Conhecimento da indústria

I. Visão geral

1.1 Histórico da Pesquisa

O ambiente de luz e calor dos edifícios é periodicamente afetado pelas condições climáticas externas, por isso é crucial alcançar uma regulação eficiente da iluminação interna e do ganho de calor da radiação solar. Como um material inteligente com transmitância de luz variável e propriedades de isolamento térmico variáveis, o vidro termocrômico pode regular dinamicamente a luz visível e a radiação térmica infravermelha próxima que entra no edifício, e tem grande potencial para melhorar o conforto do ambiente de luz interno e reduzir o consumo de energia do edifício. Entre eles, o vidro termocrômico à base de materiais de hidrogel é incolor e transparente, e a temperatura de transição pode ser livremente ajustada de 20 a 50 °C. Possui alta transmitância de luz visível, o que pode atender melhor aos requisitos de aplicações arquitetônicas para temperatura de transição e transmitância de luz visível, e tem amplas perspectivas de aplicação.

No entanto, nas pesquisas e normas existentes, faltam métodos claros para o projeto e a seleção da temperatura de transição ideal do vidro termocrômico sob diferentes condições climáticas; ao mesmo tempo, não existe um padrão claro de avaliação para determinar se o vidro termocrômico pertence a instalações de sombreamento e sua avaliação do potencial de sombreamento. Em aplicações arquitetônicas, como projetar e selecionar a temperatura de transição ideal do vidro termocrômico sob diferentes climas e orientações de construção, e como calcular sua área de sombreamento equivalente durante a avaliação, tornaram-se questões urgentes a serem resolvidas para este material, desde a pesquisa básica até a aplicação arquitetônica.

1.2 Objetivo e importância da pesquisa

Este estudo visa estabelecer um modelo de cálculo para o impacto abrangente do vidro termoescurecido na luminosidade, no ambiente térmico e no consumo de energia de edifícios, combinando ensaios experimentais e simulação numérica, e verificá-lo por meio de dados medidos. Com base nisso, o método de cálculo da temperatura de transição ideal e do comprimento de sombreamento equivalente do vidro termoescurecido sob diferentes condições climáticas é estudado para fornecer uma referência para seu projeto e avaliação em aplicações arquitetônicas. Os resultados deste estudo são úteis para promover a ampla aplicação do vidro termoescurecido no campo da arquitetura, melhorar o desempenho luminoso e térmico de edifícios, reduzir o consumo de energia em edifícios e promover o desenvolvimento sustentável da indústria da construção.

2. Teste de desempenho do vidro termoescurecido

2.1 Teste de desempenho óptico

Utilizando espectrofotômetros UV/visível/infravermelho próximo, as propriedades ópticas de amostras de vidro termoescurecido com temperaturas de transição de 20°C, 25°C, 30°C e 35°C foram testadas em diferentes temperaturas. Os resultados dos testes mostram que, à medida que a temperatura aumenta, a transmitância de luz visível do vidro diminui gradualmente e a capacidade de bloquear a radiação solar aumenta gradualmente. Por exemplo, a 20°C, a transmitância de luz visível do vidro é relativamente alta, permitindo a entrada de uma grande quantidade de luz visível no ambiente; quando a temperatura sobe para 35°C, a transmitância de luz visível cai significativamente, e a transmitância de radiação solar também cai significativamente, bloqueando efetivamente a entrada de calor solar no ambiente.

2.2 Teste de coeficiente de transferência de calor

O coeficiente de transferência de calor da amostra foi testado utilizando um medidor de condutividade térmica de fluxo de calor em estado estacionário. Os dados do teste mostram que o coeficiente de transferência de calor do vidro termoescurecido é relativamente alto no estado transparente; no estado atomizado, o coeficiente de transferência de calor é significativamente reduzido, o que indica que o desempenho de isolamento térmico do vidro no estado atomizado é significativamente melhorado, o que pode reduzir efetivamente a transferência de calor entre o interior e o exterior.

3. Teste de laboratório

3.1 Projeto de laboratório

Uma sala de laboratório comparável foi instalada na Faculdade de Arquitetura e Engenharia Civil da Universidade de Xiamen. A sala de comparação e a sala de laboratório têm o mesmo tamanho, com comprimento, largura e altura de 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m, e janelas externas de 20,93 m × 1,94 m. As janelas da sala de comparação são equipadas com vidro isolante de dupla camada e persianas horizontais com extensão de 50 cm, e as janelas da sala experimental são equipadas com vidro termoescurecimento de camada única com temperatura de transição de 25 °C.

3.2 Conteúdo e resultados do teste

A medição real foi realizada por 10 dias consecutivos, e os dados de medição incluíram dados meteorológicos externos, temperatura do ar interno (temperatura ambiente natural), iluminância da iluminação interna, etc. Os resultados experimentais mostram que, em clima quente, o vidro com escurecimento térmico instalado na sala experimental embaça gradualmente com o aumento da temperatura, bloqueando efetivamente a radiação solar, e a temperatura do ar interno é significativamente menor do que a da sala sem medidas eficazes de sombreamento. Além disso, a iluminância da iluminação interna garante as necessidades de iluminação, evitando o desconforto causado pela luz forte direta. A sala de comparação também apresenta um certo efeito de sombreamento sob a ação do para-sol, mas a sala experimental com vidro com escurecimento térmico apresenta mais vantagens na adaptabilidade automática da regulação da temperatura.

