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Aug 30, 2023

動的二重断熱ガラスを使用した熱および照明性能の実験的評価

Data: 24 novembre 2022 Autore: Abdultawab M. Qahtan e Abdulkarem HM

日付: 2022 年 11 月 24 日

著者: アブドゥルタワブ M. カフタン & アブドゥルカレム HM アルマウガニ

ソース：建物2022年 、１２（８）、１２４９； https://doi.org/10.3390/buildings12081249

スマートホームでは、居住者が自分の好みを簡単に制御できるように、暑い気候でも窓を設計することが非常に重要です。 この論文は、昼と夜の両方でのスマートなプライバシー保護を考慮しながら、熱の増加を防ぎ、室内の日光を最大限に活用する二重動的断熱ガラス (DDIG) を備えたスマート ウィンドウ システムの可能性を検討することで、このトピックに貢献することを目的としています。 提案されたウィンドウ システムを検証するために小規模モデルが開発されました。 テストセル温度、ガラス表面温度、室内照度ルクスを調査しました。

結果は、DDIG がテストセル内で太陽熱を高度に制御し、サウジアラビアのナジュラン市で使用されている一般的な半透明ガラスと比較して 2.5 °C 大幅に温度が低下することを示しました。 高い太陽光照射強度では、有色 DDIG (DDIG-colo) と透明 DDIG (DDIG-trans) の間で、テスト セルへの熱利得の制御に有意な差は見つかりませんでした。 太陽光強度の減少に伴い、DDIG-trans と DDIG-colo の間で段階的な減少が見られ、照射強度 200、400、および 600 W/m² では、それぞれ 15%、10%、および 8.7% であることがわかりました。 DDIG 透明フィルムは、太陽照射量が少ない場合でも照度ルクスを維持し、より高い低減を実現しました。 DDIG はプライバシー保護も提供し、屋外接続に対するユーザーの好みを許可しました。

建物の窓は慎重に設計されており、十分なエネルギー節約 [1] と、居住者に適切な視覚的快適さを提供します [2]。 暑い気候では、壁と比較して、窓が熱増加の主な原因となります [3,4]。 窓のエネルギー効率は主に、太陽熱の取得を制御するように窓を設計することによって得られます [1]。 窓ガラスを通して太陽熱の増加を制御するには、2 つの方法があります。 1 つ目は、短波放射として窓ガラスを通過し、閉鎖環境で温室効果を形成する直接太陽放射を遮断することです [5]。 このアプローチは、ウィンドウ シェーディング [6] によって制御できます。

2 番目の方法は、窓を通る熱 (長波 IR) の流れを減らすことです。これは屋内と屋外の気温差によって決まります [7]。 ここでは、ガラス表面の放射率を下げることが選択肢であり、熱反射コーティングによって実現できます[8]。 しかし、暑い乾燥気候では、従来の窓ガラスで熱取得を制御することは困難です。 この調査が実施されたサウジアラビアのナジュラーン市の市場を調査したところ、住宅用建物に使用される典型的な窓ガラスは半透明ガラス（主にプライバシー目的で使用されるピンヘッドガラスPG）と色付きガラスであることがわかりました。 半透明のガラスでプライバシーを確​​保するには、熱利得の制御が最小限に抑えられたり、屋外の眺めや接続が柔軟性に欠けたりするなど、多くのマイナス面があります。

着色ガラスにはいくつかの色 (ブロンズ、グリーン、グレー) があり、PG の半透明と比較して U 値が低くなります。 高温の乾燥気候では、色付きガラスの主な欠点は、大量の赤外線 (IR) 放射を吸収することです。 外気温度が最高 43 °C に達することもあるナジュランの暑い夏の気候では [9]、長波 IR (熱) が色付きガラスの表面温度を上昇させ、最終的に屋内に伝わります [4]。 色付きガラスも、色合いの程度 [10,11]、窓の向き、季節 [12] に応じて可視光の減少を引き起こします。

熱反射性低放射率ガラスは、熱エネルギーを周囲の空間に反射する能力があるため、外気温が高い環境では好ましい選択肢です[13]。 つまり、表面が外側を向いていると、熱は建物の外側に放出されます。 Low-E コーティングの耐久性を維持するには、真空二重ガラスを使用する必要があります [14]。 暑い気候では、室内を熱放射から保護するために、複層ガラスの中間および外側のガラスに low-e コートを適用する必要があります [15]。 この二重 Low-E コートは、光学的な直接太陽熱の増加を減らすために色付きガラスと統合する必要もあります [16]。

