太阳辐射计算与模拟

2024-09-08

太阳辐射计算与模拟（共4篇）

太阳辐射计算与模拟篇1

摘要：介绍了组合真空玻璃,包括“中空+真空”、“中空+真空+中空”、“组合真空夹层玻璃”、“双真空层玻璃”与太阳辐射相关参数的计算方法。

关键词：组合真空玻璃,太阳辐射,透射比,反射比,吸收比

文章主要介绍由3片以上玻璃组成的“组合真空玻璃”与太阳辐射相关参数的计算,计算涉及的原理及方法大部分也适用于3片以上玻璃或透明材料构成的双中空、夹层玻璃的相关计算。

组合真空玻璃是把真空玻璃当成一片玻璃再与其它玻璃深加工技术结合而形成的“真空+中空”、“真空+夹层”等玻璃深加工产品,使真空玻璃与其它技术结合而取长补短,得到高隔热、高隔声且安全的综合性能优势[3]。如果真空玻璃再发展为双真空层玻璃,性能更为优越。可以把以上这些组合称为“超级玻璃”或“超级真空玻璃”[4],下面分别讨论上述几种组合真空玻璃的计算。

为了方便起见,现列出参考文献[2]中已推导出的计算2片玻璃构成的真空玻璃各项参数的部分公式:

计算可见光、紫外线、太阳辐射透射比和反射比的公式

$τ = \frac{τ_{1} τ_{2}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}} (1)$

计算太阳辐射直接吸收比的公式

$\begin{array}{l} α_{12} = α_{1} + \frac{α^{'}_{1} τ_{1} ρ_{2}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}} (3) \\ α_{1 \dot{2}} = \frac{α_{2} τ_{1}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}} (4) \end{array}$

1 “真空+中空”组合玻璃与太阳辐射相关参数的计算

“真空+中空”组合真空玻璃有“中空+真空”和“中空+真空+中空”2种可能的结构,如图1所示。

1.1 “中空+真空”组合真空玻璃的计算

1.1.1 “中空+真空”可见光、紫外线、太阳辐射透射比、反射比的计算

在计算图1(a)中3片玻璃板构成的“中空+真空”结构的可见光、紫外线和太阳辐射透射比和反射比时,可以采用分步计算法,先算出真空玻璃的相关参数,然后把真空玻璃当作“一片”玻璃,利用式(1)和式(2)算出透射比和反射比。也可以用图中真空玻璃的透射比 $\frac{τ_{2} τ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$ 代替(1)中的τ2,用反射比 $ρ_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$ 代替(1)中的ρ2,推导出3片玻璃的透射比

$τ = \frac{τ_{1} τ_{2} τ_{3}}{(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}} (5)$

同理,由式(2)可推导出3片玻璃的反射比

$ρ = ρ_{1} + \frac{τ_{1}^{2} ρ_{2} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) + τ_{1}^{2} τ_{2}^{2} ρ_{3}}{(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}} (6)$

把3片玻璃的相关参数代入式(5)和式(6),也可以算出图1(a)“中空+真空”结构的透射比和反射比。

1.1.2 “中空+真空”结构太阳辐射直接吸收比的计算

在图1(a)3片玻璃的情况下,先把第2,3两片玻璃看作一个组合,利用前面公式(3)计算出第1片玻璃的吸收比

$α_{\dot{1} 23} = α_{1} + \frac{α^{'}_{1} τ_{1} ρ_{23}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{23}}$

式中,ρ23是第2,3片玻璃组合后的反射比,由公式(2)可得

$ρ_{23} = ρ_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$

将此式代入上式并化简后可得

$α_{\dot{1} 23} = α_{1} + α^{'}_{1} \frac{τ_{1}_{2} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) + τ_{1} τ_{2}^{2} ρ_{3}}{(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}} (7)$

再把第1、2两片玻璃看作一个组合,利用公式(4)计算出第3片玻璃的吸收比

$α_{12 \dot{3}} = \frac{α_{3} τ_{12}}{1 - ρ^{'}_{12} ρ_{3}}$

式中,τ12是第1、2两片玻璃组合后的透射比,根据公式(1)可得

$τ_{12} = \frac{τ_{1} τ_{2}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}}$

ρ′12是第1、2两片玻璃组合射线由内射向外的反射比,根据公式(2)可得

$ρ^{'}_{12} = ρ^{'}_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}}$

将τ12、ρ′12代入,并化简,可得

$α_{12 \dot{3}} = \frac{τ_{τ} 1_{2} α_{3}}{(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}} (8)$

