一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶消光系数的方法技术

本发明专利技术涉及一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶材料消光系数的方法，给出了一种计算气凝胶光学性能的方法。通过界面能量平衡法对气凝胶玻璃光学模型重建，结合逐时太阳高度角求得各消光系数下的逐时辐射透过率，根据实验数据求得透过的辐射总能量，将逐时透过能量与实验数据差的平方求和，因气凝胶消光系数与透过的辐射总能量具有一一对应的函数关系，所以通过黄金分割法进行寻求误差最小时的消光系数，此时的消光系数就是气凝胶在太阳光下的消光系数，并证明计算结果在其他时间依旧准确可靠。

【技术实现步骤摘要】
一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶消光系数的方法
本专利技术涉及气凝胶光学特性、气凝胶玻璃采光、建筑负荷计算、建筑能耗模拟领域，具体涉及一种从气凝胶玻璃在自然气候条件下的实验数据反推气凝胶在太阳光下消光系数的计算方法。
技术介绍
随着生活水平的提高，新建和既有建筑普遍使用供热及空调系统。供热及空调系统能耗在逐年增加，其能耗占公共建筑中全年总能耗的50-60％。在建筑模拟中，透过窗户进入室内的太阳辐射能量占夏季由围护结构产生的冷负荷的65-80％左右，所以准确模拟窗户的光学表现对于负荷模拟至关重要。气凝胶作为一种新型半透明绝热材料，由于其纳米级骨架结构，具有极低的导热系数，在室温下，导热系数可低至0.012W/(m·k)。不过由于气凝胶质地较脆易碎，目前虽然已有部分厂商将该材料用于窗户结构，但均是以两层玻璃中间夹着气凝胶颗粒的形式存在，且现有模拟软件EnergyPlus、DeST、eQuest、WINDOW等尚不具备模拟气凝胶玻璃系统的光学性能与分析其对建筑能耗影响的功能。而常用的K-SC模型又过于简化，不能处理气凝胶这种新型材料。使用其他方法模拟气凝胶的光学表现时，消光系数又是必要的条件，且消光系数在很大程度上影响着气凝胶的吸收率和透过率，对模拟由气凝胶而产生的负荷至关重要。但材料出厂时仅给出材料的垂直透过率，并不给出消光系数等参数，且消光系数无法单独在实验室内测出，在实验室中仅可以得到气凝胶的垂直入射时的光谱消光系数。太阳光能量分布以可见光和近红外线为主，且不是均匀分布，所以从光谱消光系数得到太阳光下消光系数的过程也较为复杂。气凝胶又因为微观结构复杂，在波长较短的可见光部分散射现象极其复杂且受杂质影响较大，从理论上计算消光系数变得很困难。所以需要一种方法得到气凝胶在太阳光下的消光系数，为建筑负荷模拟提供必要的参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种从实验测得的室外辐射与室内辐射数据反推气凝胶消光系数的方法。本专利技术采取如下的解决方案：一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶消光系数的方法，包括：在自然条件下构建测定气凝胶玻璃实验数据的实验平台，该实验平台包括一密闭空间，四周以遮光板或其他非透光材料包围，将气凝胶玻璃水平放置于顶部；逐时测得该实验平台室外直射辐射强度和散射辐射强度、室内总辐射强度，得到不同气凝胶消光系数kλ下各时刻误差平方和的函数：式中Edif表示室外散射辐射强度，Edir表示室外直射辐射强度，Ein表示室内总辐射强度，τdif表示散射透过率，τdir表示直射透过率，τdif和τdir是kλ的函数，t表示时间，N为有太阳辐射的实验采样点数；求得误差平方和最小时的消光系数即气凝胶在太阳光下的消光系数。在一个具体的实施方式中，首先利用界面能量平衡原理建立气凝胶玻璃的太阳辐射传递计算模型，该计算模型为中间层为散射体的多层透过体系。在一个具体的实施方式中，根据Bouger定律得到消光系数和透过率的函数关系。在一个具体的实施方式中，结合逐时太阳高度角求得各消光系数下的逐时辐射透过率。在一个具体的实施方式中，根据黄金分割法则求得误差平方和最小时的消光系数。本专利技术建立了全尺寸的气凝胶玻璃实验平台，屋顶采用气凝胶玻璃，测得自然条件下室外辐射和室内辐射的逐时数据。根据界面能量平衡原理，结合逐时太阳高度角求得各消光系数下的逐时辐射透过率，构建立不同太阳高度角下的逐时光学模型。因为玻璃的光学参数已知(或可通过同样方法由双层中空玻璃的实验数据进行反推)，模型中未知参数仅有气凝胶的消光系数，在假定的消光系数下将逐时模拟数据和实验数据的差值进行平方求和，就可以得到误差与气凝胶消光系数一一对应的函数关系。通过黄金分割法来求得误差平方和最小时的消光系数，此时的消光系数即气凝胶在太阳光下的消光系数，最后再以其他时间验证了结果的准确性。