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Jul 27, 2023

Experimentelle Bewertung der Wärme- und Beleuchtungsleistung mit doppelter dynamischer Isolierverglasung

Datum: 24. November 2022 Autoren: Abdultawab M. Qahtan & Abdulkarem HM Almawgani Quelle: Buildings 2022, 12(8), 1249; https://doi.org/10.3390/buildings12081249 Fenster in heißen Klimazonen entwerfen, die

Datum: 24. November 2022

Autoren: Abdultawab M. Qahtan und Abdulkarem HM Almawgani

Quelle:Gebäude2022 , 12(8), 1249; https://doi.org/10.3390/buildings12081249

Die Gestaltung von Fenstern in heißen Klimazonen, die es den Bewohnern ermöglichen, ihre Vorlieben in einem Smart Home einfach zu steuern, ist von erheblicher Bedeutung. Ziel dieses Artikels ist es, einen Beitrag zu diesem Thema zu leisten, indem das Potenzial eines intelligenten Fenstersystems mit doppelter dynamischer Isolierverglasung (DDIG) zur Vermeidung von Wärmegewinnen und zur Maximierung des Tageslichts in Innenräumen untersucht wird, wobei ein intelligenter Schutz der Privatsphäre sowohl tagsüber als auch nachts berücksichtigt wird. Zur Untersuchung des vorgeschlagenen Fenstersystems wurde ein Kleinmodell entwickelt. Untersucht wurden die Temperatur der Testzelle, die Temperatur der Glasoberfläche und die Lux-Beleuchtung im Innenbereich.

Die Ergebnisse zeigten, dass das DDIG eine hohe Kontrolle der Sonnenwärme innerhalb der Testzelle hatte, mit einer deutlichen Reduzierung von 2,5 °C im Vergleich zu der üblichen Verglasung aus durchscheinendem Glas, die in Najran City, Saudi-Arabien, verwendet wird. Bei hohen Sonneneinstrahlungsintensitäten wurden keine signifikanten Unterschiede in der Steuerung des Wärmegewinns zur Testzelle zwischen farbigem DDIG (DDIG-colo) und transparentem DDIG (DDIG-trans) festgestellt. Mit abnehmender Sonnenintensität wurde eine abgestufte Verringerung zwischen DDIG-trans und DDIG-colo festgestellt, die bei Bestrahlungsintensitäten von 200, 400 und 600 W/m² 15 %, 10 % bzw. 8,7 % betrug. Die DDIG-Folien behielten den Beleuchtungs-Lux mit höherer Reduzierung bei geringer Sonneneinstrahlung bei. Die DDIG sorgte außerdem für Schutz der Privatsphäre und gewährte Benutzerpräferenzen für Verbindungen im Freien.

Die sorgfältige Gestaltung von Fenstern in Gebäuden sorgt für ausreichende Energieeinsparungen [1] und angemessenen Sehkomfort für die Bewohner [2]. In heißen Klimazonen sind Fenster im Vergleich zu Wänden eine Hauptquelle für den Wärmegewinn [3,4]. Die Energieeffizienz von Fenstern wird hauptsächlich dadurch erreicht, dass Fenster so konstruiert werden, dass sie den solaren Wärmegewinn kontrollieren [1]. Die Steuerung des solaren Wärmegewinns durch Fensterverglasungen kann auf zwei Arten erfolgen. Die erste besteht darin, die direkte Sonnenstrahlung zu blockieren, die als kurzwellige Strahlung durch die Fensterverglasung dringt und dann in der geschlossenen Umgebung einen Treibhauseffekt erzeugt [5]. Dieser Ansatz kann durch Fensterbeschattung gesteuert werden [6].

Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Wärmefluss (langwelliges IR) durch Fenster zu reduzieren, der durch den Lufttemperaturunterschied zwischen Innen- und Außenbereich bestimmt wird [7]. Hier bietet sich die Reduzierung des Emissionsgrades von Glasoberflächen an und kann durch wärmereflektierende Beschichtungen erreicht werden [8]. In heißen, trockenen Klimazonen ist die Kontrolle des Wärmegewinns durch herkömmliche Fensterverglasungen jedoch eine Herausforderung. Eine Untersuchung des Marktes der Stadt Najran, Saudi-Arabien, wo diese Studie durchgeführt wurde, ergab, dass typische Fensterverglasungen in Wohngebäuden durchscheinendes Glas (Stecknadelkopfglas PG, das hauptsächlich für Sichtschutzzwecke verwendet wird) und getöntes Glas sind. Die Erzielung von Privatsphäre mit durchscheinendem Glas hat viele negative Aspekte, wie z. B. eine minimale Kontrolle des Wärmegewinns und Inflexibilität bei der Sicht und Verbindung nach außen.

Getöntes Glas gibt es in mehreren Farben (Bronze, Grün und Grau) und hat im Vergleich zu durchscheinendem PG einen geringeren U-Wert. In heißen, trockenen Klimazonen besteht der Hauptnachteil von getöntem Glas darin, dass es eine große Menge an Infrarotstrahlung (IR) absorbiert. Im heißen Sommerklima von Najran, wo die Außenlufttemperaturen bis zu 43 °C erreichen können [9], erhöht langwelliges IR (Wärme) die Oberflächentemperatur getönter Verglasungen, die schließlich in Innenräume übertragen werden [4]. Auch getönte Verglasungen führen je nach Tönungsgrad [10,11], Fensterausrichtung und Jahreszeit zu einer Reduzierung des sichtbaren Lichts [12].

Wärmereflektierendes Glas mit niedrigem Emissionsgrad ist aufgrund seiner Fähigkeit, Wärmeenergie in den umgebenden Raum zu reflektieren, die bevorzugte Wahl für Umgebungen mit hohen Außenlufttemperaturen [13]. Das heißt, wenn die Oberfläche nach außen zeigt, wird die Wärme an die Außenseite des Gebäudes abgegeben. Um die Haltbarkeit der Low-E-Beschichtung aufrechtzuerhalten, muss eine Doppelverglasung mit Vakuum verwendet werden [14]. Im heißen Klima muss eine Low-E-Beschichtung auf die Zwischen- und Außenscheibe der Doppelverglasung aufgetragen werden, um die Innenräume vor Wärmestrahlung zu schützen [15]. Diese doppelte Low-E-Beschichtung muss auch in getöntes Glas integriert werden, um den optischen direkten solaren Wärmegewinn zu reduzieren [16].