ただし、この色合いにより、Low-E ガラスは室内の日光照度を低下させ、一日のさまざまな時間帯や天候に対応する柔軟性がありません。 特に夜間のプライバシー保護は容易ではありません。 したがって、二重 Low-E 透明ガラスと統合されたスマートでダイナミックな色合い (フィルム) が必要です。 これは保守的な社会の住宅建物にとって特に重要であり、プライバシー保護を損なうことなく、許容範囲の外の眺めを提供することでテナントの幸福を高めるため、窓ガラスを慎重に選択する必要があります [17]。

住宅の建物において、昼夜を問わずプライバシーを確​​保するための窓は、快適さにとって重要です。 プライバシーを確​​保するための一般的な解決策には、ブラインドやシェードが含まれます。 ただし、制限があります。 たとえば、空間が暗くなり、屋外での接続が減少します。 一方、色付きのガラスは日中は家のプライバシーを高めることができますが、夜間はプライバシーを提供しません。 また、日中の日光も減少します [10,11]。 現在、昼夜を問わずプライバシーと屋外接続の両方を提供できる窓ガラスは市場に存在しません。

この文脈において、ユニークなソリューションは、スマートでダイナミックなガラスを組み込んだウィンドウ システムです。 最も一般的なタイプのスマート ガラスには、エレクトロクロミック (EC) とポリマー分散液晶 (PDLC) があります。 電気信号を備えたこれらのタイプのスマート ガラスは、透明と半透明の両方の状態で日光の透過率を高めることができます [18]。 また、ブラインドなどの遮光装置を必要とせずに日射透過率を低減し[19]、プライバシー保護にも使用できます[20]。 EC の使用には、スイッチング速度の遅さや生産コストの高さなど、いくつかの欠点があります [21]。 しかし、PDLC は最も経済的なスマート グラス [22] であり、発色速度が 1 秒以下と応答速度が速い [23]。

ＰＤＬＣフィルムを用いた窓ガラスに関していくつかの研究が行われてきた。 ヘマイダら。 [24] は、乾燥気候 (サウジアラビアのリヤド) と温帯気候 (イギリスのロンドン) という 2 つの対照的な気候帯の下でシミュレーション プログラムを利用して、オフィス ビル全体のエネルギー パフォーマンスに対する PDLC 窓の影響を調査しました。 彼らは、PDLC ウィンドウは暖房の 4.9% 削減 (温帯気候) よりも冷房の 12.8% 削減 (乾燥気候) の方が効果的であると結論付けました。 彼らはまた、PDLC が両方の気候において優れた室内照度を提供することも発見しました。

別の研究では、Hemaida et al. [22] は、半透明および透明状態における PDLC グレージング システムの光学的および熱的性能を調べました。 PDLC グレージングを備えた小規模テストセルを、1000、800、600、および 40 W/m² の太陽光照射に 3 時間曝露しました。 主な発見は、PDLC グレージング システムが寒冷気候での暖房に効果的な熱性能を示し、太陽熱取得係数 SHGC 値が透明状態で 0.68、半透明状態で 0.63 であったことです。 Ghosh と Mallick [25] は、建築用途における PDLC グレージングの光学特性を見つけようとしました。

彼らは、PDLC の透明状態では太陽放射 (300 ～ 2500 nm の範囲の波長) 透過率が 41% であるのに対し、半透明状態では 23% であることがわかりました。 ああ、他。 [26]は、4種類のPDLCフィルムの光学特性を評価し、PDLCフィルムは、遮光装置の最も基本的な機能であるグレア防止を考慮しながら、建物の年間エネルギー消費量を削減し、採光性能を向上させると結論付けました。 表 1 は、透明および半透明状態における PDLC の熱特性と照明特性について行われた以前の研究をまとめたものです。

表 1. PDLC グレージングの熱特性と照明特性。

要約すると、スマート ホームの概念において重要なサポート機能の 1 つは、日射量の動的な変化を監視し、スマート ウィンドウを使用してエネルギー効率の高い方法で動作する機能です [27,28]。 この研究の目的は、昼夜を問わず家のプライバシー保護を犠牲にすることなく、熱の増加を防ぎ、室内の自然光を最大化する二重動的断熱ガラス (DDIG) を備えたスマート ウィンドウ システムの可能性を調査することです。 したがって、この研究では、DDIG システム、つまり外側ガラス板の内面に low-e コーティングを施し、第 2 ガラス板の内面に PDLC 切り替え可能フィルムを組み合わせた複層ガラスを提案しています。 この研究の重要性は、提案されたシステムが熱性能と視覚性能の向上に役立ち、住宅の建物に動的なプライバシー保護を提供することです。