IV. Estabelecimento e verificação do modelo de simulação numérica

4.1 Estabelecimento do modelo EnergyPlus

O EnergyPlus é utilizado para estabelecer um modelo de cálculo de desempenho do edifício para a sala experimental comparável. Com base em 10 dias de dados meteorológicos externos medidos, a temperatura do ar interno e a iluminância da iluminação nos pontos de medição experimentais são simuladas e calculadas. Durante o processo de estabelecimento do modelo, os parâmetros térmicos da estrutura do invólucro, os parâmetros característicos das janelas externas, a fonte de calor interna e outros parâmetros relacionados são definidos em detalhes para garantir que o modelo possa refletir com precisão a situação real da sala experimental.

4.2 Verificação do modelo

Os resultados da simulação são comparados com os dados experimentais. A comparação entre os valores medidos e simulados da temperatura do ar interno da sala de comparação e da sala experimental mostra que o erro NMBEs da temperatura do ar interno da sala de comparação é de 1,99%, e o erro NMBEs da temperatura do ar interno da sala experimental é de 1,05%. O erro NMBEs dos valores experimentais e simulados da iluminância em 9 pontos de medição na sala experimental de vidro termo-escurecido varia de -3,43% a 7,70%, e o erro NMBEs dos valores experimentais e simulados da iluminância em 9 pontos de medição na sala de comparação com vidro isolante transparente de proteção solar varia de -6,01% a 15,38%. Os resultados da verificação mostram que o EnergyPlus tem alta precisão no cálculo da temperatura interna e da iluminância da iluminação da sala de comparação e da sala experimental, o que pode ser usado para pesquisas futuras.

5. Pesquisa sobre a aplicação de vidros termo-escurecidos em diferentes condições climáticas

5.1 Estabelecimento de um modelo típico de escritório

Um escritório típico é selecionado para modelagem e o método de cálculo verificado experimentalmente é adotado. Sob diferentes condições climáticas, os parâmetros operacionais, como parâmetros térmicos da estrutura do gabinete, densidade de potência de iluminação, densidade de equipamentos, densidade de pessoal, taxa de ocupação de pessoal e temperatura definida para o ar-condicionado da sala, são selecionados de acordo com as disposições das normas vigentes de projeto de economia de energia em edifícios do meu país.

5.2 Simulação e análise do desempenho físico de edifícios

O método de simulação de desempenho físico dinâmico de edifícios durante todo o ano, baseado em dados meteorológicos típicos do ano, é usado para calcular a iluminação natural efetiva (UDI), o índice de percepção térmica média esperada (PMV) em ambientes internos e o consumo de energia da área da unidade predial (EUI), e analisar a influência do vidro com escurecimento térmico no ambiente de luz, no ambiente térmico e no consumo de energia do edifício em aplicações típicas de escritórios. Os resultados da simulação mostram que, em diferentes zonas climáticas, a influência do vidro com escurecimento térmico na luz e no calor do edifício e no consumo de energia é diferente. Em áreas quentes, o vidro com escurecimento térmico pode reduzir efetivamente a temperatura interna no verão, reduzir o consumo de energia do ar condicionado e, ao mesmo tempo, garantir certas necessidades de iluminação e melhorar o conforto interno; em áreas frias, o vidro permanece transparente em baixas temperaturas no inverno, o que é propício para aumentar o ganho de calor da radiação solar interna e reduzir o consumo de energia de aquecimento.

VI. Pesquisa sobre o projeto e seleção de vidros termo-escurecidos

6.1 Comparação de desempenho de diferentes vidros

Dados meteorológicos típicos de 203 cidades do meu país foram selecionados para comparar e analisar o desempenho de edifícios com vidro termoescurecido de camada única, vidro isolante de dupla camada Low-E (alta transmitância no norte e baixa transmitância no sul) e vidro termoescurecido de camada única Low-E em quatro direções: leste, oeste, sul e norte. Os resultados da pesquisa mostram que o desempenho de eficiência energética de edifícios com vidro termoescurecido de camada única na maioria das áreas (95%) não é tão bom quanto o do vidro isolante de dupla camada Low-E, enquanto o desempenho de eficiência energética de edifícios com vidro termoescurecido de camada única Low-E na maioria das áreas (82%) é pior do que o do vidro isolante de dupla camada Low-E.