Diese Tönung führt jedoch dazu, dass Low-E-Glas die Tageslichtbeleuchtung in Innenräumen reduziert und nicht flexibel auf unterschiedliche Tageszeiten und Wetterbedingungen reagieren kann. Insbesondere kann es nachts keinen einfachen Schutz der Privatsphäre bieten. Daher ist eine intelligente und dynamische Tönung (Folie) erforderlich, die mit einer doppelten Low-E-Klarverglasung integriert ist. Dies ist besonders wichtig für Wohngebäude in konservativen Gesellschaften, wo Fensterverglasungen eine sorgfältige Auswahl erfordern, um das Wohlbefinden der Mieter zu steigern, indem sie einen akzeptablen Blick nach draußen ermöglichen [17], ohne den Schutz der Privatsphäre zu beeinträchtigen.

Ein Fenster für Privatsphäre bei Tag und Nacht in Wohngebäuden ist wichtig für den Komfort. Typische Lösungen zur Gewährleistung der Privatsphäre umfassen Jalousien und Rollos; haben jedoch Einschränkungen. Beispielsweise verdunkeln sie einen Raum und reduzieren die Verbindung nach draußen. Andererseits können farbige und getönte Verglasungen tagsüber die Privatsphäre im Haus verbessern, bieten aber nachts keine Privatsphäre. Es reduziert auch die Tageslichteinstrahlung tagsüber [10,11]. Derzeit gibt es auf dem Markt keine Fensterverglasungen, die sowohl Privatsphäre als auch Außenverbindung bei Tag und Nacht bieten.

Eine einzigartige Lösung ist in diesem Zusammenhang ein Fenstersystem mit intelligentem und dynamischem Glas. Zu den beliebtesten Arten von Smart Glass gehören elektrochromes (EC) und polymerdisperses Flüssigkristallglas (PDLC). Diese Arten von Smart Glass mit elektrischen Signalen können sowohl im transparenten als auch im transluzenten Zustand eine höhere Tageslichtdurchlässigkeit ermöglichen [18]. Sie verringern auch die Durchlässigkeit der Sonnenstrahlung, ohne dass Sonnenschutzvorrichtungen wie Jalousien erforderlich sind [19], und können auch zum Schutz der Privatsphäre verwendet werden [20]. Die Verwendung von EC weist einige Nachteile auf, darunter eine langsame Schaltgeschwindigkeit und hohe Produktionskosten [21]. PDLC ist jedoch das wirtschaftlichste Smart Glass [22] und verfügt über eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit mit einer Färberate von 1 s oder weniger [23].

Es wurden mehrere Studien zu Fensterverglasungen mit einer PDLC-Folie durchgeführt. Hemaida et al. [24] untersuchten die Auswirkung von PDLC-Fenstern auf die Gesamtenergieleistung von Bürogebäuden mithilfe eines Simulationsprogramms in zwei gegensätzlichen Klimazonen: einem trockenen Klima (Riad, Saudi-Arabien) und einem gemäßigten Klima (London, Vereinigtes Königreich). Sie kamen zu dem Schluss, dass das PDLC-Fenster mit einer Reduzierung der Kühlung um 12,8 % (trockenes Klima) wirksamer war als eine Reduzierung der Erwärmung um 4,9 % (gemäßigtes Klima). Sie fanden außerdem heraus, dass der PDLC in beiden Klimazonen eine hervorragende Innenbeleuchtung lieferte.

In einer anderen Studie haben Hemaida et al. [22] untersuchten die optische und thermische Leistung eines PDLC-Verglasungssystems für den transluzenten und transparenten Zustand. Eine kleine Testzelle mit PDLC-Verglasung wurde 3 Stunden lang einer Sonneneinstrahlung von 1000, 800, 600 und 40 W/m² ausgesetzt. Das wichtigste Ergebnis war, dass das PDLC-Verglasungssystem eine effektive thermische Leistung zum Heizen in einem kalten Klima zeigte, mit Werten des solaren Wärmegewinnkoeffizienten (SHGC) von 0,68 für den transparenten und 0,63 für den durchscheinenden Zustand. Ghosh und Mallick [25] versuchten, die optischen Eigenschaften von PDLC-Verglasungen für Bauanwendungen zu ermitteln.

Sie fanden heraus, dass der PDLC-transparente Zustand eine Durchlässigkeit für Sonnenstrahlung (Wellenlängen von 300–2500 nm) von 41 % bot, während die des durchscheinenden Zustands 23 % betrug. Oh et al. [26] bewerteten die optischen Eigenschaften von vier Arten von PDLC-Folien und kamen zu dem Schluss, dass PDLC-Folien den jährlichen Energieverbrauch des Gebäudes senkten und die Tageslichtleistung verbesserten, während gleichzeitig Blendschutz, die grundlegendste Funktion von Beschattungsvorrichtungen, berücksichtigt wurde. Tabelle 1 fasst die früheren Studien zusammen, die zu den thermischen und lichttechnischen Eigenschaften von PDLC im transparenten und durchscheinenden Zustand durchgeführt wurden.

Tabelle 1. Wärme- und Lichteigenschaften von PDLC-Verglasungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eines der wichtigsten unterstützenden Merkmale des Smart-Home-Konzepts die Fähigkeit ist, die dynamischen Veränderungen der Sonneneinstrahlung zu überwachen und dann mithilfe intelligenter Fenster energieeffizient zu arbeiten [27,28]. Ziel dieser Studie ist es, das Potenzial eines intelligenten Fenstersystems mit doppelter dynamischer Isolierverglasung (DDIG) zu untersuchen, um einen Wärmegewinn zu verhindern und das natürliche Licht in Innenräumen zu maximieren, ohne den Schutz der Privatsphäre zu Hause bei Tag und Nacht zu beeinträchtigen. Daher schlägt die Studie ein DDIG-System vor, nämlich eine Doppelverglasung mit einer Low-E-Beschichtung auf der Innenfläche der äußeren Glasscheibe, kombiniert mit einer schaltbaren PDLC-Folie auf der Innenfläche der zweiten Glasscheibe. Die Bedeutung dieser Studie besteht darin, dass das vorgeschlagene System zur Verbesserung der thermischen und visuellen Leistung beiträgt und einen dynamischen Sichtschutz für Wohngebäude bietet.

