Conocimiento de la indust

I. Descripción general

1.1 Antecedentes de la investigación

El entorno lumínico y térmico de los edificios se ve afectado periódicamente por las condiciones climáticas exteriores, por lo que es crucial lograr una regulación eficiente de la iluminación interior y la captación de calor por radiación solar. Como material inteligente con transmitancia lumínica y propiedades de aislamiento térmico variables, el vidrio termocrómico puede regular dinámicamente la luz visible y la radiación térmica infrarroja cercana que ingresa al edificio, y tiene un gran potencial para mejorar el confort lumínico interior y reducir el consumo energético. Entre ellos, el vidrio termocrómico basado en materiales de hidrogel es incoloro y transparente, y su temperatura de transición se puede ajustar libremente entre 20 y 50 °C. Su alta transmitancia de luz visible lo hace ideal para aplicaciones arquitectónicas en cuanto a temperatura de transición y transmitancia de luz visible, y ofrece amplias posibilidades de aplicación.

Sin embargo, en las investigaciones y normas existentes, faltan métodos claros para el diseño y la selección de la temperatura de transición óptima del vidrio termocrómico en diferentes condiciones climáticas. Asimismo, no existe una norma de evaluación clara que determine si el vidrio termocrómico es apto para instalaciones de sombreado y su potencial de sombreado. En aplicaciones arquitectónicas, el diseño y la selección de la temperatura de transición óptima del vidrio termooscurecedor en diferentes climas y orientaciones de edificios, así como el cálculo de su área de sombreado equivalente durante la evaluación, se han convertido en cuestiones urgentes que deben resolverse para este material, desde la investigación básica hasta las aplicaciones arquitectónicas.

1.2 Propósito y significado de la investigación

Este estudio busca establecer un modelo de cálculo para el impacto integral del vidrio termooscurecedor en la iluminación, el ambiente térmico y el consumo energético de los edificios mediante la combinación de pruebas experimentales y simulación numérica, y verificarlo con datos medidos. Con base en esto, se estudia el método de cálculo de la temperatura de transición óptima y la longitud de sombreado equivalente del vidrio termooscurecedor en diferentes condiciones climáticas, con el fin de proporcionar una referencia para su diseño y evaluación en aplicaciones arquitectónicas. Los resultados de este estudio contribuyen a promover la aplicación generalizada del vidrio termooscurecedor en el ámbito arquitectónico, mejorar el rendimiento lumínico y térmico de los edificios, reducir el consumo energético y promover el desarrollo sostenible de la industria de la construcción.

2. Prueba de rendimiento del vidrio termooscurecedor

2.1 Prueba de rendimiento óptico

Mediante un espectrofotómetro UV/visible/infrarrojo cercano, se analizaron las propiedades ópticas de muestras de vidrio termooscurecedor con temperaturas de transición de 20 °C, 25 °C, 30 °C y 35 °C a diferentes temperaturas. Los resultados muestran que, a medida que aumenta la temperatura, la transmitancia de luz visible del vidrio disminuye gradualmente, mientras que su capacidad para bloquear la radiación solar aumenta gradualmente. Por ejemplo, a 20 °C, la transmitancia de luz visible del vidrio es relativamente alta, lo que permite la entrada de una gran cantidad de luz visible a la habitación; al alcanzar los 35 °C, la transmitancia de luz visible disminuye significativamente, al igual que la transmitancia de la radiación solar, bloqueando eficazmente la entrada de calor solar.

2.2 Prueba del coeficiente de transferencia de calor

El coeficiente de transferencia de calor de la muestra se analizó con un medidor de conductividad térmica de flujo térmico en estado estacionario. Los datos de la prueba muestran que el coeficiente de transferencia de calor del vidrio termooscurecedor es relativamente alto en estado transparente; en estado atomizado, este coeficiente se reduce significativamente, lo que indica una mejora significativa del aislamiento térmico del vidrio en estado atomizado, lo que puede reducir eficazmente la transferencia de calor entre el interior y el exterior.

3. Prueba de laboratorio

3.1 Diseño de laboratorio

Se instaló una sala de laboratorio comparable en la Facultad de Arquitectura e Ingeniería Civil de la Universidad de Xiamen. La sala de comparación y la sala de laboratorio tienen las mismas dimensiones: 2,9 m × 2,6 m × 2,8 m de largo, ancho y alto, y una ventana exterior de 0,93 m × 1,94 m. Las ventanas de la sala de comparación cuentan con vidrio aislante de doble capa y parasoles horizontales de 50 cm de extensión, mientras que las ventanas de la sala experimental cuentan con vidrio termooscurecedor de una sola capa con una temperatura de transición de 25 °C.

