计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法与流程

1.本发明涉及一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，具体涉及一种可用于能耗计算的光致变色玻璃太阳能得热系数的计算流程和方法。


背景技术：

2.光致变色玻璃，简称光致变色玻璃，即在光辐照后能产生着色，光照停止后，经一段时间又能恢复到原始状态。由于其透光性可随辐射光强度的改变而变化，因此其能够控制阳光进入，使室内始终具有较适宜的亮度和温度，有效减少空调使用，实现建筑的减能降耗。
3.太阳能得热系数也称太阳能总透射比，是指通过透光围护结构的太阳辐射室内得热量与投射到透光围护结构外表面上的太阳辐射量的比值，是评价玻璃等透光围护结构在建筑中能耗表现的关键指标，是指导变色玻璃类材料研发的重要参数。
4.然而由于光致变色玻璃的太阳光透射比在光照作用下时时变化，因此目前缺少可以计算其在实际环境中太阳能得热系数的方法，导致光致变色玻璃在建筑中的节能性能无法评估，不同类型的建筑适合安装何种性能的光致变色玻璃，无法准确的决断。这无疑阻碍了光致变色玻璃规模化生产的进程，极大的限制了光致变色玻璃在实际建筑中的应用推广。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，简单实用，便于光致变色玻璃在实际建筑中的应用推广。
6.为实现上述目的，本发明提供一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，包括如下步骤：
7.1)在暗室内利用激励光源发射一定测试光强的光线自初始时刻至t1时刻持续辐照光致变色玻璃，t1时刻为变暗结束时刻，初始时刻至t1时刻为光致变色玻璃变暗时长；并且在初始时刻至t1时刻利用透过率检测仪连续检测光致变色玻璃的可见光透射比，从而获得光致变色玻璃变暗过程的透射比
‑
时间曲线；
8.2)在t1时刻关闭激励光源，进行复明过程测试至t2时刻，t2时刻为复明结束时刻，t1至t2时刻为光致变色玻璃复明时长；t1时刻至t2时刻期间利用透过率检测仪连续检测光致变色玻璃的可见光透射比，从而获得光致变色玻璃复明过程的透射比
‑
时间曲线；
9.3)变暗结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比的测试：
10.3a)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后即刻转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的透射比；
11.3b)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态，重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后即刻转移
至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的反射比；
12.4)复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比的测试：
13.4a)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后再避光静置复明时长的时间，然后即刻将光致变色玻璃转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的透射比；
14.4b)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后再避光静置复明时长的时间，然后即刻将光致变色玻璃转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的反射比；
15.5)根据变暗结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出变暗结束时刻太阳能得热系数shgc1，根据复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出复明结束时刻太阳能得热系数shgc2。
16.优选地，所述步骤1)至步骤4)在温度为20℃的暗室中完成。
17.优选地，所述激励光源光强为5～10万勒克斯。
18.更为优选地，所述光源为氙弧灯。
19.优选地，所述步骤1)中，t1时刻为变暗过程的透射比
‑
时间曲线上透射比变化率下降至低于0.5的时刻。
20.优选地，在步骤3)和步骤4)中，太阳光光谱范围的光线波长范围选取为200nm～2500nm。
21.优选地，所述步骤2)中，复明结束时刻t2＝t1 n
·
t1
22.其中n的值按照如下方式确定：
