本發(fā)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(shù)據(jù)反推氣凝膠在太陽光下消光系數(shù)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(diào)系統(tǒng)。供熱及空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)的太陽輻射能量占夏季由圍護結構產(chǎn)生的冷負荷的65-80％左右，所以準確模擬窗戶的光學表現(xiàn)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(shù)，在室溫下，導熱系數(shù)可低至0.012W/(m·k)。不過由于氣凝膠質(zhì)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(xiàn)有模擬軟件EnergyPlus、DeST、eQuest、WINDOW等尚不具備模擬氣凝膠玻璃系統(tǒng)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(xiàn)時，消光系數(shù)又是必要的條件，且消光系數(shù)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(chǎn)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(shù)等參數(shù)，且消光系數(shù)無法單獨在實驗室內(nèi)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(shù)。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(shù)得到太陽光下消光系數(shù)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(xiàn)象極其復雜且受雜質(zhì)影響較大，從理論上計算消光系數(shù)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(shù)，為建筑負荷模擬提供必要的參數(shù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種從實驗測得的室外輻射與室內(nèi)輻射數(shù)據(jù)反推氣凝膠消光系數(shù)的方法。

本發(fā)明采取如下的解決方案：一種從氣凝膠玻璃實驗數(shù)據(jù)反推氣凝膠消光系數(shù)的方法，包括：

在自然條件下構建測定氣凝膠玻璃實驗數(shù)據(jù)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(nèi)總輻射強度，得到不同氣凝膠消光系數(shù)k_λ下各時刻誤差平方和的函數(shù)：

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(nèi)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(shù)，t表示時間，N為有太陽輻射的實驗采樣點數(shù)；

求得誤差平方和最小時的消光系數(shù)即氣凝膠在太陽光下的消光系數(shù)。

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(jù)Bouger定律得到消光系數(shù)和透過率的函數(shù)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(shù)下的逐時輻射透過率。

在一個具體的實施方式中，根據(jù)黃金分割法則求得誤差平方和最小時的消光系數(shù)。

本發(fā)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(nèi)輻射的逐時數(shù)據(jù)。根據(jù)界面能量平衡原理，結合逐時太陽高度角求得各消光系數(shù)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(shù)已知(或可通過同樣方法由雙層中空玻璃的實驗數(shù)據(jù)進行反推)，模型中未知參數(shù)僅有氣凝膠的消光系數(shù)，在假定的消光系數(shù)下將逐時模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的差值進行平方求和，就可以得到誤差與氣凝膠消光系數(shù)一一對應的函數(shù)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(shù)，此時的消光系數(shù)即氣凝膠在太陽光下的消光系數(shù)，最后再以其他時間驗證了結果的準確性。

本發(fā)明適用于新型氣凝膠玻璃的光學參數(shù)反推，得到氣凝膠在太陽光下的消光系數(shù)，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；

圖2 k界面與k+1界面光學模型示意圖；

圖3 不同介質(zhì)之間反射角與折射角；

圖4 6月14日實驗數(shù)據(jù)；

圖5 6月14日氣凝膠消光系數(shù)與誤差平方和的關系；

圖6 6月14日透過氣凝膠玻璃進入室內(nèi)的總輻射強度實測值與模擬值；

圖7 透過氣凝膠玻璃進入室內(nèi)的總輻射強度實測值與模擬值，(a)7月27日，(b)7月28日。

具體實施方式

本發(fā)明方法的推理和實施過程如下：

1.實驗數(shù)據(jù)獲得。如圖1，在一空曠地帶建立全尺寸實驗平臺，以鋁合金為基礎框架，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框架之上構建一密閉空間，尺寸為2*2*2.5m。通過兩套散射輻射儀、總輻射儀和照度儀，分別測得室外總輻射強度和散射輻射強度、室內(nèi)總輻射強度和散射輻射強度和室內(nèi)室外照度，用數(shù)字自動數(shù)據(jù)采樣儀逐時記錄測量數(shù)據(jù)。

2.利用界面能量平衡原理，建立氣凝膠玻璃的太陽輻射傳遞模型。如圖2所示的多層透過體系的界面k與界面k+1，從一側(cè)進入界面k的輻射能量G_k中，部分被界面反射回去其余部分則穿過界面k。被反射部分能量與從另一側(cè)進入界面k的輻射能量F_k′中透過界面k的部分匯合形成F_k，而透過部分能量與從另一面射向界面k的F_k′中的反射部分匯合形成G_k′。若界面k的反射率為ρ_k，根據(jù)能量平衡原理可以得到：

G_k+F_k′＝G_k′+F_k (1)

G_k′＝(1-ρ_k)G_k+ρ_kF_k′ (2)

將方程(1)、(2)變形可以得到第k界面的等效透過率α_k及等效前向反射率β_k：

式中β_k′為等效后向反射率的倒數(shù)ρ_k為界面單次反射率，其計算方法見下文3。

假設消光系數(shù)為k_λ，根據(jù)Bouger定律dI＝I×k_λ×dL積分得：

式中τ_a為兩界面間的透過率，d是介質(zhì)的厚度，θ是光線與法線的夾角，k_λ為消光系數(shù)。

將從k到k+1層的透過率與從k+1到k層的透過率相乘，即與相乘再變形得到等效后向反射率的倒數(shù)β_k′，即方程(6)：

式(3)(4)(6)即為計算各界面透過率的遞推公式。只要知道最后一層的等效前向反射率β_k+1(在氣凝膠玻璃系統(tǒng)中為β₅)即可求出各界面的等效透過率α_k。當透過體系下方為大空間無反射光的情況下β₅＝0。