2. Methodik

Die grundlegenden experimentellen Methoden zur Bewertung der Gebäudeleistung sind kleine experimentelle Modelle, Modelle im Originalmaßstab, analytische Modelle und Simulationsmodelle [29]. Allerdings handelt es sich beim kleinmaßstäblichen Modell um eine experimentelle Technik, um Daten über die Auswirkungen neuer Materialien und neu gestalteter Elemente in Gebäudehüllen zu sammeln [30]. Auch wenn die Wärme- und Lichtleistung möglicherweise nicht mit der im tatsächlichen Raum unter Außenbedingungen übereinstimmt, bietet diese Methode mehrere Vorteile. Beispielsweise ist es viel wirtschaftlicher [29], leicht anpassbar und liefert experimentelle Daten, die in Modellierungen und Computersimulationen verwendet werden können.

Um das vorgeschlagene Verglasungssystem eines DDIG-Systems zu untersuchen, wurden Laborexperimente unter Verwendung eines kleinen Modells sowie verschiedener Materialien und Geräte konzipiert. Die folgenden Abschnitte beschreiben das DDIG-System, die Ausrüstung, mit der die Auswirkung des DDIG-Systems auf die Wärmeleistung und die Beleuchtungsstärke in der Testzelle untersucht wird, sowie die Fähigkeit des Systems, die Privatsphäre zu Hause zu schützen.

2.1. Prüfzelle, Verglasungssystem und Instrumentierung

Die Messungen wurden in einer kleinen Umwelttestzelle mit einer Breite von 80 cm, einer Tiefe von 80 cm und einer Höhe von 60 cm durchgeführt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Testzelle wurde von außen nach innen aufgebaut (18 mm Sperrholz + 10 mm ARNON). Isolierung +6 mm Sperrholz). Die Testzelle wurde in Doppelwänden mit einem Abstand von 10 cm an den beiden Seitenwänden und 20 cm an der Rückwand gebaut und bildete Innenabmessungen von 60 L × 60 B × 60 H zu einem repräsentativen kubischen, unmöblierten Raum des maßstabsgetreuen Modells ( 1:5). Die Doppelwände sorgten für mehr Isolierung und schufen einen sicheren Hohlraum für einen Datenlogger. Alle Innenwände der Zelle wurden mit weißer Farbe bemalt.

Die Vorderwand (60 cm breit), die ein Fenster von 30 cm × 30 cm hatte, führte zu einer WWR von 25 %, was 5 % mehr ist als die von der saudischen Bauordnung empfohlene WWR von 20 % [31]. Dies liegt daran, dass die Verkäufer Glasurmuster in einer Größe von 30 cm × 30 cm anbieten. Das DDIG wurde speziell für diese Studie von der HUAKE TEK Industry konstruiert (5 mm klares Low-E-Glas + 12 mm Luftspalt + PDLC-Folie + 5 mm klares gehärtetes Glas), wie in Abbildung 1 dargestellt. Die PDLC-Folie ist in ein Doppel integriert Low-E-Glas kann entweder vom Benutzer oder automatisch durch die äußere Umgebung (Außenlufttemperatur, äußere Sonneneinstrahlung, äußere Beleuchtungsstärke) gesteuert werden. Die optischen Eigenschaften des PDLC wurden zuvor als Zusammenfassung mehrerer früherer Studien diskutiert (Tabelle 1).

Die Testzelle war mit Oberflächentemperatur-, Lufttemperatur- und Lux-Sensoren ausgestattet, um ihre Leistung über das DDIG zu messen. Ein LSI R-Log-Datenlogger wurde verwendet, um die Lufttemperatur in der Testzelle und die Umgebungstemperatur (Laborraum), die Innen- und Außentemperatur der Glasoberfläche sowie die Beleuchtungsstärke in der Testzelle zu messen. Zu Beginn des Tests wurde ein Extech-Infrarot-Thermometer verwendet, um die Messunsicherheit zu verringern. Zur intelligenten Steuerung der DDIG-Folien wurde an der Vorderwandseite des Fensters ein BH1750FVI-Sensor angebracht und mit einem Arduino verbunden. Tabelle 2 enthält Informationen zu den Sensoren und ihren Genauigkeiten.

Tabelle 2. Technische Charakterisierung der Sensoren und ihrer Genauigkeiten.

2.2. Sonnensimulator

Solarsimulatoren werden in Laborexperimenten mit einer verkleinerten Gebäudefläche eingesetzt, um Einflussfaktoren auf Gebäude unter kontrollierten Bedingungen zu testen. Sonnensimulatorsysteme sind kostspielig, aber ein kostengünstiger Sonnensimulator kann mit mehreren Lampentypen entworfen werden, die den gesamten Strahlungswellenlängenbereich abdecken. Da diese Studie die Wärme- und Beleuchtungsleistung eines Fenstersystems untersucht, profitiert sie von den Fortschritten von Metallhalogenidlampen mit einer guten spektralen Anpassung an die Sonnenstrahlung im Bereich von 200 nm bis weit über 2500 nm und Temperaturen im Bereich von 5000 K bis 6000 K (fast ähnlich den 5800 K der Sonnenoberfläche) [32,33,34]. In der vorliegenden Studie wurde ein Sonnensimulator mit einer warmweißen Osram-Halogen-Metalldampflampe mit einer Leistung von 150 W und einer Temperatur von 4000 K entworfen.