2. 方法論

建物の性能を評価できる基本的な実験手法としては、小規模実験モデル、実物大モデル、解析モデル、シミュレーションモデルがある[29]。 ただし、小規模モデルは、建築外壁における新しい材料や新しく設計された要素の影響に関するデータを収集するための実験手法です [30]。 熱および照明のパフォーマンスは屋外条件下の実際の部屋のパフォーマンスと同じではない場合でも、この方法を使用することにはいくつかの利点があります。 例えば、それははるかに経済的であり[29]、容易に適応でき、モデリングやコンピュータシミュレーションに使用できる実験データを提供します。

DDIG システムの提案されたグレージング システムを調査するために、小規模モデルとさまざまな材料および機器を利用して実験室実験が設計されました。 次の段落では、DDIG システム、テストセル内の熱性能と照度ルクスに対する DDIG システムの影響を調べるために使用される装置、および家庭のプライバシー保護を提供するシステムの機能について説明します。

2.1. テストセル、グレージングシステムおよび機器

測定は、図 1 に示すように、幅 80 cm、奥行き 80 cm、高さ 60 cm の小規模環境試験セルで実施されました。試験セルは外側から内側に向​​かって構築されました (18 mm 合板 + 10 mm ARNON)断熱材 + 6 mm 合板)。 テストセルは、2 つの側壁で 10 cm、後壁で 20 cm の隙間を持つ二重壁で構築され、スケール モデルの代表的な立方体の家具のない部屋の内寸が長さ 60 × 幅 60 × 高さ 60 を形成しました ( 1:5)。 二重壁により断熱性が向上し、データロガーのための安全な空洞が作成されました。 独房の内壁はすべて白いペンキで着色されていました。

30cm × 30cm の窓を備えた正面壁 (幅 60cm) の WWR は 25% となり、サウジ建築基準で推奨されている WWR 20% よりも 5% 高くなりました [31]。 これは、販売者が提供するグレージングサンプルが 30 cm × 30 cm に制限されているためです。 DDIG は、図 1 に示すように、HUAKE TEK Industry によってこの研究のために特別に構築されました (5 mm 透明 Low-E ガラス + 12 mm エアギャップ + PDLC フィルム + 5 mm 透明強化ガラス)。 PDLC フィルムは二重構造に統合されています。 low-e ガラスは、ユーザーが制御することも、外部環境 (外気温、外部日射、外部照度) によって自動的に制御することもできます。 PDLC の光学特性については、以前のいくつかの研究の要約として以前に説明しました (表 1)。

テストセルには、DDIG を通じて性能を測定するための表面温度、気温、ルクスセンサーが装備されていました。 LSI R-Log データ ロガーを使用して、テスト セル内と周囲 (実験室) の気温、ガラス表面の内側と外側の温度、テスト セル内の照度ルクスを測定しました。 測定の不確実性を減らすために、テストの開始時に Extech 赤外線温度計が使用されました。 BH1750FVI センサーは窓の前壁側に取り付けられ、DDIG 透明フィルムをスマートに制御するために Arduino に接続されました。 表 2 には、センサーとその精度に関する情報が含まれています。

表 2. センサーの技術的特性とその精度。

2.2. ソーラーシミュレーター

ソーラーシミュレーターは、制御された条件下で建物に影響を与える要因をテストするために、縮小された建物空間を使用した実験室での実験に使用されます。 ソーラーシミュレーターシステムは高価ですが、照射波長範囲全体をカバーする数種類のランプを使用して低コストのソーラーシミュレーターを設計できます。 この研究が窓システムの熱性能と照明性能を調査していることを考えると、200 nm から 2500 nm をはるかに超える範囲の太陽光出力と 5000 K から 5000 K までの温度範囲にスペクトルがよく一致するメタルハライド ランプの進歩の恩恵を受けています。 6000 K (太陽の表面の 5800 K にほぼ類似) [32,33,34]。 本研究では、出力 150 W、温度 4000 K の Osram 温白色メタルハライド ランプを使用したソーラー シミュレーターを設計しました。

