《ENERGY AND BUILDINGS》：Building performance evaluation of double-skin facade with thermotropic glazing in a reference office room of China
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本研究提出并验证了TT玻璃双层幕墙系统（TT-DSF），通过对比分析在五个气候区的能源消耗、室内采光及热舒适度，发现其在厦门和南京节能0.8%-18.8%，提高采光系数，但昆明、北京及哈尔滨可能增加能耗。
洪晓强|邓霞|游一琳|刘伟强|杨轩|杨瑞阳|郑晨元|林月华|史峰
厦门大学建筑与土木工程学院及深圳研究院，中国厦门361005
摘要
将遮阳装置集成到双层幕墙（DSF）中是提高其热性能的常见方法，但这可能会对室内采光产生一些不利影响。研究表明，热致变色（TT）玻璃能够在改善室内采光和热舒适度的同时提供相当的遮阳效果。研究TT玻璃在DSF中的应用是否能够提升建筑性能是值得探讨的。本研究提出了一种采用TT玻璃的双层幕墙系统（TT-DSF）。研究人员建造了一个装有TT-DSF的测试房间，并利用五天的实验数据开发并验证了该系统的模型，确认了其可靠性。通过对比五个气候区的代表性办公室房间中TT-DSF、低辐射玻璃双层幕墙（Low-e-DSF）和双层玻璃幕墙的性能，评估了能源消耗、采光情况和热舒适度。研究结果表明：（1）在厦门和南京，最佳温度下的TT-DSF相比其他幕墙系统可节省0.8%-18.8%的能源；而在昆明、北京和哈尔滨，TT-DSF在某些情况下可能会增加能源消耗。（2）随着温度变化的升高，TT-DSF的sUDI300-3000lx,50%值通常会增加，在40–50℃时达到峰值。具体来说，在厦门、南京和昆明，TT-DSF的sUDI300-3000lx,50%值比Low-e-DSF和典型双层幕墙高出0.8%-7.1%。（3）与其它幕墙相比，最佳温度下的TT-DSF在厦门可降低2.0%-28.0%的PPD值，在南京可降低0.1%-11.6%的PPD值。这些发现表明，TT-DSF是一种有前景的建筑性能提升方案。
引言
建筑物的能源消耗约占全球能源消耗的30-40%，以及温室气体排放的40%[1]、[2]、[3]、[4]。透明建筑围护结构是建筑的重要组成部分，但同时也是建筑能耗的主要来源，占比约60%[5]、[6]、[7]。为了提高透明建筑围护结构的热性能，建筑设计中采用了双层幕墙（DSF）[8]、[9]。
DSF由外立面、中间空腔和内立面组成。这两层立面之间的空腔可以调节热量传递和空气流动，从而提高隔热效果并减少太阳得热。因此，DSF被认为是一种高效且响应迅速的建筑系统[10]、[11]、[12]、[13]。多项研究探讨了DSF在不同气候区的建筑性能。Saroglou等人[14]比较了三种单层幕墙与通风DSF的冷却能耗，发现DSF在地中海气候区的高层建筑中表现最佳。Pomponi等人[15]对温带气候区的50种DSF系统进行了文献综述，结果表明DSF的使用可减少高达90%的供暖能耗和30%的制冷能耗。然而，带有DSF的建筑在夏季可能会出现过热风险，这可以通过在DSF中集成遮阳装置来克服[16]。Krishnan等人[17]的实验表明，DSF中的百叶窗可以减少约40%的室内太阳辐射量。一些模拟研究表明，在埃及炎热气候区，DSF中的遮阳装置可降低38%的年制冷能耗[18]；在希腊则可实现高达24%的年能源节省[19]。静态遮阳装置可以阻挡进入建筑物的太阳辐射，从而减少制冷能耗；但它们也可能减少可用的日光照明[12]。动态遮阳技术，如Eltaweel等人[20]提出的百叶窗控制策略，可以在减少不必要直射阳光的同时提高日光可用性。Yao等人[21]在炎热夏季和寒冷冬季地区进行了实地实验和模拟，发现可调遮阳装置可使夏季的视觉舒适度提高约19.9%。将动态遮阳技术集成到DSF中还有潜力改善采光并降低能耗。在我们之前的研究中，采用不同遮阳控制策略的多段DSF系统在厦门实现了6.8%的能源节省和11.9%的空间日光自主性提升[22]。然而，控制策略的复杂性和相对较高的维护成本限制了动态遮阳控制系统的广泛应用。智能玻璃技术，如热致变色（TC）和热致变色（TT）玻璃，可以根据环境条件动态调节太阳透射率。在低温下，TC/TT玻璃保持高透射率状态，允许最大量的太阳辐射进入建筑物，从而在寒冷时期促进被动太阳能加热；当玻璃温度超过转变温度时，它会转变为着色或散射状态，阻止太阳得热，有利于建筑能源性能。许多研究探讨了TC/TT玻璃在建筑中的应用，重点关注其对能源消耗、采光和热舒适度的影响。