为了求出第2片玻璃的吸收比 $α_{1 \dot{2} 3}$ ,可以有多种途径,这里选择其中一种作推导,其思路可由公式: $α_{1 \dot{2} 3} = α_{1 \dot{2} \dot{3}} - α_{12 \dot{3}}$ 表示,即先求出2、3两片玻璃组合的吸收比 $α_{1 \dot{2} \dot{3}}$ ,再减去第3片的吸收比 $α_{12 \dot{3}}$ ,即可得到 $α_{1 \dot{2} 3}$ 。推导如下

由公式(4)可得

$α_{1 \dot{2} \dot{3}} = \frac{α_{23} τ_{1}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{23}}$

式中,α23=1-ρ23-τ23。

由公式(1)可得 $τ_{23} = \frac{τ_{2} τ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$

由公式(2)可得

$ρ_{23} = ρ_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}} = \frac{ρ_{1} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) + τ_{2}^{2} ρ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$

故

$α_{23} = \frac{(1 - ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ_{3} - τ_{2} τ_{3}}{1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}}$

由此可得

$\begin{array}{l} α_{1 \dot{2} \dot{3}} = [τ_{1} (1 - ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{1} τ_{2}^{2} ρ_{3} - τ_{1} τ_{2} τ_{3} - τ_{1} τ_{2} α_{3}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}] \\ α_{1 \dot{2} 3} = α_{1 \dot{2} \dot{3}} - α_{12 \dot{3}} = [τ_{1} (1 - ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{1} τ_{2}^{2} ρ_{3} - τ_{1} τ_{2} τ_{3}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}] \end{array}$

将1-ρ2=τ2+α2,α3=1-τ3-ρ3代入上式并化简得到

$α_{1 \dot{2} 3} = [τ_{1} α_{2} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{1} τ_{2} ρ^{'}_{2} ρ_{3} - τ_{1} τ_{2}^{2} ρ_{3} - τ_{1} τ_{2} ρ_{3}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}]$

将上式分母第二项中的ρ′2用1-τ2-α′2代替并化简后得到

$α_{1 \dot{2} 3} = [τ_{1} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) α_{2} + τ_{1} τ_{2} ρ_{3} α^{'}_{2}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}] (9)$

此式物理意义非常清楚,第一项有α2因子,代表第2片玻璃正面(辐射由外向内射入方向)的吸收项,第二项有α′2因子,代表从反面的吸收项。上面推导中有意引入α2和α′2也正基于此。同理也可以分析公式(7)和(8)的物理意义。

1.1.3 “中空+真空”结构太阳辐射总透射比及遮阳系数的计算

常用“中空+真空”结构有2种安装方式,如图2所示。

参考文献[2]中3.5,真空玻璃太阳辐射总透射比的计算的相同原理,可根据图3写出向内的二次辐射传递系数qi

$\begin{array}{l} q_{i} = \frac{R_{外}}{R_{外} + R_{中空} + R_{真空} + R_{内}} α_{\dot{1} 23} + \\ \frac{R_{外} + R_{中空}}{R_{外} + R_{中空} + R_{真空} + R_{内}} α_{1 \dot{2} 3} + \\ \frac{R_{外} + R_{中空} + R_{真空}}{R_{外} + R_{中空} + R_{真空} + R_{内}} α_{12 \dot{3}} = \\ \frac{R_{外}}{R_{传}} α_{\dot{1} 23} + \frac{R_{外} + R_{中空}}{R_{传}} α_{1 \dot{2} 3} + \\ \frac{R_{外} + R_{中空} + R_{真空}}{R_{传}} α_{12 \dot{3}} = \\ \frac{R_{外}}{R_{传}} α_{\dot{1} 23} + \frac{R_{外} + R_{中空}}{R_{传}} α_{1 \dot{2} 3} + \frac{R_{外} + R_{组合}}{R_{传}} α_{12 \dot{3}} (10) \end{array}$

式中,R组合为“中空+真空”组合的总热阻;R传=R外+R中空+R真空+R内为传热阻。

由此可算出太阳辐射总透射比g(或得热系数SHGC ):g=τe+qi,并由Se=g/τs求出遮阳系数Se。用标准真空玻璃与6 mm普通白玻组合成“真空+中空”后的参数,汇总列于表1。