測定では、Arduino を使用してシミュレーターのランプをオン/オフに切り替えました。 窓システムからの距離を調整することによってメタルハライドランプの明るさを変化させることにより、日射量をシミュレートしました。 日射量は、Extech HD 450 ルクスメーターを使用して確認され、0.0 ～ 400 Klux を基本精度 ±5% で測定しました。 照度ルクスから太陽放射への換算係数は 1 W/m² で、ソーラーシミュレーターの人工光では 116、屋外の自然太陽光では 120 に相当します [35]。 デジタル光センサー BH1750FVI をグレージング システムの外皮の側面に取り付け、Arduino に接続して、8 つの異なる透明度のそれぞれで 60 分または 120 分の露光と、120 分の露光からなる実験スケジュールに従って DDIG の透明度を制御しました。各ケース間の最小の休憩。

2.3. 動的設定値制御動作

Arduino は、動的設定値制御操作に従って PDLC ガラスの透明度を調整しました。 すべての操作は 60 分間 (場合によっては 120 分間) 継続し、その後システムを冷却するために 120 分間スイッチをオフにしました。 図 2 は提案された回路図を示しており、すべての電気回路コンポーネントが明確になっています。

表 3 は、さまざまな透明度の場合の抵抗 (Rcase および RL) の計算を示しています。 抵抗は、次のように適切な勾配に適切な電圧を提供します。

表 3. さまざまな透明度の場合の抵抗測定。

電圧は 2 V から 14 V まで変化し、提案された PDLC システムに必要な 7 つの透明度を提供するために 7 つのケースがありました。

PDLC の抵抗を測定しました。RPDLC = 120 kΩ、Rs は 10 kΩ と仮定しました。

負荷の抵抗は 2 つの並列抵抗で構成されます。

状態抵抗の値は式 (1) から導出でき、結果は次のようになります。

分圧器による PDLC の電圧は次のようになります。

式 (3) からさまざまな場合のさまざまな負荷抵抗を次のように導出できます。

式 (1) を使用して、それぞれの場合の抵抗を計算しました。 2 ～ 14 ボルトの範囲の 7 つの電圧を使用した表 3 の 7 つのシナリオにより、PDLC フィルム上に明確な階調が生成されると仮定しました。 それぞれの状況で合計負荷抵抗を計算し、式 (2) に値を代入して Rcase を計算できます。

表3では負荷抵抗とケース抵抗に差はありません。 この結果の理由は、負荷抵抗が 2 つの並列抵抗で構成されており、その 1 つがフィルム抵抗であり、ケース抵抗と比較して非常に高い値を持っていたためです。 数学的法則によれば、2 つの並列抵抗の合計 (最初の抵抗は非常に小さく、2 番目の抵抗は非常に大きい) は、小さい抵抗の近似値に等しくなります。

図 3 は、提案されている DDIG システムのワークフローのフローチャートを示しています。

2.4. ダブルダイナミック断熱グレージングシステム、DDIG

暑い気候の住宅用建物に独自の動的断熱ガラス システムを形成するために、PDLC 切り替え可能なフィルムを備えた複層ガラスをテストセル環境に面する内面に適用し、内面に low-e コートを塗布した外面パネルと組み合わせました。キャビティに面した表面。 日中の動的な太陽放射に対処するために、動的な透明性が選択されました。 このテクノロジーは、日中に屋外接続を提供するために透明状態に切り替えたり、夜間にプライバシー保護のために色付き状態に切り替えたりする柔軟性も提供しました。

DDIG のさまざまな透明度を実現するには、Arduino を使用して 2 V ～ 14 V のステップ電圧で PDLC フィルムを備えたシステムの内層にさまざまな電圧を印加して、さまざまな透明度レベルを得ることができます。 表 4 は、PDLC フィルムのさまざまな透明度での DDIG を示しています。着色状態 (t1-colo) から始まり、t2 から t7 まで続き、透明状態 (t8-trans) で終わります。 表 4 の写真は、DDIG の両面を同じ光強度にさらして撮影したものです。

表 4. 6 mm ピンヘッドおよび透明ガラスと比較した、さまざまな DDIG 透明度の写真。 両面を同じ照明にさらしました。

表 5 は、2 つの設計パラメーター、つまり 6 × 8 = 48 のテストを含む DDIG 透明度および日射強度を使用した実験計画をまとめたものです。 DDIG の動的透明度は Arduino によって制御され、8 つのグラデーション透明度が提供されました。 これら 2 つの設計パラメータは、ガラス表面温度、テスト セルの空気温度、テスト セル内の照度ルクスという 3 つの応答パラメータについて調査されました。 図 4 は、提案された DDIG システムを評価するために使用された実験セットアップの写真を示しています。

