玻璃窗是建筑围护结构中必不可少的组成部分,对建筑能耗和光热环境有重要影响(12。电致变色玻璃(ElectroChromic , EC)具有主动调节可见光透射率和太阳能得热系数的功能,可根据建筑需求变化“主动利用”太阳能,按需调节透过玻璃的太阳辐射和可见光,有望解决传统静态玻璃窗在夏季存在的耗能大、光舒适性差等问题,具有很大节能潜力,在近年来在建筑行业得到重视和推广应用。
但EC玻璃窗的实际节能效果与其运行调控方式紧密相关。国内外学者对EC玻璃的调控方法及节能效果做了很多探索。葡萄牙Paulo Tavares[ 3,4]对比了采用太阳辐射强度、室内温度和室外温度为控制参数时EC玻璃在地中海地区应用的节能效果;并分析EC玻璃以太阳辐射强度为控制参数时不同控制阈值在不同朝向的节能效果。Lee[3“1研究将EC玻璃窗分成上、下两部分单独控制,能更好满足室内采光要求的同时减少眩光。美国Sbar等对干热.寒冷以及具有极端冷热天气的3个地区商用建筑全年能耗进行模拟研究,结果表明基于室外照度和眩光共同控制的电致变色玻璃窗比普通单层玻璃窗节能45%。Jonsson*提出EC玻璃窗调控应根据房间占用状态,占用时根据室内照度控制,不占用时应以热环境需求调控。梁庆等基于太阳辐射强度﹑温度﹑照度,时间表为控制参数握出9种EC调控方法并进行比较分析。
现有研究对EC玻璃窗的不同控制参数选取进行了有益探索,侧重于空调节能效果评价,但尚缺乏控制参数阈值的优化选取研究,在夏季调控时很难实现最大程度降低建筑空调和照明总能耗。由于夏季建筑热环境和光环境对玻璃窗需求不同,使 EC玻璃窗调控具有复杂性。根据热环境需求,EC玻璃窗调节为着色态,可减少透过的太阳辐射量,有利于空调节能,但不利于自然采光,需开启照明灯补充室内照度,增加照明能耗。因此,夏季EC玻璃调控应在减少太阳辐射热、增大自然采光,避免眩光中寻找到最佳控制点,达到降低建筑能耗、营造舒适环境的目标,这是发挥EC玻璃窗优势和节能潜力的关键问题。
本文以北京某典型办公室为研究案例,以市场销售的具有4种调节状态(透明态,中间态1、中间态2和着色态),基于室外水平照度为控制参数的EC玻璃窗为研究对象,采用EnergyPlus模拟软件,研究不同朝向EC玻璃窗采用不同控制阈值的能耗情况,分析控制阈值对建筑能耗的影响规律,并基于建筑空调和照明总能耗最低为目标,提出一种优化选取控制参数阈值的方法,并验证其节能效果。1研究对象
1.1建筑概况
本文以北京某办公楼的一个房间为研究案例,其建筑平面如图l所示。该房间层高为3 m,外墙装配有1.5 mx 1.5 m的玻璃窗,窗墙比为23.6%,其他墙以及下楼板均与结构相似的空调房间相邻。
房间空调采用风机盘管,冷热源为空气源热泵，空调能效比为2.0。空调系统没有新风,房间空气渗透量为0.67ACH。房间有2个工作人员和2台电脑,人员散热量为99 W/人,电脑散热量为50 w/台。室内光源采用80 W调光式荧光灯,室内照度设定值为300 lux ,照度参考点设定在图中sensor2位置,距地板高度0.75 m,照明灯功率根据参考点照度调节。
1.2玻璃窗性能参数
为分析EC玻璃窗的节能效果,本文将普通玻璃窗与EC玻璃窗进行对比研究。EC玻璃窗及普通玻璃窗均为5.7 mm+6. 0 mm+5.7 mm的双层中空构造,外层分别采用EC玻璃和白玻璃,中间填充气体为90%氩气和10%空气,内层采用白玻璃。玻璃窗光学性能参数由WINDOW7.6计算得到,详见表1。
1.3 模拟软件及计算条件
选用EnergyPlus能耗模拟软件对EK玻璃窗以及房间光热环境与能耗进行模拟计算,模拟气象参数选用国际能耗计算典型气象年中北京地区气象文件。模拟时间选择在夏季为5月15日至9月15日,室内设备及空调开启时间为工作日8;00—18:00时。室内设计温度为26 ℃。考虑EC玻璃窗在不同状态切换时需要一定时间,模拟步长取10 min。
为分析窗户朝向对EC玻璃窗控制阈值及节能效果的影响,本文设计3种模拟工况,将房间90°旋转,EC玻璃窗分别置于南向、东向和西向。
EC玻璃窗调控方法2.1典型的商用控制策略
目前市面上销售的EC玻璃窗通常根据室外水平照度控制,表2给出某典型厂家的自动控制策略。其中,厂家推荐有8种控制阈值方案,分别以EC-1至EC-8表示。以EC-1为例说明,当室外水平照度<20 000 lux时,EC玻璃窗为透明态;当20 000≤室外水平照度<70 000 lux 时,EC玻璃窗为中间态1;当室外水平照度≥70 000 lux时,EC玻璃窗为中间态2。
为保证房间光环境舒适,EC玻璃窗还具有眩光控制功能。当有眩光时,调节EC玻璃窗至着色态;当没有眩光时,根据前面所述的室外水平照度控制。眩光根据房间地理位置﹑朝向、人的位置等信息判断。本文模拟研究采用简化方法,引人眩光指数DGI 为判断依据, DGI>22时判断有眩光。
在与普通玻璃窗对比研究中,为了保证室内环境舒适性控制一致,普通玻璃窗设计有电动窗帘,当有眩光时,拉上电动窗帘。
2.2 控制阚值优化方法
EC玻璃窗在不同地域、不同建筑类型、不同朝向应用时,室外水平照度控制阈值的选取应不同,阈值选取是一个最优化问题。
1)优化目标
以夏季空调能耗与照明能耗之和最小为优化目标,当空调与照明能耗最小时可确定EC玻璃窗的控制阈值,计算公式如(1)所示。
= Min( Q1 + Q2)
( 1)
式中:Q为建筑总耗电,k W·h;Q，为空调耗电,kW.h;Q,为照明耗电, kW-h。
2)约束条件
以室内光、热环境舒适为约束条件,包括室温约束和室内照度约束。通过调节空调使室内温度控制在26 ℃;当自然采光不足时,通过调节荧光灯使工作面照度控制在300 lux。约束条件如式( 2)、式(3)所示。
T = 26 ℃
(2)
≥ 300 lux
( 3)
式中:T为室内温度,℃;E为工作面照度, lux。
3)优化步骤
本文引人 Genopt优化软件实现上述优化目标，控制流程如图2所示。
3模拟结果与分析
3.1商用控制策略
对不同朝向EC玻璃窗,分别采用现有商用控制策略的8种控制阈值进行夏季能耗模拟计算,并与普通(PT)玻璃窗比较,结果如图3所示,具体分析如下。