Bei den Messungen wurde ein Arduino zum Ein- und Ausschalten der Simulatorlampe verwendet. Die Sonneneinstrahlung wurde simuliert, indem die Helligkeit der Metallhalogenidlampe durch Anpassung des Abstands zum Fenstersystem variiert wurde. Der Wert der Sonneneinstrahlung wurde mit einem Extech HD 450 Luxmeter bestätigt, das einen Bereich von 0,0 bis 400 Klux misst, mit einer Grundgenauigkeit von ±5 %. Der Umrechnungsfaktor von Beleuchtungsstärke Lux in Sonneneinstrahlung betrug 1 W/m², was 116 für künstliches Licht von Sonnensimulatoren und 120 für natürliches Sonnenlicht im Freien entspricht [35]. Ein digitaler Lichtsensor BH1750FVI wurde an einer Seite der Außenhaut des Verglasungssystems angebracht und mit dem Arduino verbunden, um die DDIG-Transparenz gemäß dem Experimentplan zu steuern, der 60 oder 120 Minuten Belichtung bei jeder der acht verschiedenen Transparenzen und 120 Minuten umfasste Mindestpause zwischen den einzelnen Fällen.

2.3. Betrieb mit dynamischer Sollwertregelung

Der Arduino passte den Transparenzprozentsatz des PDLC-Glases entsprechend der dynamischen Sollwertsteuerung an. Jeder Betriebsfall dauerte 60 Minuten (in einigen Fällen 120 Minuten), gefolgt von einer 120-minütigen Abschaltung zum Abkühlen des Systems. Abbildung 2 zeigt den vorgeschlagenen Schaltplan, der alle elektrischen Schaltkreiskomponenten verdeutlicht.

Tabelle 3 zeigt die Berechnung der Widerstände (Rcase und RL) in verschiedenen Transparenzfällen. Die Widerstände stellen die entsprechende Spannung für den entsprechenden Gradienten wie folgt bereit:

Tabelle 3. Widerstandsmessung in verschiedenen Transparenzfällen.

Die Spannung variierte von 2 V bis 14 V, mit sieben Gehäusen, um die sieben benötigten Transparenzen des vorgeschlagenen PDLC-Systems bereitzustellen.

Der Widerstand von PDLC wurde gemessen, wobei RPDLC = 120 kΩ und Rs mit 10 kΩ angenommen wurde.

Der Lastwiderstand besteht aus zwei parallelen Widerständen.

Der Wert des Zustandswiderstands kann aus Gleichung (1) abgeleitet werden und das Ergebnis ist wie folgt:

Die Spannung am PDLC gemäß Spannungsteiler ist gegeben:

Die verschiedenen Lastwiderstände in verschiedenen Fällen aus Gleichung (3) lassen sich wie folgt ableiten:

Zur Berechnung der Widerstände wurde jeweils Gleichung (1) verwendet. Wir gingen davon aus, dass die sieben Szenarien in Tabelle 3 mit sieben Spannungen im Bereich von 2 bis 14 Volt deutliche Abstufungen auf dem PDLC-Film erzeugten. In jeder Situation kann der Gesamtlastwiderstand berechnet und ein Wert in Gleichung (2) eingesetzt werden, um Rcase zu berechnen.

Tabelle 3 zeigt keinen Unterschied zwischen dem Lastwiderstand und dem Gehäusewiderstand. Der Grund für dieses Ergebnis liegt darin, dass der Lastwiderstand aus zwei parallelen Widerständen bestand, von denen einer der Filmwiderstand war, der im Vergleich zum Gehäusewiderstand einen sehr hohen Wert aufwies. Nach mathematischen Gesetzen entspricht die Summe zweier paralleler Widerstände, bei denen der erste sehr klein und der zweite sehr groß ist, einer Annäherung an den kleinen.

Abbildung 3 zeigt das vorgeschlagene DDIG-Systemflussdiagramm des Arbeitsablaufs:

2.4. Doppeltes dynamisches Isolierverglasungssystem, DDIG

Um ein einzigartiges dynamisches Isolierverglasungssystem für Wohngebäude in heißen Klimazonen zu schaffen, wurde die Doppelverglasung mit schaltbarer PDLC-Folie auf der der Testzellenumgebung zugewandten Innenfläche angebracht und mit einer Außenplatte mit einer Low-E-Beschichtung auf der Innenseite kombiniert Oberfläche, die dem Hohlraum zugewandt ist. Um der dynamischen Sonneneinstrahlung während des Tages gerecht zu werden, wurden dynamische Transparenzen gewählt. Diese Technologie bot auch die Flexibilität, tagsüber in einen transparenten Zustand zu wechseln, um eine Außenverbindung bereitzustellen, und nachts zum Schutz der Privatsphäre in einen farbigen Zustand zu wechseln.

Um unterschiedliche Transparenzen von DDIG zu erreichen, konnte eine unterschiedliche Spannung an die Innenhaut des Systems angelegt werden, das über einen PDLC-Film verfügte, wobei ein Arduino mit einer Schrittspannung von 2 V bis 14 V verwendet wurde, um unterschiedliche Transparenzniveaus zu erhalten. Tabelle 4 zeigt die DDIG mit verschiedenen Transparenzen von PDLC-Filmen, beginnend mit dem farbigen Zustand (t1-colo), gefolgt von t2 bis t7 und endend mit dem transparenten Zustand (t8-trans). Die Fotos in Tabelle 4 wurden aufgenommen, als die beiden Seiten des DDIG der gleichen Lichtintensität ausgesetzt waren.

Tabelle 4. Fotos verschiedener DDIG-Transparentfolien im Vergleich zu 6-mm-Stecknadelkopf und klarem Glas. Beide Seiten waren der gleichen Beleuchtung ausgesetzt.

Tabelle 5 fasst die Versuchsplanung mit den beiden Entwurfsparametern DDIG-Transparenz und Sonnenstrahlungsintensität mit 6 × 8 = 48 Tests zusammen. Die dynamische Transparenz von DDIG wurde von einem Arduino gesteuert, der acht Farbverlaufstransparenzen bereitstellte. Diese beiden Designparameter wurden für drei Reaktionsparameter untersucht, nämlich die Temperatur der Glasoberfläche, die Lufttemperatur der Testzelle und die Beleuchtungsstärke in der Testzelle. Abbildung 4 zeigt ein Foto des Versuchsaufbaus, der zur Bewertung des vorgeschlagenen DDIG-Systems verwendet wurde.

Tabelle 5. Design der Experimente, 48 Fälle.