表 5. 実験計画、48 ケース。

3.1. 比較評価 - ベースライン

この研究の実験は、ナジュラーンの住宅で一般的に使用されている単層 PG 窓ガラスと二重断熱 (low-e) ガラス DIG システムを比較する予備調査から始まりました。 Clear Glass CG および PG を DIG (つまり、提案された DDIG システムのベースライン) と比較することから実験を開始すると、値に大きな違いがあるため、実験と測定の信頼性がより明確になりました。 テストセル内のルクスに加え、屋外/屋内の気温とガラス表面の違いに基づいて比較を実行しました。

図 5 は、テストセルが 800 W/m2 の太陽放射にさらされ、実験期間中空調が停止されていたため、周囲温度 (実験室) が 28.1 ～ 28.8 °C に保たれたことを示しています。 実験室の空気速度や相対湿度などの他の要因は、実験期間中に実験室の雰囲気に変化が起こらなかったため、一定で無視できるものと考えられました。

図 5 は、800 W/m2 の太陽光照射下での CG、PG、DIG、および DDIG-trans の気温とガラス表面温度を比較しています。これは、サウジアラビアの夏の晴れた日の水平面での最大値に相当します [36]。 テストセル内の温度を比較すると、ソーラーシミュレーターのランプに60分間さらした後、PGの方がCGよりも優れた性能を示し、その差はわずか0.5℃でした。 この短いテスト期間内で、DIG は室内の熱利得の制御に大きく貢献し、PG と比較して 2.2 °C 低下しました。 透明な状態の PDLC フィルムを DIG（DDIG-trans）の内皮に適用すると、DIG のベースラインと比較して、太陽熱取得の内部への制御がわずかに改善されました（0.5 °C 未満）。

図 5 より、DIG の内面温度は 38 °C に達し、一般的な PG の内面温度が約 55 °C であるのに比べて約 17 °C 低下していることがわかります。 DIG の内側ガラスと比較して、DDIG-trans のプロットにおける内側表面温度の約 3.3 °C の上昇は、より多くの太陽エネルギー吸収を持つ DDIG の内周面上の PDLC フィルムのスペクトル データに起因すると考えられます。 DIGのクリアガラスと比較。

提案されたグレージングシステム（DDIG）の透明状態（DDIG-trans）での性能について、使用割合が異なる住宅用建物で使用されているPGおよびDIGと比較した予備調査が行われました。 DIG はコストが高いため、最も使用されていないことがわかりました。 ただし、DIG の使用には色 (着色ガラス) を使用するため、光の透過率が低下し、特に夜間の明確な屋外接続と居住者のプライバシーが制限されるという欠点もあります。 ただし、提案された DDIG システムの熱性能と光性能を調査した後、次のセクションでは、動的太陽放射と昼/夜間に一致する DDIG の動的透明度に関する広範な実験と議論を提供します。

3.2. 太陽放射の力学に従ったDDIGの動的透明性

日射量は日中、ファサードや建物の向きによって異なります。 これらのバリエーションには、夏の日射強度が高いときに日よけを提供し、日射量が少ないときに日光の増加と屋外接続の選択を可能にし、外部への露出からのユーザーのスマートなプライバシー保護を考慮した動的ウィンドウの設計が必要です。 提案された DDIG ウィンドウ システムは、Low-e コーティングと PDLC フィルムのダイナミック シェーディングを組み込んでおり、異なる透明度で異なる太陽光照射強度の下で検査されました。

3.2.1. DDIG システムのさまざまな透明シートの熱性能

広範な実験では 48 のケースが実行されました (表 5)。 8 つの異なる透明度の DDIG (t1 ～ t8) を、一定の屋内ソーラー シミュレーターに異なる照射強度 (つまり、1000、800、600、400、200 W/m2) で 60 分間の露光時間で露光しました。 テストセルの外側の温度、つまり実験室の温度は 28.1 ～ 28.8 °C の間に維持されました。 結果を表 6 にプロットして示し、以下のように説明します。

表 6. さまざまな太陽光照射強度の関数としての DDIG の動的透明度。

図 6 は、テストセルと周囲環境の温度差を比較した結果をまとめたものです。 提供された値は、48 件のソーラー シミュレーター ランプへの 60 分間の曝露時間の平均です。 1000 および 800 W/m² の高い太陽光照射下では、DDIG のすべての透明フィルムで室内の空気温度にわずかな差 (熱利得の制御が少ない) が見られました。