23.统计光致变色玻璃目标使用地设定时段内的太阳辐射强度分布；统计有阳光辐照的时段为a～b；统计设定时段中在a～b时段内，太阳辐射强度为0及大于测试光强的小时数分别为n1、n2，则n＝n1/n2。
24.更为优选地，所述设定时段为以近10年的太阳辐射强度月平均值为依据，从近10年的太阳辐射强度资料中选取太阳辐射强度接近所述近10年的太阳辐射强度月平均值的年份作为所述设定时段。
25.优选地，所述步骤5)中，太阳能得热系数计算公式为
26.式中：
27.g为门窗、幕墙中非透光部分的太阳辐射吸收系数，无量纲；
28.a
g
为门窗、幕墙中透光部分的面积；
29.ρ为非透光部分的太阳光吸收比；
30.k为门窗、幕墙中非透光部分的传热系数；
31.α
e
为外表面对流换热系数；
32.a
f
为门窗、幕墙中非透光部分的面积；
33.a
w
为门窗、幕墙的面积；
34.其中g的算法按现行国家标准《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳
能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》gb/t 2680的规定计算。
35.如上所述，本发明涉及的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，具有以下有益效果：在本发明的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法中，通过对光致变色玻璃的变暗过程和复明过程的测试，得到光致变色玻璃样品变暗过程的透射比
‑
时间曲线和复明过程的透射比
‑
时间曲线，通过测试分别得出变暗结束时刻和复明结束时刻在太阳光光谱范围的透射比和反射比，根据变暗结束时刻和复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出光致变色玻璃在变暗结束时刻和复明结束时刻的太阳能得热系数，该方法简单实用。太阳能得热系数可以良好地应用于评价光致变色玻璃在实际建筑中的能耗表现，便于光致变色玻璃的工程应用推广。
附图说明
36.图1显示为两种光致变色玻璃的变暗和复明曲线。
37.图2显示为某城市全年8760小时的太阳辐射强度分布图。
38.图3显示为某城市太阳辐射强度数统计图。
39.图4显示为办公楼和图书馆的能耗率计算图。
具体实施方式
40.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
41.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
42.请参考图1，本发明提供一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，包括如下步骤：
43.1)在暗室内利用激励光源发射一定测试光强的光线自初始时刻(计为0)至t1时刻持续辐照光致变色玻璃，t1时刻为变暗结束时刻，初始时刻至t1时刻为光致变色玻璃变暗时长；并且在初始时刻至t1时刻利用透过率检测仪连续检测光致变色玻璃的可见光透射比，从而获得光致变色玻璃变暗过程的透射比
‑
时间曲线；
44.2)在t1时刻关闭激励光源，进行复明过程测试至t2时刻，t2时刻为复明结束时刻，t1至t2时刻为光致变色玻璃复明时长；t1时刻至t2时刻期间利用透过率检测仪连续检测光致变色玻璃的可见光透射比，从而获得光致变色玻璃复明过程的透射比
‑
时间曲线；
45.3)变暗结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比的测试：
46.3a)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后即刻转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的透射比；
47.3b)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态，重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后即刻转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的反射比；
48.4)复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比的测试：
49.4a)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后再避光静置复明时长的时间，然后即刻将光致变色玻璃转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的透射比；