3.1. Vergleichende Bewertungen – Basislinie

Die Experimente in dieser Studie begannen mit einer vorläufigen Untersuchung, um die häufig verwendete Einzel-PG-Fensterverglasung in Wohngebäuden von Najran mit dem doppelt isolierten (Low-E)-Verglasungssystem DIG zu vergleichen. Der Beginn der Experimente durch den Vergleich von Clear Glass CG und PG mit DIG (d. h. der Basislinie des vorgeschlagenen DDIG-Systems) lieferte aufgrund der großen Unterschiede in den Werten ein klareres Bild der Zuverlässigkeit der Experimente und Messungen. Vergleiche wurden auf der Grundlage der Unterschiede in der Außen-/Innenlufttemperatur und den Glasoberflächen sowie dem Lux-Wert innerhalb der Testzelle durchgeführt.

Abbildung 5 zeigt, dass die Testzelle einer Sonneneinstrahlung von 800 W/m2 ausgesetzt war und die Umgebungstemperatur (Laborraum) zwischen 28,1 und 28,8 °C blieb, da die Klimaanlage während der Versuchsdauer ausgeschaltet war. Andere Faktoren wie Luftgeschwindigkeit und relative Luftfeuchtigkeit im Laborraum wurden als konstant und vernachlässigbar angesehen, da während des Versuchszeitraums keine Änderungen an der Laborraumumgebung auftraten.

Abbildung 5 vergleicht die Lufttemperatur und die Glasoberflächentemperatur von CG, PG, DIG und DDIG-trans bei einer Sonneneinstrahlung von 800 W/m2, was dem Maximalwert auf horizontalen Flächen für sonnige Sommertage in Saudi-Arabien entspricht [36]. Ein Vergleich der Temperatur innerhalb der Testzelle zeigte, dass PG eine bessere Leistung als CG erbrachte, mit einem kleinen Unterschied von 0,5 °C nach 60-minütiger Einwirkung der Sonnensimulatorlampe. Innerhalb dieser kurzen Testdauer trug DIG mit einer Reduzierung um 2,2 °C im Vergleich zu PG erheblich zur Kontrolle des Wärmegewinns in Innenräumen bei. Das Aufbringen eines PDLC-Films in seinem transparenten Zustand auf die Innenhaut von DIG (DDIG-trans) führte zu einer leichten Verbesserung (weniger als 0,5 °C) bei der Kontrolle des solaren Wärmegewinns nach innen im Vergleich zum Ausgangswert von DIG.

Abbildung 5 zeigt auch, dass die Innenoberflächentemperatur von DIG 38 °C erreichte, was einer Reduzierung von etwa 17 °C im Vergleich zum herkömmlichen PG entspricht, das eine Innenoberflächentemperatur von etwa 55 °C aufweist. Ein Anstieg der Innenoberflächentemperatur um etwa 3,3 °C im Diagramm von DDIG-trans im Vergleich zum Innenglas von DIG kann auf die Spektraldaten des PDLC-Films auf der Innenhaut von DDIG zurückgeführt werden, der eine stärkere Absorption von Sonnenenergie aufweist im Vergleich zum Klarglas des DIG.

Es wurde eine Voruntersuchung zur Leistung des vorgeschlagenen Verglasungssystems (DDIG) im transparenten Zustand (DDIG-trans) im Vergleich zu PG und DIG durchgeführt, die in Wohngebäuden mit unterschiedlichem Nutzungsanteil eingesetzt werden. Aufgrund der hohen Kosten wurde festgestellt, dass DIG am seltensten genutzt wird. Allerdings hat die Verwendung von DIG auch Nachteile, da die Farbe (getöntes Glas) die Lichtdurchlässigkeit verringert und die klare Außenverbindung und die Privatsphäre der Bewohner, insbesondere nachts, einschränkt. Nachdem jedoch die Wärme- und Lichtleistung des vorgeschlagenen DDIG-Systems untersucht wurde, bieten die folgenden Abschnitte ausführliche Experimente und Diskussionen über die dynamische Transparenz von DDIG zur Anpassung an die dynamische Sonnenstrahlung und die Tag-/Nachtzeit.

3.2. Dynamische Transparenz von DDIG in Übereinstimmung mit der Dynamik der Sonnenstrahlung

Die Sonneneinstrahlung variiert im Tagesverlauf und an verschiedenen Fassaden und Gebäudeausrichtungen. Diese Variationen erfordern die Gestaltung dynamischer Fenster, die in Zeiten hoher Sonneneinstrahlung im Sommer für Schatten sorgen, die Wahl von mehr Tageslicht und Außenanschluss in Zeiten geringerer Sonneneinstrahlung ermöglichen und den intelligenten Schutz der Privatsphäre der Nutzer vor Sonneneinstrahlung berücksichtigen. Das vorgeschlagene DDIG-Fenstersystem, das eine Low-E-Beschichtung und dynamische Schattierung einer PDLC-Folie umfasst, wurde bei verschiedenen Sonneneinstrahlungsintensitäten mit unterschiedlichen Transparenzen untersucht.

3.2.1. Wärmeleistung verschiedener Transparenzen des DDIG-Systems

Die umfangreichen Experimente umfassten 48 Fälle (Tabelle 5). Acht verschiedene DDIG-Transparentfolien (t1–t8) wurden einem konstanten Indoor-Sonnensimulator bei unterschiedlichen Bestrahlungsintensitäten (nämlich 1000, 800, 600, 400 und 200 W/m2) für 60-minütige Belichtungszeiten ausgesetzt. Die Temperatur außerhalb der Testzelle, also die Temperatur des Labors, blieb zwischen 28,1 und 28,8 °C. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt und werden wie folgt besprochen:

Tabelle 6. Dynamische Transparenz des DDIG als Funktion verschiedener Sonneneinstrahlungsintensitäten.

Abbildung 6 fasst die Ergebnisse zusammen und vergleicht die Temperaturunterschiede zwischen der Testzelle und der Umgebung. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um durchschnittliche Belichtungszeiten von 60 Minuten mit der Sonnensimulatorlampe für die 48 Fälle. Bei allen DDIG-Transparentfolien wurde bei hoher Sonneneinstrahlung von 1000 und 800 W/m² ein geringfügiger Unterschied in der Raumlufttemperatur (geringere Kontrolle des Wärmegewinns) festgestellt.