3.2 Contenido y resultados de la prueba

La medición real se llevó a cabo durante 10 días consecutivos, y los datos de medición incluyeron datos meteorológicos exteriores, temperatura del aire interior (temperatura ambiente natural), iluminancia de la iluminación interior, etc. Los resultados experimentales muestran que, en climas cálidos, el vidrio termo-oscurecedor instalado en la sala experimental se empaña gradualmente cuando la temperatura aumenta, bloqueando eficazmente la radiación solar, y la temperatura del aire interior es significativamente más baja que la de la sala sin medidas de sombreado efectivas. Además, la iluminancia de la iluminación interior garantiza las necesidades de iluminación al tiempo que evita las molestias causadas por la luz intensa directa. La sala de comparación también tiene cierto efecto de sombreado bajo la acción del parasol, pero la sala experimental de vidrio termo-oscurecedor tiene más ventajas en la adaptabilidad automática de la regulación de la temperatura.

IV. Establecimiento y verificación del modelo de simulación numérica

4.1 Establecimiento del modelo EnergyPlus

EnergyPlus se utiliza para establecer un modelo de cálculo del rendimiento del edificio para la sala experimental comparable. A partir de 10 días de datos meteorológicos exteriores medidos, se simulan y calculan la temperatura del aire interior y la iluminancia en los puntos de medición experimentales. Durante el proceso de establecimiento del modelo, se detallan los parámetros térmicos de la estructura del recinto, los parámetros característicos de las ventanas exteriores, la fuente de calor interior y otros parámetros relacionados para garantizar que el modelo refleje con precisión la situación real de la sala experimental.

4.2 Verificación del modelo

Los resultados de la simulación se comparan con los datos experimentales. La comparación entre los valores medidos y simulados de la temperatura del aire interior de la sala de comparación y la sala experimental muestra que el error NMBE de la temperatura del aire interior de la sala de comparación es del 1,99%, y el error NMBE de la temperatura del aire interior de la sala experimental es del 1,05%. El error NMBE de los valores experimentales y simulados de la iluminancia en 9 puntos de medición en la sala experimental de vidrio termo-oscurecedor varía de - 3,43% a 7,70%, y el error NMBE de los valores experimentales y simulados de la iluminancia en 9 puntos de medición en la sala de comparación con vidrio aislante transparente para parasol varía de - 6,01% a 15,38%. Los resultados de la verificación muestran que EnergyPlus tiene alta precisión en el cálculo de la temperatura interior y la iluminancia de la iluminación de la sala de comparación y la sala experimental, que se puede utilizar para futuras investigaciones.

5. Investigación sobre la aplicación de vidrio termooscurecedor en diferentes condiciones climáticas.

5.1 Establecimiento de un modelo típico de oficina

Se selecciona una oficina típica para el modelado y se adopta un método de cálculo verificado experimentalmente. Bajo diferentes condiciones climáticas, los parámetros operativos, como los parámetros térmicos de la estructura del recinto, la densidad de potencia de la iluminación, la densidad de equipos, la densidad de personal, la tasa de ocupación y la temperatura de consigna del aire acondicionado, se seleccionan de acuerdo con las normas de diseño de ahorro energético para edificios vigentes en mi país.

5.2 Simulación y análisis del rendimiento físico de los edificios

El método de simulación del rendimiento físico dinámico de edificios durante todo el año, basado en datos meteorológicos anuales típicos, se utiliza para calcular la iluminación natural efectiva (UDI), el índice de percepción térmica promedio esperado (PMV) en interiores y el consumo de energía por unidad de superficie (EUI). Además, se analiza la influencia del vidrio termooscurecedor en el entorno lumínico, térmico y energético del edificio en aplicaciones típicas de oficina. Los resultados de la simulación muestran que, en diferentes zonas climáticas, la influencia del vidrio termooscurecedor en el entorno lumínico y térmico, así como en el consumo energético, es diferente. En zonas cálidas, el vidrio termooscurecedor puede reducir eficazmente la temperatura interior en verano, reducir el consumo de aire acondicionado y, al mismo tiempo, satisfacer ciertas necesidades de iluminación y mejorar el confort interior. En zonas frías, el vidrio permanece transparente a bajas temperaturas en invierno, lo que favorece el aumento de la ganancia de calor por radiación solar interior y la reducción del consumo de calefacción.

VI. Investigación sobre el diseño y selección de vidrios termooscurecedores

6.1 Comparación del rendimiento de diferentes vidrios

Se seleccionaron datos meteorológicos típicos de 203 ciudades de mi país para comparar y analizar el rendimiento de los vidrios termooscurecedores de una sola capa, los vidrios aislantes de doble capa de baja emisividad (alta transmitancia en el norte y baja transmitancia en el sur) y los vidrios termooscurecedores de una sola capa de baja emisividad en cuatro direcciones: este, oeste, sur y norte. Los resultados de la investigación muestran que, en la mayoría de las zonas (95 %), la eficiencia energética de los vidrios termooscurecedores de una sola capa es inferior a la de los vidrios aislantes de doble capa de baja emisividad, mientras que la eficiencia energética de los vidrios termooscurecedores de una sola capa de baja emisividad es inferior a la de los vidrios aislantes de doble capa de baja emisividad en la mayoría de las zonas (82 %).