50.4b)将所述光致变色玻璃在暗室内静置使样品完全恢复到初始状态；重新利用激励光源发射所述一定测试光强的光线持续辐照光致变色玻璃变暗时长的时间后再避光静置复明时长的时间，然后即刻将光致变色玻璃转移至分光光度计测试得到光致变色玻璃在太阳光光谱范围的反射比；
51.5)根据变暗结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出变暗结束时刻太阳能得热系数shgc1，根据复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出复明结束时刻太阳能得热系数shgc2。
52.在本发明的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法中，通过对光致变色玻璃的变暗过程和复明过程的测试，得到光致变色玻璃样品变暗过程的透射比
‑
时间曲线和复明过程的透射比
‑
时间曲线，通过测试分别得出变暗结束时刻和复明结束时刻在太阳光光谱范围的透射比和反射比，根据变暗结束时刻和复明结束时刻光致变色玻璃透射比和反射比数据计算得出光致变色玻璃在变暗结束时刻和复明结束时刻的太阳能得热系数，该方法简单实用。太阳能得热系数可以良好地应用于评价光致变色玻璃在实际建筑中的能耗表现，便于光致变色玻璃的工程应用推广。
53.本发明的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，通过测试确定光致变色玻璃变暗过程和复明过程的时长；在稳定的环境和光源下，得到光致变色玻璃的变暗过程的透射比
‑
时间曲线和复明过程的透射比
‑
时间曲线；测量变暗过程结束时(t1时刻)和复明过程结束时(t2时刻)的太阳光范围透射比和反射比；利用公式计算两种时刻下的太阳能得热系数。该方法简单实用，便于光致变色玻璃在实际建筑中的应用推广。
54.为了使得测试数据准确稳定，减少环境影响带来的误差，所述步骤1)至步骤4)在温度为20℃的暗室中完成。所谓“暗室”是光学测试采用的一种特殊的避光暗室环境空间，为本领域技术人员的公知常识。
55.作为一种优选的实施方式，所述步骤1)中，测试变暗过程的透射比
‑
时间曲线时，以光强为5～10万勒克斯的激励光源对光致变色玻璃样品连续辐照；测试复明过程的透射比
‑
时间曲线时，关闭光源。所述光源可以为氙弧灯等光源。变暗过程的透射比
‑
时间曲线为光源连续辐照时，光致变色玻璃透射比随时间变化的曲线；复明过程的透射比
‑
时间曲线为光源关闭时，光致变色玻璃透射比随时间变化的曲线。
56.光致变色玻璃的变暗至一定程度之后，其后续继续变暗的程度非常小且非常缓慢，作为一种优选的实施方式，所述步骤1)中，t1时刻为变暗过程的透射比
‑
时间曲线上透射比变化率下降至低于0.5的时刻，透射比变化率为透射比
‑
时间曲线上任一点处的切线斜率(或其导数值dy/dt)。考虑实际的应用情况，在透射比变化率下降至低于0.5以后，光致变
色玻璃的变暗程度可以忽略。
57.作为一种优选的实施方式，在步骤3)和步骤4)中，考虑太阳光98％以上能量在200～2500nm范围，为了简便测试，太阳光光谱范围的光线波长范围选取为200nm～2500nm，这样比较适宜于工程实践情况。太阳能得热系数shgc1和shgc2的计算公式为国标规范规定的常规玻璃的太阳能得热系数计算公式。所述步骤5)中，太阳能得热系数计算公式为
58.式中：
59.g为门窗、幕墙中非透光部分的太阳辐射吸收系数，无量纲；
60.a
g
为门窗、幕墙中透光部分的面积；
61.ρ为非透光部分的太阳光吸收比；
62.k为门窗、幕墙中非透光部分的传热系数；
63.α
e
为外表面对流换热系数；
64.a
f
为门窗、幕墙中非透光部分的面积；
65.a
w
为门窗、幕墙的面积；
66.其中g的算法按现行国家标准《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》gb/t 2680的规定计算，即：
67.g＝τ
e
q
i
68.τ
e
——试样的太阳光直接透射比，
69.q
i
——向室内侧的二次热传递系数，
70.ρ
e
——试样的太阳光直接反射比，
71.α
e
——试样的太阳光直接吸收比，α
e
＝1
‑
τ
e
‑
ρ
e
72.h
i
——内表面热传递系数，h
i
＝8w/m2·
k
73.h
e
——外表面热传递系数，h
e
＝23w/m2·
k
74.其中
[0075][0076][0077]
e(λ)——太阳光辐射相对光谱分布
[0078]
δλ——波长间隔，单位为nm
[0079]
τ(λ)——试样的太阳光光谱透射比
[0080]
ρ(λ)——试样的太阳光光谱透射比。
[0081]
为了便于工程实践应用推广，光之玻璃的复明时刻t2可以按照如下方式确定：
[0082]
在所述步骤2)中，复明过程结束时刻t2＝t1 n
·
t1
[0083]
其中n的值按照如下方式确定：
[0084]
