辐照度变化，化学键吸收的能量变化，其异裂过程随之而变。

2.2 照射时间对光热性能的影响

选取照射时间1、4、10 min对应的透射比及反射比进行分析，原因在于上述3个照射时间能够各自代表测试过程中划分的3个大组照射时间。如图3、4所示，太阳光照射后，光致变色玻璃只在可见光谱区发生透射比、反射比的变化，而在其他光谱区基本无变化，说明太阳光照射只影响光致变色玻璃可见光区的光谱特性。

具体而言，图3表明随着照射时间变长，玻璃在可见光谱区的透射比逐渐增大，但始终小于未照射时的透射比，其透射比最大差值可达37%。与透射比变化规律类似，随着照射时间变长，玻璃在可见光谱区的反射比也逐渐增大，但是其变化值较小，仅为2%，如图4所示。

基于上述光谱数据，在不同照射时间下该无机光致变色玻璃的可见光透射比、反射比及吸收比的计算结果见表2。结果显示随着照射时间变长，无机光致变色玻璃主要变化的参数是可见光透射比和吸收比，具体规律为透射比由41.0%增大至70.5%，吸收比由51.4%减小至19.4%，两者变化值均在30%左右；反射比也有一定程度的增大，但变化值较小。上述规律进一步验证了光致变色玻璃的变色机理，即受紫外线或日光照射后在可见光谱区产生光吸收而自动变色[10]。

表2 玻璃在不同照射时间下的光谱参数 %

3 遮蔽系数与照射时间的关系

表3给出了该无机光致变色玻璃在不同照射时间下的太阳能总透射比与遮蔽系数的计算结果，遮蔽系数越小，表明窗玻璃阻挡太阳向室内直接辐射热量的性能越好。由表3可知，无机光致变色玻璃随着照射时间变长，其遮蔽系数Se持续增大并趋于稳定，但始终小于照射前的初始值0.560。相较于该初始值，照射后的遮蔽系数最大降低幅度可达11.3%，说明该光致变色玻璃经太阳光照射后具有较好的遮阳隔热效果。

表3 玻璃在不同照射时间下的太阳能总透射比g与遮蔽系数Se

为了快速、准确地预测此类无机光致变色玻璃光热性能随照射时间的变化规律，从而为分析其传热过程等方面提供参考，如图5所示，采用多项式回归方程拟合了遮蔽系数与照射时间之间的经验公式，具体表达为

图5 光致变色玻璃遮蔽系数与照射时间的拟合曲线

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

0.038 36t3(R2=0.994)

(8)

式中t为试件在太阳光下的照射时间，min。

对经验公式进行回归分析，相关系数R2=0.994，说明公式的拟合程度较高。由于该经验公式是基于测试参数拟合而成，故其使用范围为：无机光致变色玻璃受太阳光照射时间在1～15 min以内。从该经验公式可以看出，当照射时间在6～10 min内时，玻璃的遮蔽系数随照射时间t的变化率最大；当照射时间在10～15 min内时，t越大，遮蔽系数的变化率越小，趋于稳定。

该经验公式提出的意义在于：首先，由于建筑室外实际的太阳辐射并非逐时变化，而是连续变化，在多云天气频繁出现的地区，外窗接收到的太阳辐射时有时无、时强时弱，本文的结论可以为准确分析光致变色玻璃在上述典型天气下多次变暗与复明对室内光热环境的影响提供依据，其非稳态传热方程正在建立中；其次，目前关于光致变色玻璃的检测标准较少，仅有GB/T 9105—1988《光致变色玻璃眼镜片毛坯》与GB 10810.3—2006《眼镜镜片及相关眼镜产品+透射比规范及测量方法》两部，且其中关于变色性能的测试参数主要是复明时间和540～560 nm范围内的透射比，而不测试全波长的透射比、反射比及太阳辐射透过率、遮蔽系数等建筑玻璃极为关注的参数。上述标准不能完全用于指导建筑用变色玻璃的测试。因此，分析光致变色玻璃光热性能的非稳态特征，有利于为建筑用光致变色玻璃的性能测试提供参考。

此外，根据遮蔽系数随照射时间的变化规律，可以预测随着照射时间的增长(t>15 min)，无机光致变色玻璃的遮蔽系数会不断增大并趋于一个小于初始值的稳定数值，即相对于未照射的工况，其始终具有更佳的遮阳隔热效果，存在一定的节能潜力。

4 结论

本文以AgS无机光致变色玻璃为研究对象，测试了其在不同辐照度和照射时间下的透射比与反射比，计算了该变色玻璃在不同照射时间下的遮蔽系数，并拟合了遮蔽系数与照射时间之间的经验公式，得到以下结论：

1) 辐照度对有机光致变色玻璃的光热性能具有较大影响，而对无机光致变色玻璃的光热性能则基本无影响，2种玻璃的变色规律存在差异。

2) 随着照射时间变长，无机光致变色玻璃的可见光透射比与吸收比有较大变化，透射比增大、吸收比减小；反射比也有一定程度的增大，但变化值较小。另外，照射后的可见光透射比始终小于照射前的可见光透射比。

3) 与照射前的遮蔽系数相比，无机光致变色玻璃照射后的遮蔽系数最大降低幅度可达11.3%，并且随着照射时间变长逐渐增大并趋于稳定，但始终小于未照射工况下的遮蔽系数。