Conoscenza del settore

I. Panoramica

1.1 Contesto della ricerca

L‘ambiente luminoso e termico degli edifici è periodicamente influenzato dalle condizioni climatiche esterne, pertanto è fondamentale ottenere una regolazione efficiente dell‘illuminazione interna e dell‘apporto di calore dovuto alla radiazione solare. In quanto materiale intelligente con trasmittanza luminosa variabile e proprietà di isolamento termico variabili, il vetro termocromico può regolare dinamicamente la luce visibile e la radiazione termica nel vicino infrarosso che penetrano nell‘edificio, e ha un grande potenziale nel migliorare il comfort dell‘ambiente luminoso interno e nel ridurre il consumo energetico dell‘edificio. Tra questi, il vetro termocromico a base di idrogel è incolore e trasparente e la temperatura di transizione può essere impostata liberamente tra 20 e 50 °C. Presenta un‘elevata trasmittanza della luce visibile, che può soddisfare al meglio i requisiti delle applicazioni architettoniche in termini di temperatura di transizione e trasmittanza della luce visibile, e ha ampie prospettive applicative.

Tuttavia, nella ricerca e negli standard esistenti, mancano metodi chiari per la progettazione e la selezione della temperatura di transizione ottimale del vetro termocromico in diverse condizioni climatiche; allo stesso tempo, non esiste uno standard di valutazione chiaro per stabilire se il vetro termocromico sia adatto all‘ombreggiamento e per valutarne il potenziale. Nelle applicazioni architettoniche, la progettazione e la selezione della temperatura di transizione ottimale del vetro termo-oscurante in diversi climi e orientamenti degli edifici, e il calcolo dell‘area di ombreggiamento equivalente durante la valutazione, sono diventati problemi urgenti da risolvere per questo materiale, dalla ricerca di base all‘applicazione architettonica.

1.2 Scopo e significato della ricerca

Questo studio mira a definire un modello di calcolo per l‘impatto complessivo del vetro termo-oscurante sulla luce, l‘ambiente termico e il consumo energetico degli edifici attraverso una combinazione di test sperimentali e simulazioni numeriche, e a verificarlo attraverso dati misurati. Su questa base, viene studiato il metodo di calcolo della temperatura di transizione ottimale e della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche, al fine di fornire un riferimento per la sua progettazione e valutazione in applicazioni architettoniche. I risultati di questo studio sono utili per promuovere la diffusione dell‘applicazione del vetro termo-oscurante in architettura, migliorare le prestazioni luminose e termiche degli edifici, ridurre il consumo energetico degli edifici e promuovere lo sviluppo sostenibile del settore edile.

2. Test di prestazione del vetro termo-oscurante

2.1 Test delle prestazioni ottiche

Utilizzando uno spettrofotometro UV/visibile/vicino all‘infrarosso, sono state testate le proprietà ottiche di campioni di vetro termo-oscuranti con temperature di transizione di 20°C, 25°C, 30°C e 35°C a diverse temperature. I risultati dei test mostrano che all‘aumentare della temperatura, la trasmittanza della luce visibile del vetro diminuisce gradualmente e la capacità di bloccare la radiazione solare aumenta gradualmente. Ad esempio, a 20°C, la trasmittanza della luce visibile del vetro è relativamente elevata, consentendo a una grande quantità di luce visibile di entrare nella stanza; quando la temperatura sale a 35°C, la trasmittanza della luce visibile diminuisce significativamente, così come la trasmittanza della radiazione solare, bloccando efficacemente l‘ingresso del calore solare nella stanza.

2.2 Test del coefficiente di trasferimento termico

Il coefficiente di scambio termico del campione è stato testato utilizzando un termoconduttimetro a flusso termico stazionario. I dati del test mostrano che il coefficiente di scambio termico del vetro termo-oscurante è relativamente elevato allo stato trasparente; allo stato atomizzato, il coefficiente di scambio termico è significativamente ridotto, il che indica che le prestazioni di isolamento termico del vetro allo stato atomizzato sono significativamente migliorate, il che può ridurre efficacemente lo scambio termico tra interno ed esterno.