关于TC/TT玻璃对建筑能耗的影响，大多数研究通过实验和模拟进行。Ye等人[23]在中国合肥的两个测试房间进行了实验，发现TC玻璃比透明玻璃降低了5℃的室内温度。他们还引入了与电力相关的指标，如能源消耗指数、节能等效值和智能指数。在我们之前的研究[24]中，在炎热夏季和温暖冬季地区进行了一年的实地实验，结果显示TT玻璃相比传统透明玻璃每年可节省7.1%的能源。Teixeira等人[25]通过模拟研究了TC玻璃在不同气候区的节能潜力，发现在里斯本炎热气候下，TC玻璃可减少50%的总能耗。Saeli等人[26]、[27]发现TC玻璃在温暖气候下的节能效果更为显著。为了评估TC玻璃的采光和热舒适度性能，Shen等人[28]在北京进行了模拟研究，将TC玻璃与双层透明玻璃进行了对比，结果显示TC玻璃可使日光可用性提高2.8%-18.8%，并减少多达111小时的不适时间。Liang等人[29]在中国五个气候区进行了模拟，结果表明TC玻璃可使UDI500-2000?lx提高15.52%，更适合在炎热气候下使用。在我们团队之前的研究中[30]，有38名参与者参与，使用了两个测试房间：一个装有TT玻璃，另一个装有低辐射（Low-e）玻璃，这种玻璃通过反射红外辐射来提高隔热性能。结果表明，在炎热气候下，TC玻璃分别提高了视觉舒适度和热舒适度6.6%和20.7%。此外，TC玻璃还可以与其他技术结合使用，例如TT平行百叶窗透明隔热材料[31]、集成相变材料的TC玻璃[32]和相变材料[33]。这些组合已被证明可以同时提高能源效率和采光性能。
研究表明，TT玻璃能够在改善室内采光和热舒适度的同时提供相当的遮阳效果[34]。研究TT玻璃在DSF中的应用是否能够提升建筑性能是一个值得探讨的问题。因此，本研究提出了一种采用TT玻璃的双层幕墙系统（TT-DSF）。研究人员建造了一个装有TT-DSF的测试房间，并利用五天的实验数据开发并验证了该系统的模型。为了研究TT-DSF是否能够提升建筑性能，本研究使用EnergyPlus模拟软件将其与典型双层幕墙、低辐射双层幕墙和双层玻璃幕墙进行了对比，评估了五个气候区代表性办公室房间中的能源消耗、采光情况和热舒适度。
测试房间
如图1所示，为了评估TT-DSF的性能，在厦门大学建造了一个朝南的测试房间，该房间位于北纬24.5°、东经118.1°，海拔63.3米。房间尺寸为2.45米×2.15米，占地面积5.3平方米，内部高度为2.50米，东墙和西墙装有遮阳窗帘。
朝南墙面的39%区域被两个TT-DSF系统覆盖，每个系统的宽度为0.87米，高度为1.70米。
模型验证
室外天气数据从2024年12月3日17:00持续测量到2024年12月10日17:00。前两天用于模型预热，验证实验从12月5日17:00持续到12月10日17:00，共五天。测量的室外空气温度、风速和太阳辐射量如图10所示。随后，为了验证TT-DSF模型的准确性，还模拟了室内和空腔内的空气温度
讨论
本研究评估了TT-DSF在能源消耗、采光和热舒适度方面的建筑性能。需要指出几个局限性。
- (1)
TC/TT玻璃通常表现出明显的热滞后现象，即其光学响应延迟且取决于温度变化路径。这种行为在建筑能源模拟模型中经常被简化或完全忽略。
- (2)
DSF的空腔采用分区建模方法进行表示
结论
本研究提出了一种TT-DSF系统，旨在提高建筑能源性能、采光和热舒适度。研究人员建造了一个装有TT-DSF的测试房间，并在EnergyPlus软件中开发了相应的建筑性能模型，并利用五天的实验数据验证了其准确性。为了研究TT-DSF是否能够提升建筑性能，本研究将其与典型双层幕墙、低辐射双层幕墙和双层玻璃幕墙进行了对比。
作者贡献声明
洪晓强：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。
邓霞：撰写 – 原稿，可视化，验证，软件应用，数据分析。
游一琳：可视化，验证，软件应用，数据分析。
刘伟强：可视化，软件应用，数据分析。
杨轩：可视化，数据分析。
杨瑞阳：可视化，软件应用。
郑晨元：利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本项工作得到了深圳市科技计划（项目编号JCYJ 20240813145509013）、福建省自然科学基金（项目编号2024J01004）和厦门市科技局（项目编号3502Z20256011）的支持。