6.2 Mapeo de la selección del diseño de temperatura de transición óptima

Con base en la investigación anterior, se elaboró un mapa de selección de diseño de temperatura de transición óptima para vidrio termooscurecedor monocapa de baja emisividad en cuatro orientaciones de edificios. El mapa muestra intuitivamente la temperatura de transición óptima del vidrio termooscurecedor aplicable a diferentes regiones y orientaciones de edificios, lo que proporciona una referencia importante para los diseñadores arquitectónicos. Por ejemplo, en las cálidas regiones del sur, la temperatura de transición óptima para el vidrio termooscurecedor monocapa de baja emisividad en edificios con orientación este-oeste se sitúa entre 35 y 38 °C; mientras que en las frías regiones del norte, la temperatura de transición óptima para edificios con orientación sur es relativamente baja, entre 28 y 32 °C.

VII. Estudio sobre la evaluación del rendimiento de los parasoles con vidrio termooscurecedor

7.1 Comparación con instalaciones fijas de sombreado externo

Se seleccionaron ciudades típicas en 5 zonas climáticas térmicas de edificios en mi país (Harbin, Pekín, Nanjing, Kunming, Xiamen) para comparar los efectos del vidrio termooscurecedor de una sola capa y las instalaciones de sombreado externo fijo (sombreado externo horizontal y sombreado externo vertical) en el ambiente de luz y calor interior y el consumo energético de los edificios. Los casos de análisis y cálculo cubren 5 condiciones climáticas urbanas típicas, 4 orientaciones de los edificios (este, oeste, sur y norte), vidrio termooscurecedor de una sola capa con una temperatura de transición de 20-50 ℃, sombreado externo horizontal fijo con una longitud de 0-3,6 m y sombreado externo vertical fijo con una longitud de 0-3,6 m. Entre ellos, las ventanas de sombreado externo fijo utilizan vidrio aislante de doble capa, y la selección de la longitud de sombreado de 0-3,6 m tiene en cuenta las estructuras de autosombreado del edificio, incluyendo balcones, pasillos y salientes del edificio.

7.2 Método y resultados para determinar la longitud de sombreado equivalente

Se propone el proceso de determinación de la longitud de sombreado equivalente del vidrio termooscurecedor: primero, se determina el consumo mínimo de energía del edificio del vidrio termooscurecedor a diferentes temperaturas de transición, y la temperatura de transición con el menor consumo de energía del edificio es la temperatura de transición óptima del vidrio termooscurecedor; luego, cuando el consumo mínimo de energía del edificio del vidrio termooscurecedor es el más cercano, la longitud del sombreado externo fijo es la longitud de sombreado equivalente del vidrio termooscurecedor. Tomando como ejemplo la comparación entre el vidrio termooscurecedor y el sombreado externo horizontal en Xiamen, bajo las condiciones climáticas de Xiamen, la temperatura de transición óptima del vidrio termooscurecedor monocapa es de 36-37 ℃. En las cuatro direcciones (este, oeste, sur y norte), las longitudes de sombreado externo horizontal equivalentes del vidrio termooscurecedor con la temperatura de transición óptima son 0,5 m, 0,9 m, 0,4 m y 1,6 m, respectivamente. Los resultados de la investigación muestran que el vidrio termooscurecedor puede lograr efectos de ahorro de energía en el edificio y mejora del ambiente lumínico y térmico similares a los de las instalaciones de sombreado externo fijo.

VIII. Conclusión y perspectiva

8.1 Conclusión de la investigación

Mediante pruebas experimentales y simulaciones numéricas, este estudio estableció un modelo de cálculo para el impacto integral del vidrio termooscurecedor en la iluminación, el ambiente térmico y el consumo energético de los edificios, y verificó la precisión del modelo mediante datos medidos. El estudio obtuvo el método de cálculo de la temperatura de transición óptima y la longitud de sombreado equivalente del vidrio termooscurecedor en diferentes condiciones climáticas, y dibujó un mapa de selección de diseño para la temperatura de transición óptima. Los resultados muestran que el vidrio termooscurecedor tiene un buen potencial de regulación de la luz y el calor en aplicaciones de edificación, puede mejorar eficazmente el confort del ambiente de luz y calor interior, reducir el consumo energético del edificio y, en la mayoría de las áreas, la eficiencia energética del vidrio termooscurecedor de una sola capa de baja emisividad es mejor que la del vidrio tradicional. Al mismo tiempo, el vidrio termooscurecedor puede lograr efectos de ahorro energético en el edificio y mejora del ambiente de luz y calor similares a los de las instalaciones de sombreado externas fijas.

8.2 Perspectivas de investigación

Las investigaciones futuras pueden ampliar la investigación sobre las aplicaciones del vidrio termooscurecedor en diferentes tipos de edificios, como viviendas, hospitales y escuelas, y analizar a fondo su rendimiento según los requisitos de cada función. Al mismo tiempo, se optimizarán las propiedades del material y el proceso de producción del vidrio termooscurecedor, se mejorará su estabilidad, durabilidad y precisión de oscurecimiento, y se reducirán los costos de producción para promover su aplicación más amplia. Además, la combinación de inteligencia artificial, big data y otras tecnologías permite la integración inteligente del vidrio termooscurecedor con otros sistemas de construcción para mejorar aún más la inteligencia y el ahorro energético de los edificios.