熱利得を低減する DDIG の能力の向上は日射の強度に反比例することが判明し、日射が減少するにつれて DDIG の効率は増加しました。 さらに、検査した透明度 (特に t4、t5、および t6) は、すべての日射強度下でテスト セル空間への熱利得の制御に大きな変化はありませんでした。 図 6 の線形プロットは、カラー DDIG が、日射量が多い場合よりも日射量が少ない場合の方が熱制御が優れていることを示しています。

3.2.2. 両方のケースの DDIG 熱性能の検証: 色付きと透明

上記の結果は、高い日射量 (例: 800 W/m²) では、内部への熱伝達の制御において t1-colo 状態と t8-trans 状態の間に有意な差は見つからないことを示しました。 さらに議論を進め、これらの結果を確認するために、研究では各ケースの暴露時間を 120 分に増やして実験を繰り返しました。 図 7 は、DIG の基準ケース（外側ガラスの内側ガラスに low-e コートを施した二重ガラス）と提案された DDIG システムを 2 つの状態（透明状態（DDIG_t8-trans.）と着色状態（DDIG_t1））で比較しています。 -コロ。）。

図 7 の左側は、周囲 (実験室) とテストセル内の気温の違いを比較しています。 800 W/m2 の照射強度の下で、DIG、透明 DDIG、および有色 DDIG の間の気温差は、それぞれ 3.8、3.7、および 3.4 °C であることがわかりました。 差が小さいほど、パフォーマンスが向上し、熱利得の制御が優れていることを示します。 したがって、熱利得の制御においてこれらのケース間に重大な違いは発生せず、カラー DDIG (t1-colo.) がわずかに優先され、図 6 と表 6 の結果が確認されました。これらの結果は、[ の著者が記録したものと一致します。 ２６］らは、ＰＤＬＣスペクトル分析を実施し、着色状態では透明状態に比べて日射透過率が１５．８％低下することを発見した。

さらに、我々の結果は、サウジアラビアのリヤドの暑い乾燥気候において、PDLC の着色状態が年間 12.8% のエネルギー削減を達成したという [24] の著者らの報告結果と一致しています。 対照的に、[22] の著者らによって発見された結果は、単層ガラスに適用された着色 PDLC は透明な状態と比較して熱利得を増加させたと結論付けています。 しかし、本研究における熱伝達制御の改善は、提案された DDIG システムを形成する二重窓の low-e 断熱グレージングと PDLC フィルムの統合に起因すると考えられます。

ソーラーシミュレーターランプに 120 分間暴露したときのガラス表面温度に関して、図 7 は DDIG のガラス表面の温度差が急速に増加していることを示しています。 75 分後、温度差は落ち着き始め、両方の状態、つまり透明状態と着色状態でほぼ等しい値に維持されました。 DIG のベースラインは異なる応答を示し、窓システムがソーラー シミュレーターのランプにさらされるとガラス表面温度が上昇し続けました。 これは、DIG のリファレンス ウィンドウと比較して、熱利得の制御における DDIG の利点を示しています。

図 7 は、DIG、透明 DDIG、および着色 DDIG の外側と内側のガラス表面温度の差がそれぞれ 19.6、16.5、および 17.9 °C であることも示しています。 特に、800 W/m 2 の照射下では、透明 DDIG ではより低い差が見られました。 120 分間の暴露後、透明 DDIG と有色 DDIG の外側ガラスの表面温度はそれぞれ約 60.3 ℃と 60.9 ℃で、内側表面温度はそれぞれ 43.8 ℃と 43.0 ℃でした。

しかし、DDIG の内側のガラス表面温度は外側のガラス表面温度よりも低いままであり、内側への熱エネルギーの伝達が低下しました。 この発見は、[22] の著者らによって発見された結果と一致しません。この結果では、内側のガラス表面の温度が外側のガラス表面の温度よりも高く、熱が内側に流れます。 提案された DDIG の改善は、最初のスキンとして断熱 low-e ガラスを使用し、2 番目のスキンとして PDLC を使用する二重ガラスに起因すると考えられます。

3.3. DDIG システムによる照明透過率と照明ルクス

各ケースが比較してどのように機能するかを理解するために、光透過率とテストセルの照明を調べました。 室内照度に関連して、この研究は、さまざまな透明度を備えた DDIG システムが、100 W/m² ～ 1000 W/m² のさまざまなソーラー シミュレーター放射照度の下でテスト セルに光をどの程度透過できるかを判断することを目的としていました。