本专利技术适用于新型气凝胶玻璃的光学参数反推，得到气凝胶在太阳光下的消光系数，以进一步分析气凝胶玻璃的透过率和吸收率，为研究气凝胶玻璃的采光性能和传热性能计算和分析提供条件，进而可以对采用以气凝胶玻璃为窗户的建筑进行采光性能分析和能耗模拟。附图说明图1气凝胶玻璃实验平台及其传感器布置示意图；图2k界面与k+1界面光学模型示意图；图3不同介质之间反射角与折射角；图46月14日实验数据；图56月14日气凝胶消光系数与误差平方和的关系；图66月14日透过气凝胶玻璃进入室内的总辐射强度实测值与模拟值；图7透过气凝胶玻璃进入室内的总辐射强度实测值与模拟值，(a)7月27日，(b)7月28日。具体实施方式本专利技术方法的推理和实施过程如下：1.实验数据获得。如图1，在一空旷地带建立全尺寸实验平台，以铝合金为基础框架，四周以遮光板或其他非透光材料包围，将气凝胶玻璃水平放置于框架之上构建一密闭空间，尺寸为2*2*2.5m。通过两套散射辐射仪、总辐射仪和照度仪，分别测得室外总辐射强度和散射辐射强度、室内总辐射强度和散射辐射强度和室内室外照度，用数字自动数据采样仪逐时记录测量数据。2.利用界面能量平衡原理，建立气凝胶玻璃的太阳辐射传递模型。如图2所示的多层透过体系的界面k与界面k+1，从一侧进入界面k的辐射能量Gk中，部分被界面反射回去其余部分则穿过界面k。被反射部分能量与从另一侧进入界面k的辐射能量Fk′中透过界面k的部分汇合形成Fk，而透过部分能量与从另一面射向界面k的Fk′中的反射部分汇合形成Gk′。若界面k的反射率为ρk，根据能量平衡原理可以得到：Gk+Fk′＝Gk′+Fk(1)Gk′＝(1-ρk)Gk+ρkFk′(2)将方程(1)、(2)变形可以得到第k界面的等效透过率αk及等效前向反射率βk：式中βk′为等效后向反射率的倒数ρk为界面单次反射率，其计算方法见下文3。假设消光系数为kλ，根据Bouger定律dI＝I×kλ×dL积分得：式中τa为两界面间的透过率，d是介质的厚度，θ是光线与法线的夹角，kλ为消光系数。将从k到k+1层的透过率与从k+1到k层的透过率相乘，即与相乘再变形得到等效后向反射率的倒数βk′，即方程(6)：式(3)(4)(6)即为计算各界面透过率的递推公式。只要知道最后一层的等效前向反射率βk+1(在气凝胶玻璃系统中为β5)即可求出各界面的等效透过率αk。当透过体系下方为大空间无反射光的情况下β5＝0。从第k到k+1层之间的介质间吸收现象发生在两个过程中：i)从k层界面射向k+1层界面的能量；ii)从k+1层界面反射向k层界面的能量。所以对于k到k+1界面之间的介质a，吸收的能量Qk→k+1为将方程(6)代入方程(7)中化简即可得各层介质的辐射吸收率。在式(9)中，3部分表示穿过第k层界面的总能量，1部分表示i过程吸收的能量，2部分表示ii过程吸收的能量。3.求光线的入射角，并通过入射角求得界面单次反射率。实验中将气凝胶玻璃水平放置，所以入射角为太阳高度角β的余角。影响太阳高度角有三个因素，时角h表示一天时间的变化、赤纬δ表示日期的变化和地理纬度表示不同地理位置的变化。赤纬δ可用式(8)来计算：式中t表示计算日在一年中的日期序数。时角h可用式(9)来计算：式中Lo表示当地子午线的经度，Lom表示该时区中央子午线的经度，e表示时差。最后太阳高度角β可用式(10)来计算：从太阳高度角β本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶消光系数的方法，其特征在于包括：在自然条件下构建测定气凝胶玻璃实验数据的实验平台，该实验平台包括一密闭空间，四周以遮光板或其他非透光材料包围，将气凝胶玻璃水平放置于顶部；逐时测得该实验平台室外直射辐射强度和散射辐射强度、室内总辐射强度，得到不同气凝胶消光系数k

【技术特征摘要】
1.一种从气凝胶玻璃实验数据反推气凝胶消光系数的方法，其特征在于包括：在自然条件下构建测定气凝胶玻璃实验数据的实验平台，该实验平台包括一密闭空间，四周以遮光板或其他非透光材料包围，将气凝胶玻璃水平放置于顶部；逐时测得该实验平台室外直射辐射强度和散射辐射强度、室内总辐射强度，得到不同气凝胶消光系数kλ下各时刻误差平方和的函数：式中Edif表示室外散射辐射强度，Edir表示室外直射辐射强度，Ein表示室内总辐射强度，τdif表示散射透过率，τdir表示直射透过率，τdif和τdir是kλ的函数，t表示时间，N为有太...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈友明，刘洋，李宇鹏，郑思倩，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43