Es wurde festgestellt, dass eine Verbesserung der Fähigkeit des DDIG, den Wärmegewinn zu reduzieren, umgekehrt proportional zur Intensität der Sonneneinstrahlung ist, wobei die Effizienz des DDIG mit abnehmender Sonneneinstrahlung zunahm. Darüber hinaus zeigten die untersuchten Transparentfolien (insbesondere t4, t5 und t6) bei allen Sonneneinstrahlungsintensitäten keine signifikanten Schwankungen bei der Steuerung des Wärmegewinns im Testzellenraum. Die linearen Diagramme in Abbildung 6 zeigen, dass farbiges DDIG bei geringer Sonneneinstrahlung eine bessere Wärmekontrolle aufwies als bei starker Sonneneinstrahlung.

3.2.2. Validierung der DDIG-Wärmeleistung beider Gehäuse: farbig und transparent

Die obigen Ergebnisse zeigten, dass bei hoher Sonneneinstrahlung (z. B. 800 W/m²) keine signifikanten Unterschiede zwischen den t1-colo- und t8-trans-Zuständen bei der Steuerung der Wärmeübertragung nach innen festgestellt wurden. Zur weiteren Diskussion und zur Bestätigung dieser Ergebnisse wiederholte die Studie das Experiment, indem sie die Expositionszeit für jeden Fall auf 120 Minuten erhöhte. Abbildung 7 vergleicht den Referenzfall des DIG (Doppelglas mit Low-E-Beschichtung auf dem Innenglas der Außenscheibe) mit dem vorgeschlagenen DDIG-System in seinen beiden Zuständen: dem transparenten Zustand (DDIG_t8-trans.) und dem farbigen Zustand (DDIG_t1). -colo.).

Die linke Seite von Abbildung 7 vergleicht die Lufttemperaturunterschiede zwischen der Umgebung (Laborraum) und innerhalb der Testzelle. Bei einer Bestrahlungsintensität von 800 W/m² wurden Lufttemperaturunterschiede zwischen DIG, transparentem DDIG und farbigem DDIG von 3,8, 3,7 bzw. 3,4 °C festgestellt. Ein geringerer Unterschied weist auf eine bessere Leistung und eine bessere Kontrolle des Wärmegewinns hin. Daher traten zwischen diesen Fällen keine gravierenden Unterschiede bei der Kontrolle der Wärmezunahme auf, mit einer geringen Präferenz für das farbige DDIG (t1-colo), was die Ergebnisse in Abbildung 6 und Tabelle 6 bestätigt. Diese Ergebnisse stimmen mit denen überein, die von den Autoren von [ 26], die eine PDLC-Spektrumanalyse durchführten und feststellten, dass die Sonnendurchlässigkeit im gefärbten Zustand im Vergleich zum transparenten Zustand um 15,8 % verringert war.

Darüber hinaus stimmen unsere Ergebnisse mit denen der Autoren von [24] überein, wo der farbige PDLC-Zustand im heißen, trockenen Klima von Riad, Saudi-Arabien, eine jährliche Energieeinsparung von 12,8 % erzielte. Im Gegensatz dazu kommt das von den Autoren von [22] gefundene Ergebnis zu dem Schluss, dass die Anwendung von farbigem PDLC auf Einfachverglasungen im Vergleich zu ihrem transparenten Zustand zu einem erhöhten Wärmegewinn führt. Die Verbesserung der Wärmeübertragungskontrolle in der vorliegenden Studie kann jedoch auf die Integration von PDLC-Folie mit Isolierverglasung von Low-E in einem Doppelfenster zurückgeführt werden, das das vorgeschlagene DDIG-System bildete.

In Bezug auf die Glasoberflächentemperatur bei 120-minütiger Einwirkung der Sonnensimulatorlampe zeigt Abbildung 7 einen schnellen Anstieg der Temperaturunterschiede der Verglasungsoberflächen des DDIG. Nach 75 Minuten begannen sich die Temperaturunterschiede zu stabilisieren und blieben in beiden Zuständen, nämlich dem transparenten und dem farbigen Zustand, auf ungefähr gleichen Werten. Die Basislinie des DIG zeigte eine andere Reaktion, wobei die Glasoberflächentemperatur weiter anstieg, während das Fenstersystem der Lampe des Sonnensimulators ausgesetzt wurde. Dies zeigte den Vorteil des DDIG bei der Kontrolle der Wärmezunahme im Vergleich zum Referenzfenster des DIG.

Abbildung 7 zeigt auch, dass die Unterschiede zwischen den äußeren und inneren Glasoberflächentemperaturen von DIG, transparentem DDIG und farbigem DDIG jeweils 19,6, 16,5 und 17,9 °C betrugen. Bemerkenswerterweise wurde beim transparenten DDIG bei einer Bestrahlung von 800 W/m² ein geringerer Unterschied festgestellt. Nach 120-minütiger Belichtung hatte das äußere Glas von transparentem DDIG und farbigem DDIG eine Oberflächentemperatur von etwa 60,3 bzw. 60,9 °C, während die innere Oberflächentemperatur 43,8 °C bzw. 43,0 °C betrug.

Allerdings blieb die innere Glasoberflächentemperatur des DDIG niedriger als die des äußeren, was zu einer geringeren Wärmeenergieübertragung nach innen führte. Dieser Befund steht im Widerspruch zu den Ergebnissen der Autoren von [22], bei denen die Temperatur der inneren Glasoberfläche höher war als die der äußeren Glasoberfläche, was dazu führte, dass Wärme nach innen floss. Die Verbesserung des vorgeschlagenen DDIG lässt sich auf seine Doppelverglasung zurückführen, die isoliertes Low-E-Glas als erste Haut und PDLC als zweite Haut verwendet.

3.3. Lichtdurchlässigkeit und Beleuchtungslux mit dem DDIG-System

Die Lichtdurchlässigkeit und die Beleuchtung der Testzelle wurden untersucht, um zu verstehen, wie die einzelnen Fälle im Vergleich abschneiden. In Bezug auf die Innenbeleuchtungsstärke zielte die Studie darauf ab, zu ermitteln, wie gut ein DDIG-System mit verschiedenen Transparenzen Licht in die Testzelle unter verschiedenen Sonnensimulator-Bestrahlungsstärken von 100 W/m² bis 1000 W/m² übertragen kann.