统计光致变色玻璃目标使用地设定时段内的太阳辐射强度分布；统计有阳光辐照的时段为a～b；统计设定时段中在a～b时段内，太阳辐射强度为0及大于测试光强的小时数分别为n1、n2，则n＝n1/n2。所述设定时段为以近10年的太阳辐射强度月平均值为依据，从近10年的太阳辐射强度资料中选取太阳辐射强度接近所述近10年的太阳辐射强度月平均值的年份作为所述设定时段。
[0085]
前述“统计光致变色玻璃目标使用地设定时段内的太阳辐射强度分布”中所涉及的“设定时段”可以根据需要选取，作为一种优选的实施方式，所述设定时段可以选取为光致变色玻璃目标使用地的典型气象年，统计典型气象年全年8760个小时内的太阳辐射强度分布；统计有阳光辐照的时段为a～b；统计全年8760个小时中在a～b时段内，太阳辐射强度为0及大于测试光强的小时数分别为n1、n2，则n＝n1/n2。所述典型气象年为以近10年的太阳辐射强度月平均值为依据，从近10年的太阳辐射强度资料中选取太阳辐射强度接近所述近10年的太阳辐射强度月平均值的年份作为典型气象年。
[0086]
关于光致变色玻璃透射比和反射比的测试方法，在《gb t 25968
‑
2010分光光度计测量材料的太阳透射比和太阳吸收比试验方法》中及其他文献中有记载，为本领域公知常识，此处不再详述。
[0087]
本发明的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，根据光致变色玻璃的变暗和复明过程的透射比
‑
时间曲线，在大于辐射光强时，将逐渐变色到饱和透射比；在辐射为0时，将逐渐复明到初始透射比。考虑到在典型日中的太阳辐照特点，光致变色玻璃能达到的最低透射比为饱和透射比，最高透射比为复明时长下能达到的复明透射比。因此，光致变色玻璃的太阳能得热系数为变暗过程结束时和复明过程结束时的太阳能得热系数值的范围区间。测量这两个时刻下的太阳光透射比和反射比，利用公式计算得shgc1和shgc2即为光致变色玻璃的太阳能得热系数范围。该值可以良好地应用于评价光致变色玻璃在实际建筑中的能耗表现。
[0088]
以下通过一个应用案例来说明本发明的一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法。
[0089]
图2为通过能耗模拟软件获得的某市典型年8760个小时的太阳直接辐射分布图。图3为统计的辐射强度为0和大于10万勒克斯照度(按辐照强度单位w/m2乘683估算)光强的小时数。根据统计可得，辐照大于10万勒克斯和为0的小时数比约为1:1.5。图1为测试的两种光致变色玻璃的变暗过程的透射比
‑
时间曲线和复明过程的透射比
‑
时间曲线，测试设备包括氙弧灯、透光率测试设备及记录存储系统。在暗室内，以10万勒克斯光强进行变暗过程测试，待透射比变化率低于0.5的时关灯避光进行复明过程测试，辐照方式为垂直照射，测试温度恒定为20℃。由图1可见，当辐照5分钟时，光致变色玻璃的透射比变化率低于0.5，即变暗过程为0～5分钟。根据复明时长计算方法，复明过程为5～5 1.5x5分钟。分别测量5分钟时刻和12.5分钟时刻下，光致变色玻璃的太阳能透射光谱。依据《民用建筑热工设计规范》(gb50176)中的公式计算出低透和高透两种光致变色的太阳能得热系数范围分别是0.569～0.680和0.732～0.799。依据该系数值，进行建筑能耗验算。
[0090]
选取夏热冬暖地区的某典型城市为模拟地点，气象参数分别采用该市的典型气象年。建立办公楼、图书馆建筑模型，室内热扰及空调启停作息依次设置为办公室人员/设备/
灯光作息、阅览室人员/设备/灯光作息，不同月份设定的适宜室温范围略有不同。办公楼和图书馆的窗墙比依次为0.25、0.60，非透明围护结构的材料及参数为软件默认值，具体参数见表1。
[0091]
表1围护结构热工参数
[0092][0093]
图4显示为办公楼和图书馆的能耗率计算图。在办公楼和图书馆中，低透光致变色玻璃的建筑年总能耗依次为常见普通玻璃总能耗的98～98％和91～94％；高透光致变色玻璃依次为99～99％和96～99％，相比普通玻璃，两种光致变色玻璃均具有一定的节能效果。通过本发明计算的太阳能得热系数用于实际能耗计算，其能耗率的范围在0～3％之间，波动范围较小，说明该方法对动态变化的光致变色玻璃在实际工程中的能耗估算具有一定的现实意义。
[0094]
基于上述技术方案的说明，本发明的目的在于提供一种计算光致变色玻璃太阳能得热系数的方法，克服现有光致变色玻璃太阳光透射比时刻变化、其能耗表现难以评估的问题，通过对太阳辐射和玻璃变色特性的分析，建立了计算光致变色玻璃的太阳能得热系数的方法。
[0095]
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0096]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。