3. Test di laboratorio

3.1 Progettazione del laboratorio

Un laboratorio analogo è stato allestito presso la Facoltà di Architettura e Ingegneria Civile dell‘Università di Xiamen. La stanza di confronto e la stanza di laboratorio hanno le stesse dimensioni, con lunghezza, larghezza e altezza di 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m, e una finestra esterna di 2,093 m × 1,94 m. Le finestre della stanza di confronto sono dotate di vetro isolante a doppio strato e di frangisole orizzontali con estensione di 50 cm, mentre le finestre della stanza sperimentale sono dotate di vetro termo-oscurante a strato singolo con una temperatura di transizione di 25 °C.

3.2 Contenuto e risultati del test

La misurazione effettiva è stata effettuata per 10 giorni consecutivi e i dati di misurazione includevano dati meteorologici esterni, temperatura dell‘aria interna (temperatura ambiente naturale), illuminamento interno, ecc. I risultati sperimentali mostrano che, in condizioni climatiche calde, il vetro termo-oscurante installato nella stanza sperimentale si appanna gradualmente all‘aumentare della temperatura, bloccando efficacemente la radiazione solare e la temperatura dell‘aria interna risulta significativamente inferiore a quella della stanza priva di efficaci misure di ombreggiamento. Inoltre, l‘illuminamento interno soddisfa il fabbisogno di illuminazione evitando il fastidio causato dalla luce diretta intensa. Anche la stanza di confronto presenta un certo effetto di ombreggiamento sotto l‘azione del parasole, ma la stanza sperimentale con vetro termo-oscurante presenta ulteriori vantaggi nell‘adattabilità automatica della regolazione della temperatura.

IV. Definizione e verifica del modello di simulazione numerica

4.1 Istituzione del modello EnergyPlus

EnergyPlus viene utilizzato per definire un modello di calcolo delle prestazioni dell‘edificio per la sala sperimentale comparabile. Sulla base di 10 giorni di dati meteorologici esterni misurati, vengono simulati e calcolati la temperatura dell‘aria interna e l‘illuminamento nei punti di misurazione sperimentali. Durante il processo di definizione del modello, i parametri termici della struttura dell‘involucro, i parametri caratteristici delle finestre esterne, la fonte di calore interna e altri parametri correlati vengono impostati in dettaglio per garantire che il modello rifletta accuratamente la situazione reale della sala sperimentale.

4.2 Verifica del modello

I risultati della simulazione vengono confrontati con i dati sperimentali. Il confronto tra i valori misurati e simulati della temperatura dell‘aria interna della stanza di confronto e della stanza sperimentale mostra che l‘errore NMBE della temperatura dell‘aria interna della stanza di confronto è dell‘1,99% e l‘errore NMBE della temperatura dell‘aria interna della stanza sperimentale è dell‘1,05%. L‘errore NMBE dei valori sperimentali e simulati dell‘illuminamento in 9 punti di misurazione nella stanza sperimentale con vetro termo-oscurante varia da -3,43% a 7,70%, mentre l‘errore NMBE dei valori sperimentali e simulati dell‘illuminamento in 9 punti di misurazione nella stanza di confronto con vetro isolante trasparente varia da -6,01% a 15,38%. I risultati della verifica mostrano che EnergyPlus presenta un‘elevata precisione nel calcolo della temperatura interna e dell‘illuminamento della stanza di confronto e della stanza sperimentale, che può essere utilizzata per ulteriori ricerche.

5. Ricerca sull‘applicazione del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche

5.1 Definizione di un modello di ufficio tipico

Per la modellazione viene selezionato un ufficio tipico e viene adottato il metodo di calcolo verificato sperimentalmente. In diverse condizioni climatiche, i parametri operativi, quali i parametri termici della struttura dell‘involucro, la densità di potenza dell‘illuminazione, la densità delle apparecchiature, la densità del personale, il tasso di occupazione del personale e la temperatura impostata per l‘aria condizionata, vengono selezionati in base alle disposizioni degli attuali standard di progettazione per il risparmio energetico degli edifici vigenti nel mio Paese.