Die Lichtdurchlässigkeit wurde an der Testzelle (Feldmessung) mit zwei Luxmetern gemessen, die beidseitig am DDIG-System angebracht waren. Einer der Luxmeter wurde senkrecht an der Außenhaut der äußeren Glasscheibe angebracht, der Sonnensimulatorlampe zugewandt. Gleichzeitig wurde das zweite Luxmeter vertikal an der Rückseite der inneren Glasoberfläche angebracht, die dem Inneren der Testzelle zugewandt war, um die Lichtmenge zu messen, die durch das DDIG gelangt. Aufgrund der Trübung der DDIG-Farbe wird das Licht in mehr Winkeln durchgelassen als bei einer Probe, die nicht getrübt ist. Für eine genaue Messung wurde das Luxmeter jedoch 5 cm hinter der Innenhaut platziert.

Zur Validierung der Testergebnisse der Lichtdurchlässigkeit wurde ein klares Floatglas von 6 mm verwendet. Daher wurde die Lichtdurchlässigkeit für das DDIG-System anhand der folgenden Gleichung berechnet.

wobei I = durchgelassenes Licht, gemessen am inneren Glas des DDIG, und Io = einfallendes Licht am äußeren Glas des DDIG.

Abbildung 8 zeigt die Lichttransmissionen des DDIG-Systems. Die durchschnittliche Lichtdurchlässigkeit für die gesamte Sonneneinstrahlung betrug 58 %, 24 % bzw. 13 % für den 6-mm-Klarglas-, transparenten (t8-trans) und farbigen (t1-colo) Zustand. Während der geringen Sonneneinstrahlung von 100 bis 200 W/m² bot das DDIG eine höhere Lichtdurchlässigkeit von 32,5 % bei t8-trans im Vergleich zu 17 % bei t1-colo. Diese Variation weist darauf hin, dass DDIG-t1-colo bei geringer Sonneneinstrahlung zusätzlich zum Blendschutz für Licht in Innenräumen sorgen konnte.

Unter der hohen Sonneneinstrahlung von 600 bis 1000 W/m² schwankte die Lichtdurchlässigkeit bei t8-trans bzw. t1-colo zwischen 18 % und 11 %. Bei direkter Beobachtung kann ein Sichtschutz in Innenräumen im Bereich von t1-colo bis t4 erreicht werden, wobei die durchschnittliche Lichtdurchlässigkeit zwischen 13 und 16 % variiert. Frühere Studien berichteten jedoch, dass der PDLC-Trübungskoeffizient von t1-colo 71,4 % und von t8 6,4 % betrug [22].

Im Hinblick auf die Beleuchtungsleistung innerhalb der Testzelle mit dem vorgeschlagenen DDIG-System wurden die Messungen in 150 mm Höhe in der Mitte der Testzelle durchgeführt. Die Ergebnisse sind eine Funktion unterschiedlicher Sonneneinstrahlung und unterschiedlicher DDIG-Transparenz. Abbildung 9 zeigt, dass der Beleuchtungs-Lux mit zunehmender DDIG-Transparenz allmählich zunahm. Beispielsweise stieg die Beleuchtung innerhalb der Testzelle bei 800 W/m² von 1430 Lux bei t1-colo auf 1605 Lux bei t8-trans, was einer Steigerung von etwa 10 % entspricht. Ebenso wurde bei der geringen Sonneneinstrahlung von 200 W/m² ein Anstieg der Beleuchtungs-Lux um etwa 15 % von 690 Lux bei t1-colo auf 795 Lux bei t8-trans festgestellt. Die dynamischen Transparenzen des DDIG zeigten eine bessere Kontrolle des Beleuchtungslux innerhalb der Testzelle bei geringer Sonneneinstrahlung als bei starker Sonneneinstrahlung.

Daher halten die dynamischen Transparenzen des DDIG die Beleuchtungsstärke (Tageslicht) in Innenräumen bei diffusem Tageslicht besser aufrecht als bei direkter Sonneneinstrahlung. Allerdings bietet die DDIG weiterhin Schutz für die Privatsphäre und kann eine Blendungskontrolle bei Tageslicht bieten (durch Kontrolle der direkten Sonneneinstrahlung). Beim Vergleich des Farbzustands des DDIG (t1-colo) mit dem herkömmlichen PG kam es zu einer starken Verringerung der Beleuchtungs-Lux, mit einer durchschnittlichen Reduzierung um etwa 60 % unter dem DDIG bei Sonneneinstrahlung zwischen 400 W/m² und 100 W/m². Im farbigen Zustand des DDIG trug eine besser sichtbare Lichtschattierung zusätzlich zu ihrer Wirkung auf die Steuerung der Wärmedurchlässigkeit zu einem besseren Schutz der Privatsphäre bei. Die dynamische Transparenz der PDLC-Folie in Kombination mit einer Low-E-Verglasung als Doppelverglasung (DDIG-System) bot die Flexibilität, auf die Wünsche der Mieter nach dynamischer Sonneneinstrahlung und Schutz der Privatsphäre des Hauses tagsüber und nachts zu reagieren.

3.4. Optimale Transparenz des DDIG-Systems für Häuser in heißem Klima

Die Bedeutung der dynamischen Transparenz des vorgeschlagenen DDIG-Systems für Wohngebäude in heißen Klimazonen der Stadt Najran beruht auf seiner Fähigkeit, auf dynamische Sonnenstrahlung zu reagieren, die zur Blendungskontrolle des Tageslichts und zur Reduzierung des Wärmegewinns beiträgt, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen PG-Verglasungen das hauptsächlich in Wohngebäuden von Najran verwendet wird. Das DDIG bietet außerdem dynamischen Sichtschutz und gewährt abhängig von den Außenbedingungen eine Außenverbindung.