6.2 Mapeamento da seleção do projeto de temperatura de transição ideal

Com base na pesquisa acima, foi elaborado um mapa de seleção de projeto de temperatura de transição ideal para vidros termo-escurecidos de camada única Low-e, sob quatro orientações de construção. O mapa mostra intuitivamente a temperatura de transição ideal para vidros termo-escurecidos aplicáveis a diferentes regiões e diferentes orientações de construção, fornecendo uma referência importante para projetistas de arquitetura. Por exemplo, nas regiões quentes do sul, a temperatura de transição ideal para vidros termo-escurecidos de camada única Low-e, para edifícios com orientação leste-oeste, é de cerca de 35-38°C; enquanto nas regiões frias do norte, a temperatura de transição ideal para edifícios com orientação sul é relativamente baixa, entre 28-32°C.

VII. Estudo sobre a avaliação do desempenho de vidros termo-escurecidos como proteção solar

7.1 Comparação com instalações de sombreamento externo fixas

Cidades típicas em 5 zonas climáticas térmicas de construção no meu país (Harbin, Pequim, Nanquim, Kunming, Xiamen) foram selecionadas para comparar os efeitos do vidro termo-escurecedor de camada única e instalações de sombreamento externo fixo (sombreamento externo horizontal e sombreamento externo vertical) na luz interna e no ambiente térmico e no consumo de energia do edifício. Os casos de análise e cálculo abrangem 5 condições climáticas urbanas típicas, 4 orientações de construção de leste, oeste, sul e norte, vidro termo-escurecedor de camada única com uma temperatura de transição de 20-50 ℃, sombreamento externo horizontal fixo com um comprimento de 0-3,6 m e sombreamento externo vertical fixo com um comprimento de 0-3,6 m. Entre eles, as janelas de sombreamento externo fixo usam vidro isolante de camada dupla, e a seleção do comprimento de sombreamento de 0-3,6 m leva em consideração as estruturas de auto-sombreamento do edifício, incluindo varandas, corredores e saliências do edifício.

7.2 Método e resultados para determinar o comprimento de sombreamento equivalente

O processo de determinação do comprimento de sombreamento equivalente do vidro termoescurecido é proposto: primeiro, determine o consumo mínimo de energia do edifício do vidro termoescurecido em diferentes temperaturas de transição, e a temperatura de transição no menor consumo de energia do edifício é a temperatura de transição ótima do vidro termoescurecido; então, quando o consumo mínimo de energia do edifício do vidro termoescurecido estiver mais próximo, o comprimento do sombreamento externo fixo é o comprimento de sombreamento equivalente do vidro termoescurecido. Tomando como exemplo a comparação entre o vidro termoescurecido e o sombreamento externo horizontal em Xiamen, sob as condições climáticas de Xiamen, a temperatura de transição ótima do vidro termoescurecido de camada única é de 36-37 °C. Nas quatro direções leste, oeste, sul e norte, os comprimentos de sombreamento externo horizontal equivalentes do vidro termoescurecido com a temperatura de transição ótima são 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m e 1,6 m, respectivamente. Os resultados da pesquisa mostram que o vidro termoescurecido pode alcançar economia de energia em edifícios e efeitos de melhoria do ambiente de luz e calor semelhantes aos das instalações de sombreamento externo fixo.

VIII. Conclusão e Perspectiva

8.1 Conclusão da Pesquisa

Por meio de testes experimentais e simulações numéricas, este estudo estabeleceu um modelo de cálculo para o impacto abrangente do vidro termoescurecido na iluminação, no ambiente térmico e no consumo de energia dos edifícios, e verificou a precisão do modelo por meio de dados medidos. O estudo obteve o método de cálculo da temperatura de transição ideal e do comprimento de sombreamento equivalente do vidro termoescurecido sob diferentes condições climáticas, e elaborou um mapa de seleção de projeto para a temperatura de transição ideal. Os resultados mostram que o vidro termoescurecido tem bom potencial de regulação de luz e calor em aplicações de construção, pode efetivamente melhorar o conforto da luz e do ambiente de calor dos edifícios, reduzir o consumo de energia dos edifícios e, na maioria das áreas, a eficiência energética dos edifícios do vidro termoescurecido de camada única Low-e é melhor do que a do vidro tradicional. Ao mesmo tempo, o vidro termoescurecido pode alcançar economia de energia em edifícios e efeitos de melhoria do ambiente de luz e calor semelhantes aos das instalações de sombreamento externo fixo.

8.2 Perspectivas de Pesquisa

Pesquisas futuras podem expandir ainda mais a pesquisa de aplicação do vidro termoescurecido em diferentes tipos de edifícios, como edifícios residenciais, hospitais, escolas, etc., e analisar profundamente seu desempenho sob diferentes requisitos funcionais. Ao mesmo tempo, otimizar as propriedades do material e o processo de produção do vidro termoescurecido, melhorar sua estabilidade, durabilidade e precisão de escurecimento, e reduzir os custos de produção para promover sua aplicação mais ampla. Além disso, a combinação de inteligência artificial, big data e outras tecnologias permite a integração inteligente entre o vidro termoescurecido e outros sistemas construtivos, aprimorando ainda mais a inteligência e o nível de economia de energia dos edifícios.