5.2 Simulazione e analisi delle prestazioni fisiche dell‘edificio

Il metodo di simulazione dinamica delle prestazioni fisiche di un edificio su base annua, basato sui dati meteorologici tipici, viene utilizzato per calcolare l‘illuminazione naturale effettiva (UDI), l‘indice di percezione termica media prevista per gli ambienti interni (PMV) e il consumo energetico dell‘unità di superficie dell‘edificio (EUI), e per analizzare l‘influenza del vetro termo-oscurante sull‘ambiente luminoso, termico e sul consumo energetico dell‘edificio in tipiche applicazioni per uffici. I risultati della simulazione mostrano che, in diverse zone climatiche, l‘influenza del vetro termo-oscurante sull‘ambiente luminoso e termico dell‘edificio e sul consumo energetico è diversa. Nelle zone calde, il vetro termo-oscurante può ridurre efficacemente la temperatura interna in estate, ridurre il consumo energetico dell‘aria condizionata e, allo stesso tempo, garantire determinate esigenze di illuminazione e migliorare il comfort interno; nelle zone fredde, il vetro rimane trasparente alle basse temperature in inverno, il che favorisce l‘aumento dell‘apporto di calore per radiazione solare interna e la riduzione del consumo energetico per il riscaldamento.

VI. Ricerca sulla progettazione e selezione del vetro termo-oscurante

6.1 Confronto delle prestazioni di diversi vetri

Sono stati selezionati dati meteorologici tipici di 203 città del mio Paese per confrontare e analizzare le prestazioni edilizie di vetri termo-oscuranti monostrato, vetri isolanti basso emissivi a doppio strato (alta trasmittanza a nord e bassa trasmittanza a sud) e vetri termo-oscuranti monostrato basso emissivi in quattro direzioni: est, ovest, sud e nord. I risultati della ricerca mostrano che le prestazioni di efficienza energetica degli edifici con vetri termo-oscuranti monostrato nella maggior parte delle aree (95%) non sono buone quanto quelle dei vetri isolanti basso emissivi a doppio strato, mentre le prestazioni di efficienza energetica degli edifici con vetri termo-oscuranti monostrato basso emissivi nella maggior parte delle aree (82%) sono peggiori di quelle dei vetri isolanti basso emissivi a doppio strato.

6.2 Mappatura della selezione della progettazione della temperatura di transizione ottimale

Sulla base della ricerca di cui sopra, è stata tracciata una mappa per la selezione della temperatura di transizione ottimale per la progettazione di vetri termo-oscuranti monostrato basso emissivi in 4 orientamenti di edifici. La mappa mostra intuitivamente la temperatura di transizione ottimale dei vetri termo-oscuranti applicabile a diverse regioni e diversi orientamenti di edifici, fornendo un importante riferimento per i progettisti architettonici. Ad esempio, nelle regioni meridionali calde, la temperatura di transizione ottimale dei vetri termo-oscuranti monostrato basso emissivi per edifici orientati est-ovest è di circa 35-38 °C; mentre nelle regioni settentrionali fredde, la temperatura di transizione ottimale degli edifici orientati a sud è relativamente bassa, compresa tra 28 e 32 °C.

VII. Studio sulla valutazione delle prestazioni frangisole dei vetri termo-oscuranti

7.1 Confronto con impianti di ombreggiamento esterni fissi

Sono state selezionate città tipiche in 5 zone climatiche termiche del mio Paese (Harbin, Pechino, Nanchino, Kunming, Xiamen) per confrontare gli effetti del vetro termo-oscurante monostrato e di sistemi di schermatura esterna fissa (schermatura esterna orizzontale e schermatura esterna verticale) sull‘ambiente di luce e calore interno e sul consumo energetico dell‘edificio. I casi di analisi e calcolo coprono 5 condizioni climatiche urbane tipiche, 4 orientamenti dell‘edificio: est, ovest, sud e nord, vetro termo-oscurante monostrato con una temperatura di transizione di 20-50 °C, schermatura esterna orizzontale fissa con una lunghezza di 0-3,6 m e schermatura esterna verticale fissa con una lunghezza di 0-3,6 m. Tra questi, le finestre con schermatura esterna fissa utilizzano vetri isolanti a doppio strato e la scelta della lunghezza di schermatura di 0-3,6 m tiene conto delle strutture di schermatura automatica dell‘edificio, inclusi balconi, corridoi e sporgenze.