Das Konzept reagiert auf ausgewählte Solarsollwerte (100 W/m² bis 1000 W/m²), abgestimmt auf unterschiedliche Transparenzen des DDIG (t1-colo bis t8-trans). Es funktioniert durch die Integration zweier Lux-Sensoren außerhalb und innerhalb der Räume sowie eines Außensensors für die Sonneneinstrahlung. Basierend auf den zuvor besprochenen Ergebnissen fasst Tabelle 7 die optimalen Transparenzen des DDIG in Bezug auf dynamische Sonneneinstrahlung, Beleuchtungsstärke und Sichtschutz zusammen. Die optimalen Transparenzen des DDIG wurden wie folgt ermittelt.

Tabelle 7. Vorgeschlagene Transparenzen des DDIG in Abhängigkeit von der externen Sonneneinstrahlung.

3.5. Grenzen der Studie

Das DDIG-System wurde mit verschiedenen Transparentfolien bei verschiedenen Sonneneinstrahlungsstärken untersucht. Es war jedoch schwierig, eine bestimmte Sonneneinstrahlung im Freien von 100 W/m² bis 1000 W/m² aufrechtzuerhalten, um die acht Fälle von DDIG (t1-colo bis t8-trans) an jeder einzelnen Sonne zu untersuchen. Um die Auswirkungen der Außenumgebungsbedingungen zu reduzieren, wurde ein kleines Modell verwendet, um genaue Messungen des solaren Wärmegewinns, der thermischen Leistung und der Lichtdurchlässigkeit des DDIG-Systems in einer Innenumgebung zu erhalten, wobei nur das vorgeschlagene Glassystem berücksichtigt wurde. Dies trug dazu bei, dynamische Transparenz zu erzeugen, die den Steuersollwerten entsprach, um die Leistung des DDIG-Systems zu optimieren. Darüber hinaus erforderte ein Modell im kleinen Maßstab geringe Kosten und Platz.

Darüber hinaus wurde im vorliegenden Experiment ein Sonnensimulator verwendet, um Variablen unter kontrollierten und wiederholbaren Bedingungen zu untersuchen. Es wurde eine Metallhalogenidlampe verwendet, da diese eine gute spektrale Anpassung an die Solarleistung bietet, insbesondere für thermische Anwendungen. Seine Lichtquellen sind im Handel erhältlich und erfordern keine komplexe und teure Stromversorgung [32,37]. Metallhalogenidlampen liefern nur begrenzt eine stabile Leistung, was zu gewissen Schwankungen in den Ergebnissen dieser Studie führt, insbesondere zu Beginn und am Ende jedes einzelnen Falles. Um diese Schwäche zu überwinden, wurden die Experimente wiederholt, indem die Belichtungszeit von 60 Minuten auf 120 Minuten erhöht wurde (wie in Abbildung 7 dargestellt). Die Analyse schloss 5 Minuten vor Beginn und Ende der Messungen aus, in denen die Lampe instabil war.

4.1. Wärmeleistung des vorgeschlagenen DDIG-Fenstersystems

4.2. Optimale Transparenz mit Solarsollwerten

Das Konzept war die Reaktion unterschiedlicher Transparenzen von DDIG (t1-colo bis t8-trans) auf ausgewählte Solarsollwerte (100 W/m² bis 1000 W/m²). Im Allgemeinen hatten die dynamischen Transparenzen des DDIG keinen nennenswerten Unterschied bei der Steuerung des Wärmegewinns innerhalb der Testzelle.

4.3. In Bezug auf die Innenbeleuchtungsstärke

Der farbige Zustand von DDIG (t1-colo) reduzierte den Beleuchtungslux auf der Arbeitsebene der Testzelle um durchschnittlich etwa 60 % im Vergleich zu durchscheinendem PG bei allen Sonneneinstrahlungsintensitäten von 400 W/m2 bis 800 W/m2. Die dynamischen Transparenzen des DDIG zeigten eine bessere Kontrolle des Beleuchtungslux innerhalb der Testzelle bei niedrigen Sonneneinstrahlungsintensitäten als bei hohen Sonneneinstrahlungsintensitäten. Die durchschnittliche Lichtdurchlässigkeit (Luxmeter wurden vertikal an beiden Seiten des DDIG angebracht) betrug 58 %, 24 % bzw. 13 % für 6 mm CG, DDIG-t8-trans und DDIG-t1-colo.

Zum weiteren Studium : Im heißen Klima Saudi-Arabiens ist bei der Fensterkonstruktion die Gewinnung von Sonnenwärme im Sommer wesentlich wichtiger als der Wärmeverlust im Winter. Zukünftige Studien werden sich jedoch auf ein reversibles DDIG-Fenstersystem konzentrieren, das im Winter eine nach innen gerichtete Low-E-Scheibe und eine nach außen gerichtete PDLC-Scheibe aufweist, im Vergleich zur umgekehrten Reihenfolge im Sommer.

Das DDIG-System könnte durch die Integration einer Dreifachverglasung mit dazwischen liegenden Doppelschichten aus PDLC-Folie verbessert werden, um die Systemfähigkeit beim Sonnenschutz zu erhöhen und zu verhindern, dass die absorbierte Sonnenstrahlung in Innenräume gelangt. Die Ergebnisse dieser Arbeit werden für Bauingenieure von Nutzen sein, um sie in die Nachrüstung oder den Entwurf eines neuen Niedrigenergiegebäudes mit schaltbarer PDLC-Doppelverglasung einzubeziehen.

Autorenbeiträge

Konzeptualisierung, AMQ und AHMA; Untersuchung, AMQ und AHMA; Methodik, AMQ und AHMA; Software, AHMA; Schreiben des ersten Entwurfs, AMQ; Visualisierung, AMQ Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Finanzierung

Die Autoren danken dem Dekanat für wissenschaftliche Forschung der Universität Najran für die Finanzierung dieser Arbeit im Rahmen des Zuschusscodes des General Research Funding-Programms (NU/-/SERC/10/562).

Erklärung des Institutional Review Board

Unzutreffend.

Einverständniserklärung

Unzutreffend.

Erklärung zur Datenverfügbarkeit

Die zur Untermauerung der Ergebnisse dieser Studie verwendeten Daten sind auf Anfrage bei den Autoren erhältlich.

Interessenskonflikte

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.