1.2 “中空+真空+中空”组合真空玻璃的计算

1.2.1 “中空+真空+中空”可见光、紫外线、太阳辐射3种射线透射比、反射比的计算

对于图1(b)“中空+真空+中空”结构中涉及4片玻璃的情况也可以采取分步计算法,先算出真空玻璃的参数,再把此参数当作一片玻璃的参数代入公式(5)和(6)即可算出透过比和反射比。当然也可以推导出4片玻璃的总公式来进行计算,只要用 $\frac{τ_{3} τ_{4}}{1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}}$ 代替(5)中的τ3,用 $ρ_{3} + \frac{τ_{3}^{2} ρ_{4}}{1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}}$ 代替式(5)和式(6)中的ρ3,就可推导出4片玻璃的透射比

τ=[τ1τ2τ3τ4]/[(1-ρ′1ρ2)(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)-τ $_{2}^{2}$ ρ′1ρ3(1-ρ′3ρ4)-τ $_{3}^{2}$ ρ′2ρ4(1-ρ′1ρ2)-τ22τ $_{3}^{2}$ ρ′1ρ4] (11)

及4片玻璃的反射比

ρ=ρ1+[τ $_{1}^{2}$ ρ2(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)+τ $_{1}^{2}$ τ $_{2}^{2}$ ρ3(1-ρ′3ρ4)-τ $_{1}^{2}$ τ $_{3}^{2}$ ρ2ρ′2ρ4+τ $_{2}^{2}$ τ $_{2}^{2}$ τ $_{3}^{2}$ ρ4]/[(1-ρ′1ρ2)(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)-τ $_{2}^{2}$ ρ′1ρ3(1-ρ′3ρ4)-τ $_{3}^{2}$ ρ′2ρ4(1-ρ′1ρ2)-τ $_{2}^{2}$ τ $_{3}^{2}$ ρ′1ρ4] (12)

1.2.2 “中空+真空+中空”太阳辐射直接吸收比的计算

在图1(b)所示4片玻璃的情况下,可参照1.1.2的方法,先把2、3、4三片玻璃看作一个组合,利用前面公式(3)计算出第一片玻璃的吸收比

$α_{\dot{1} 234} = α_{1} + \frac{α^{'}_{1} τ_{1} ρ_{234}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{234}}$

式中,ρ234是第2、3、4 三片玻璃组合的反射比,由公式(6)可得

ρ234=ρ2+[τ $_{2}^{2}$ ρ3(1-ρ′3ρ4)+τ $_{2}^{2}$ τ $_{3}^{2}$ ρ4]/[(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)-τ $_{2}^{2}$ ρ′2ρ4]

将此式代入前式并化简可得

$α_{\dot{1} 234} = α_{1} + α^{'}_{1} [τ_{1} ρ_{2} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) + τ_{1} τ_{2}^{2} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{1} τ_{3}^{2} ρ_{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} + τ_{1} τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{4}] (13)$

同理,可以把1、2、3三片玻璃看作一个组合,利用前面公式(4)计算出第4片玻璃的吸收比

$α_{123 \dot{4}} = \frac{α_{4} τ_{123}}{1 - ρ^{'}_{123} ρ_{4}}$

式中,τ123是1、2、3三片玻璃组合的透射比,由公式(5)可得

$τ_{123} = \frac{τ_{1} τ_{2} τ_{3}}{(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3}}$

ρ′123是1、2、3三片玻璃组合的反向反射比,由公式(6)可得

$ρ^{'}_{123} = ρ^{'}_{3} + \frac{τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} (1 - ρ_{2} ρ^{'}_{1}) + τ_{3}^{2} τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1}}{(1 - ρ_{3} ρ^{'}_{2}) (1 - ρ_{2} ρ^{'}_{1}) - τ_{2}^{2} ρ_{3} ρ^{'}_{1}}$

将此二式代入前式并化简可得

$α_{123 \dot{4}} = [τ_{1} τ_{2} τ_{3} α_{4}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{4}] (14)$

为求第2片玻璃的吸收比可以有多种途径,这里选择其中一种作推导:其思路可由公式 $α_{1 \dot{2} 34} = α_{1 \dot{2} \dot{3} \dot{4}} - α_{12 \dot{3} \dot{4}}$ 表示,即先推算出2、3、4三片玻璃组合的吸收比 $α_{1 \dot{2} \dot{3} \dot{4}}$ ,再减去3、4两片玻璃组合的吸收比 $α_{12 \dot{3} \dot{4}}$ ,即可得到 $α_{1 \dot{2} 34}$ 。

推导如下:

由公式(4)可得

$α_{1 \dot{2} \dot{3} \dot{4}} = \frac{α_{234} τ_{1}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{234}}$

式中,α234=1-τ234-ρ234。

由公式(5)可得

$τ_{234} = \frac{τ_{2} τ_{3} τ_{4}}{(1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - ρ^{'}_{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}}$