光透過率は、DDIG システムの両側に取り付けられた 2 つの照度計を使用して、テスト セル (フィールド測定) で測定されました。 ルクスメーターの 1 つは、ソーラーシミュレーターのランプに面して、外側のガラス板の外皮に垂直に取り付けられました。 同時に、DDIG を通過する光の量を測定するために、テストセルの内側に面するガラス内面の背面に 2 番目の照度計を垂直に配置しました。 DDIG コロの曇りのため、光は曇っていないサンプルよりも多くの角度で透過します。 ただし、正確な測定値を得るために、照度計は皮膚の内側から 5 cm 離れたところに設置しました。

光透過率のテスト結果を検証するために、6 mm の透明なフロート ガラスが使用されました。 したがって、DDIG システムの光透過率は次の式を使用して計算されました。

ここで、I = DDIG の内側ガラスで測定された透過光、Io = DDIG の外側ガラスの入射光です。

図 8 は、DDIG システムの光透過率を示しています。 すべての太陽放射照度に対する平均光透過率は、6 mm 透明ガラス、透明 (t8-trans) および着色 (t1-colo) 状態でそれぞれ 58%、24%、13% でした。 100 ～ 200 W/m² の低い太陽放射照度の間、DDIG は t1-colo の 17% と比較して t8-trans で 32.5% というより高い光透過率を実現しました。 この変化は、太陽放射照度が低い場合、DDIG-t1-colo がまぶしさの制御に加えて屋内に光を提供できたことを示しています。

600 ～ 1000 W/m² の高い太陽放射照度の下では、光透過率は t8-trans と t1-colo でそれぞれ 18% と 11% の間で変化しました。 直接観察した場合、屋内のプライバシー保護は t1-colo ～ t4 の範囲で達成でき、平均光透過率はそれぞれ 13 ～ 16% の間で変化します。 しかし、以前の研究では、t1-colo の PDLC ヘイズ係数は 71.4%、t8 は 6.4% であると報告されています [22]。

提案された DDIG システムによるテスト セル内の照明性能に関しては、テスト セルの中心の高さ 150 mm で測定が行われました。 結果は、異なる太陽光照射と異なる DDIG 透明度の関数です。 図 9 は、DDIG の透明度が増加するにつれて照明ルクスが徐々に増加することを示しています。 たとえば、800 W/m² でのテストセル内の照度は、t1-colo の 1430 ルクスから t8-trans の 1605 ルクスに増加し、約 10% 増加しました。 同様に、200 W/m2 の低い太陽光照射下では、t1-colo の 690 ルクスから t8-trans の 795 ルクスまで、照度ルクスが約 15% 増加することがわかりました。 DDIG の動的透明度は、日射量が多い場合よりも日射量が少ない場合の方が、テストセル内の照明ルクスをより制御できることを示しました。

したがって、DDIG の動的透明度は、直射日光下よりも拡散日光下での室内照明ルクス (昼光) をよりよく維持できます。 ただし、DDIG は依然としてプライバシー保護を提供し、(直射日光を制御することによって) 日光のまぶしさを制御する可能性があります。 DDIG (t1-colo) の着色状態を一般的な PG と比較すると、高い照度ルクスの低下が発生し、400 W/m² ～ W/m² の太陽光照射では DDIG よりも平均約 60% 低下しました。 DDIG の着色状態では、熱透過率の制御効果に加えて、より可視光のシェーディングがプライバシー保護の向上に貢献しました。 複層ガラス (DDIG システム) として Low-E ガラスと統合された PDLC フィルムの動的透明性により、動的日射量に応じてテナントの要望に柔軟に対応し、昼夜を問わず家のプライバシーを保護できるようになりました。

3.4. 暑い気候の住宅向けの DDIG システムの最適な透明性

ナジュラーン市の暑い気候にある住宅用建物に対する、提案された DDIG システムの動的透明性の重要性は、特に従来のグレージング PG と比較した場合、日中の眩しさの制御と熱利得の低減に貢献する動的太陽放射に対応する能力によるものです。主にナジュラーンの住宅で使用されています。 DDIG は動的なプライバシー保護も提供し、屋外の条件に応じて屋外接続を許可します。