從第k到k+1層之間的介質(zhì)間吸收現(xiàn)象發(fā)生在兩個過程中：i)從k層界面射向k+1層界面的能量；ii)從k+1層界面反射向k層界面的能量。

所以對于k到k+1界面之間的介質(zhì)a，吸收的能量Q_k→k+1為

將方程(6)代入方程(7)中化簡即可得各層介質(zhì)的輻射吸收率。

在式(9)中，3部分表示穿過第k層界面的總能量，1部分表示i過程吸收的能量，2部分表示ii過程吸收的能量。

3.求光線的入射角，并通過入射角求得界面單次反射率。實驗中將氣凝膠玻璃水平放置，所以入射角為太陽高度角β的余角。影響太陽高度角有三個因素，時角h表示一天時間的變化、赤緯δ表示日期的變化和地理緯度表示不同地理位置的變化。

赤緯δ可用式(8)來計算：

式中t表示計算日在一年中的日期序數(shù)。

時角h可用式(9)來計算：

式中Lo表示當?shù)刈游缇€的經(jīng)度，Lo_m表示該時區(qū)中央子午線的經(jīng)度，e表示時差。

最后太陽高度角β可用式(10)來計算：

從太陽高度角β以及介質(zhì)的折射指數(shù)n，根據(jù)n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂可以得到入射角和折射角，再根據(jù)式(11)，求得界面單次反射率ρ_k，代入上述式(3)得到界面等效透過率α_k，

4.計算氣凝膠玻璃散射透過率和第三層玻璃的吸收率。因第二層氣凝膠有強烈的散射現(xiàn)象，導致穿過第三層玻璃最后進入室內(nèi)的能量為散射輻射，所以將穿過第三層玻璃的太陽輻射在[0,90°]內(nèi)平分，求得各角度下的透過率，最后進行積分處理。將積分結果代入上述公式(6)以得到該系統(tǒng)總透過率。

最后通過計算出的界面等效透過率和介質(zhì)透過率求得氣凝膠玻璃的總直射透過率。

τ_dir＝α₁α₂α₃α₄τ₁τ₂τ₃ (15)

對于散射輻射透過率，假定輻射為平均分布，利用直射透過率的方法求得[0°,90°]入射角下的直射透過率，按照方程(14)的方法進行積分即可得到散射輻射的透過率。

5.求解氣凝膠消光系數(shù)。分別求得在不同氣凝膠消光系數(shù)下的散射輻射透過率和直射輻射透過率，與實驗測得的室外直射、散射輻射強度相乘即可得到不同消光系數(shù)的室內(nèi)太陽輻射強度逐時刻計算值。計算室內(nèi)輻射強度逐時計算值與逐時實驗測量值的誤差平方和，即建立起消光系數(shù)與誤差平方和之間的函數(shù)關系(如式(17))。根據(jù)黃金分割法則求得誤差平方和最小時的氣凝膠消光系數(shù)，這時的消光系數(shù)即為所求得的消光系數(shù)。最后再通過其它時間的實驗數(shù)據(jù)驗證所求得的消光系數(shù)的準確性。

式中下標dir表示直射輻射部分，dif表示散射輻射部分，in表示進入室內(nèi)的部分，E表示輻射強度，N為有太陽輻射的實驗采樣點數(shù)。

模型的誤差可以用均方根誤差來表示，計算公式如下

式中s_i為室內(nèi)總輻射的模擬值，e_i為室內(nèi)總輻射值的實測值。

上述方法的具體應用示例(結果如圖4-7)

用6月14號實驗數(shù)據(jù)采用上述方法對氣凝膠的消光系數(shù)進行反推。當日天氣為多云，實驗地點為湖南省長沙市岳麓區(qū)湖南大學除塵樓樓頂，采用的氣凝膠玻璃為8+12+8共計28mm厚，其中玻璃的消光系數(shù)為0.0144/mm。當日實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

用上述推算方法計算，當消光系數(shù)為0.0296/mm時，與實驗數(shù)據(jù)之間誤差平方和最小。最大誤差出現(xiàn)在中午十二點半為22.05W/m²，均方根誤差為11.91W/m²。以7月27日和7月28日實驗測得的室外直射和散射數(shù)據(jù)及時間參數(shù)，計算室內(nèi)的總輻射值，與室內(nèi)的實測總輻射進行比較以驗證推算出的氣凝膠的消光系數(shù)的準確性。計算結果表明7月27日最大誤差出現(xiàn)在下午四點為26.95W/m²，全日均方根誤差為12.66W/m²；7月28日最大誤差出現(xiàn)在下午四點為23.37W/m²，全日均方根誤差為11.60W/m²。從圖7可以看出6月14日計算出的消光系數(shù)對7月27日和7月28日數(shù)據(jù)一樣可行有效。

上述例子證明本方法推演出的氣凝膠消光系數(shù)對該種氣凝膠玻璃是準確的，可以用于該種氣凝膠在其他場合使用時的負荷計算和能耗模擬。所以本方法可以用于從實驗數(shù)據(jù)反推氣凝膠的消光系數(shù)。