[發明專利]一種從氣凝膠玻璃實驗數據反推氣凝膠消光系數的方法

有效

• 申請號: 201710035134.0
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106814048B
• 公開（公告）日: 2018-04-17
• 發明（設計）人: 陳友明;劉洋;李宇鵬;鄭思倩
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G01N21/49
• 分類號: G01N21/49;G01N21/59
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙)43001
• 代理人: 周詠,林毓俊

技術領域

本發明涉及氣凝膠光學特性、氣凝膠玻璃采光、建筑負荷計算、建筑能耗模擬領域，具體涉及一種從氣凝膠玻璃在自然氣候條件下的實驗數據反推氣凝膠在太陽光下消光系數的計算方法。

背景技術

隨著生活水平的提高，新建和既有建筑普遍使用供熱及空調系統。供熱及空調系統能耗在逐年增加，其能耗占公共建筑中全年總能耗的50-60％。在建筑模擬中，透過窗戶進入室內的太陽輻射能量占夏季由圍護結構產生的冷負荷的65-80％左右，所以準確模擬窗戶的光學表現對于負荷模擬至關重要。

氣凝膠作為一種新型半透明絕熱材料，由于其納米級骨架結構，具有極低的導熱系數，在室溫下，導熱系數可低至0.012W/(m·k)。不過由于氣凝膠質地較脆易碎，目前雖然已有部分廠商將該材料用于窗戶結構，但均是以兩層玻璃中間夾著氣凝膠顆粒的形式存在，且現有模擬軟件EnergyPlus、DeST、eQuest、WINDOW等尚不具備模擬氣凝膠玻璃系統的光學性能與分析其對建筑能耗影響的功能。而常用的K-SC模型又過于簡化，不能處理氣凝膠這種新型材料。

使用其他方法模擬氣凝膠的光學表現時，消光系數又是必要的條件，且消光系數在很大程度上影響著氣凝膠的吸收率和透過率，對模擬由氣凝膠而產生的負荷至關重要。但材料出廠時僅給出材料的垂直透過率，并不給出消光系數等參數，且消光系數無法單獨在實驗室內測出，在實驗室中僅可以得到氣凝膠的垂直入射時的光譜消光系數。太陽光能量分布以可見光和近紅外線為主，且不是均勻分布，所以從光譜消光系數得到太陽光下消光系數的過程也較為復雜。氣凝膠又因為微觀結構復雜，在波長較短的可見光部分散射現象極其復雜且受雜質影響較大，從理論上計算消光系數變得很困難。所以需要一種方法得到氣凝膠在太陽光下的消光系數，為建筑負荷模擬提供必要的參數。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種從實驗測得的室外輻射與室內輻射數據反推氣凝膠消光系數的方法。

本發明采取如下的解決方案：一種從氣凝膠玻璃實驗數據反推氣凝膠消光系數的方法，包括：

在自然條件下構建測定氣凝膠玻璃實驗數據的實驗平臺，該實驗平臺包括一密閉空間，四周以遮光板或其他非透光材料包圍，將氣凝膠玻璃水平放置于頂部；

逐時測得該實驗平臺室外直射輻射強度和散射輻射強度、室內總輻射強度，得到不同氣凝膠消光系數k_λ下各時刻誤差平方和的函數：

式中E_dif表示室外散射輻射強度，E_dir表示室外直射輻射強度，E_in表示室內總輻射強度，τ_dif表示散射透過率，τ_dir表示直射透過率，τ_dif和τ_dir是k_λ的函數，t表示時間，N為有太陽輻射的實驗采樣點數；

求得誤差平方和最小時的消光系數即氣凝膠在太陽光下的消光系數。

在一個具體的實施方式中，首先利用界面能量平衡原理建立氣凝膠玻璃的太陽輻射傳遞計算模型，該計算模型為中間層為散射體的多層透過體系。

在一個具體的實施方式中，根據Bouger定律得到消光系數和透過率的函數關系。

在一個具體的實施方式中，結合逐時太陽高度角求得各消光系數下的逐時輻射透過率。

在一個具體的實施方式中，根據黃金分割法則求得誤差平方和最小時的消光系數。

本發明建立了全尺寸的氣凝膠玻璃實驗平臺，屋頂采用氣凝膠玻璃，測得自然條件下室外輻射和室內輻射的逐時數據。根據界面能量平衡原理，結合逐時太陽高度角求得各消光系數下的逐時輻射透過率，構建立不同太陽高度角下的逐時光學模型。因為玻璃的光學參數已知(或可通過同樣方法由雙層中空玻璃的實驗數據進行反推)，模型中未知參數僅有氣凝膠的消光系數，在假定的消光系數下將逐時模擬數據和實驗數據的差值進行平方求和，就可以得到誤差與氣凝膠消光系數一一對應的函數關系。通過黃金分割法來求得誤差平方和最小時的消光系數，此時的消光系數即氣凝膠在太陽光下的消光系數，最后再以其他時間驗證了結果的準確性。

本發明適用于新型氣凝膠玻璃的光學參數反推，得到氣凝膠在太陽光下的消光系數，以進一步分析氣凝膠玻璃的透過率和吸收率，為研究氣凝膠玻璃的采光性能和傳熱性能計算和分析提供條件，進而可以對采用以氣凝膠玻璃為窗戶的建筑進行采光性能分析和能耗模擬。

附圖說明

圖1氣凝膠玻璃實驗平臺及其傳感器布置示意圖；