このコンセプトは、DDIG のさまざまな透明度 (t1-colo ～ t8-trans) と一致する、選択された太陽光発電設定値 (100 W/m² ～ 1000 W/m²) に対応します。 これは、屋外の日射センサーに加えて、空間の外側と内側に配置された 2 つのルクス センサーを統合することによって機能します。 前述の結果に基づいて、表 7 は、動的日射、照明ルクス、およびプライバシー保護に関連した DDIG の最適な透明度をまとめています。 DDIG の最適な透明度は次のように結論付けられました。

表 7. 外部太陽放射照度に応じた DDIG の提案された透明度。

3.5. 研究の限界

DDIG システムは、さまざまな太陽放射照度の下でさまざまな透明度で検査されました。 しかし、個々の太陽における DDIG の 8 つのケース (t1-colo から t8-trans) を調べるために、特定の屋外太陽放射照度を 100 W/m² から 1000 W/m² に維持することは困難でした。 屋外環境条件の影響を軽減するために、小規模モデルを使用して、提案されたガラス システムのみを考慮した屋内環境における DDIG システムの太陽熱利得、熱性能、光透過率の正確な測定値を取得しました。 これは、DDIG システムのパフォーマンスを最適化するために、制御セットポイントに一致する動的な透明度を描画するのに役立ちました。 また、小型モデルのため低コスト、低スペースで済みます。

さらに、本実験では、制御された再現可能な条件下での変数を調査するためにソーラーシミュレーターが使用されました。 メタルハライドランプが使用されたのは、特に熱用途において、太陽光出力にスペクトルがよく一致するためです。 その光源は市販されており、複雑で高価な電源を必要としません [32,37]。 メタルハライドランプは安定した出力を提供するのに限界があり、特に各ケースの開始時と終了時に、この研究の結果に多少の変動が見られます。 この弱点を克服するために、露出時間を 60 分から 120 分に増やして実験を繰り返しました (図 7 を参照)。 分析では、ランプが不安定な測定の開始と終了から 5 分間を除外しました。

4.1. 提案された DDIG ウィンドウ システムの熱性能

4.2. ソーラー設定値による最適な透明度

コンセプトは、選択した太陽設定値 (100 W/m² ～ 1000 W/m²) に対する DDIG のさまざまな透明度 (t1-colo ～ t8-trans) の応答でした。 一般に、DDIG の動的透明度は、テスト セル内部の熱利得の制御において有意な差はありませんでした。

4.3. 室内照度について

DDIG の着色状態 (t1-colo) は、400 W/m2 から 800 W/m2 までのすべての太陽光照射強度の下で、半透明 PG と比較して、テスト セルの作業面での照度ルクスを平均約 60% 減少させました。 DDIG の動的透明度は、日射強度が高い場合よりも日射強度が低い場合の方が、テスト セル内の照明ルクスをより制御できることを示しました。 平均光透過率 (ルクスメーターを DDIG の両側に垂直に取り付けた) は、6mm CG、DDIG-t8-trans、DDIG-t1-colo でそれぞれ 58%、24%、13% でした。

さらなる研究のために : サウジアラビアの暑い気候では、窓の設計には冬の熱損失よりもはるかに重要な夏の太陽熱の獲得が関係します。 しかし、将来の研究は、夏には逆の順序で行われるのと比較して、冬にはLow-Eペインが内側に面し、PDLCペインが外側に面するDDIGのリバーシブルウィンドウシステムに焦点を当てる予定です。

DDIG システムは、間に PDLC フィルムの二重層を挟んだ三重ガラスを統合することで改善され、日射遮蔽におけるシステム能力を高め、吸収された日射が屋内に入るのを防ぐ可能性があります。 この研究の結果は、建築エンジニアにとって、PDLC 切り替え可能な複層ガラスを備えた新しい低エネルギー建物の改修または設計に組み込むのに有益です。

著者の寄稿

概念化、AMQ および AHMA。 調査、AMQ および AHMA。 方法論、AMQ および AHMA。 ソフトウェア、AHMA; AMQ の最初のドラフトを作成。 視覚化、AMQ すべての著者が原稿の出版版を読み、同意しました。

資金調達

著者らは、一般研究資金プログラム助成コード (NU/-/SERC/10/562) に基づいてこの研究に資金を提供してくれたナジュラン大学科学研究部長に感謝します。

治験審査委員会の声明

適用できない。

インフォームド・コンセントの声明

適用できない。

データの可用性に関する声明

この研究の結果を裏付けるために使用されたデータは、要求に応じて著者から入手できます。

利益相反

著者らは、この論文で報告されている研究に影響を与えた可能性がある既知の競合する経済的利益や個人的関係を持っていないことを宣言します。