7.2 Metodo e risultati per la determinazione della lunghezza di ombreggiatura equivalente

Viene proposto un processo di determinazione della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante: si determina innanzitutto il consumo energetico minimo dell‘edificio del vetro termo-oscurante a diverse temperature di transizione, e la temperatura di transizione al consumo energetico minimo dell‘edificio è la temperatura di transizione ottimale del vetro termo-oscurante; quindi, quando il consumo energetico minimo dell‘edificio del vetro termo-oscurante è più vicino, la lunghezza di ombreggiatura esterna fissa è la lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante. Prendendo come esempio il confronto tra vetro termo-oscurante e ombreggiatura esterna orizzontale a Xiamen, nelle condizioni climatiche di Xiamen, la temperatura di transizione ottimale del vetro termo-oscurante monostrato è di 36-37 °C. Nelle quattro direzioni est, ovest, sud e nord, le lunghezze di ombreggiatura esterna orizzontale equivalente del vetro termo-oscurante con la temperatura di transizione ottimale sono rispettivamente di 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m e 1,6 m. I risultati della ricerca mostrano che il vetro termo-oscurante può ottenere effetti di risparmio energetico nell‘edificio e di miglioramento dell‘illuminazione e del calore ambientali simili a quelli dei sistemi di ombreggiatura esterna fissa.

VIII. Conclusione e Prospettive

8.1 Conclusione della ricerca

Attraverso test sperimentali e simulazioni numeriche, questo studio ha definito un modello di calcolo per l‘impatto complessivo del vetro termo-oscurante sulla luce, l‘ambiente termico e il consumo energetico dell‘edificio, verificandone l‘accuratezza attraverso dati misurati. Lo studio ha ottenuto il metodo di calcolo della temperatura di transizione ottimale e della lunghezza di ombreggiatura equivalente del vetro termo-oscurante in diverse condizioni climatiche, e ha elaborato una mappa di selezione progettuale per la temperatura di transizione ottimale. I risultati mostrano che il vetro termo-oscurante ha un buon potenziale di regolazione della luce e del calore nelle applicazioni edilizie, può migliorare efficacemente il comfort luminoso e termico degli ambienti interni, ridurre il consumo energetico degli edifici e, nella maggior parte delle aree, l‘efficienza energetica degli edifici del vetro termo-oscurante monostrato basso emissivo è migliore rispetto a quella del vetro tradizionale. Allo stesso tempo, il vetro termo-oscurante può conseguire effetti di risparmio energetico e di miglioramento della luce e del calore negli edifici simili a quelli dei sistemi di ombreggiatura esterna fissi.

8.2 Prospettive di ricerca

La ricerca futura potrà ampliare ulteriormente la ricerca applicativa del vetro termo-oscurante in diverse tipologie di edifici, come edifici residenziali, ospedali, scuole, ecc., e analizzarne approfonditamente le prestazioni in base ai diversi requisiti funzionali. Allo stesso tempo, si potranno ottimizzare le proprietà dei materiali e il processo produttivo del vetro termo-oscurante, migliorandone la stabilità, la durata e la precisione di oscuramento, riducendo al contempo i costi di produzione per promuoverne un‘applicazione più ampia. Inoltre, grazie all‘intelligenza artificiale, ai big data e ad altre tecnologie, sarà possibile realizzare un collegamento intelligente tra il vetro termo-oscurante e altri sistemi edilizi, migliorando ulteriormente l‘intelligenza e il risparmio energetico degli edifici.