由公式(6)可得

$ρ_{234} = ρ_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) + τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}}{(1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - ρ^{'}_{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}}$

故

α234={(1-ρ2)[(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)-ρ′2τ $_{3}^{2}$ ρ4]-[τ $_{2}^{2}$ ρ3(1-ρ′3ρ4)+τ $_{2}^{2}$ τ $_{3}^{2}$ ρ4]-τ2τ3τ4}[(1-ρ′2ρ3)(1-ρ′3ρ4)-ρ′2τ $_{3}^{2}$ ρ4]

由此可得

$\begin{array}{l} α_{1 \dot{2} \dot{3} \dot{4}} = {τ_{1} {(1 - ρ_{2} [(1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - ρ^{'}_{2} т_{3}^{2} ρ_{4}] - [τ_{2}^{2} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) + τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}] - τ_{2} τ_{3} τ_{4}}} / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{4}] \\ α_{1 \dot{2} 34} = α_{1 \dot{2} \dot{3} \dot{4}} - α_{12 \dot{3} \dot{4}} = {[τ_{1} (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{1} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4}] α_{2} + [τ_{1} τ_{2} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) + τ_{1} τ_{2} τ_{3}^{2} ρ_{4}] α^{'}_{2}} / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{4}] (15) \end{array}$

同理,为求第3片玻璃的吸收比 $α_{12 \dot{3} 4}$ ,可先求出3、4两片玻璃组合的吸收比 $α_{12 \dot{3} \dot{4}}$ ,再减去第4片的吸收比 $α_{123 \dot{4}}$ ,即可得到,其思路可由公式表示为: $α_{12 \dot{3} 4} = α_{12 \dot{3} \dot{4}} - α_{123 \dot{4}}$

推导如下:

由公式(4)可得

$α_{12 \dot{3} \dot{4}} = \frac{α_{34} τ_{12}}{1 - ρ^{'}_{12} ρ_{34}}$

式中, $α_{34} = α_{\dot{3} 4} + α_{3 \dot{4}} = α_{3} + {α^{'}_{3} τ_{4} ρ_{4}} / [1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}] + [α_{4} τ_{3}] / [1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}] = [α_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) + τ_{3} ρ_{4} α^{'}_{3} + τ_{1} τ_{2} τ_{3} α_{4}] / [1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}]$

由公式(1)可得

$\begin{array}{l} τ_{12} = \frac{τ_{1} τ_{2}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}} \\ ρ^{'}_{12} = ρ^{'}_{2} + \frac{τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1}}{1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}} \end{array}$

由公式(2)可得

$ρ_{34} = ρ_{3} + \frac{τ_{3}^{2} ρ_{4}}{1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}}$

故

$\begin{array}{l} α_{12 \dot{3} \dot{4}} = [τ_{1} τ_{2} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) α_{3} + τ_{1} τ_{2} τ_{3} ρ_{4} α^{'}_{3} + τ_{1} τ_{2} τ_{3} α_{4}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{4}] \\ α_{12 \dot{3} 4} = α_{12 \dot{3} \dot{4}} - α_{123 \dot{4}} = [τ_{1} τ_{2} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) α_{3} + τ_{1} τ_{2} τ_{3} ρ_{4} α^{'}_{3}] / [(1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) (1 - ρ^{'}_{2} ρ_{3}) (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{3}^{2} ρ^{'}_{2} ρ_{4} (1 - ρ^{'}_{1} ρ_{2}) - τ_{2}^{2} ρ^{'}_{1} ρ_{3} (1 - ρ^{'}_{3} ρ_{4}) - τ_{2}^{2} τ_{3}^{2} ρ_{1}] (16) \end{array}$

1.2.3 “中空+真空+中空”太阳辐射总透射比和遮阳系数的计算

“中空+真空+中空”结构一般情况下只选用一层LOW-E膜,而且为了提高热阻,降低K值,把LOW-E膜置于真空玻璃内表面,在安装时有图4(a)和图4(b)2种方式。

图5为“中空+真空+中空”结构向内外二次辐射示意图。由图5可以得到向内二次辐射传递系数qi的表达式为

$\begin{array}{l} q_{i} = \frac{R_{外}}{R_{传}} α_{\dot{1} 234} + \frac{R_{外} + R_{中空 1}}{R_{传}} α_{1 \dot{2} 34} + \\ \frac{R_{外} + R_{中空 1} + R_{真空}}{R_{传}} α_{12 \dot{3} 4} + \\ \frac{R_{外} + R_{中空 1} + R_{中空 2}}{R_{传}} α_{123 \dot{4}} (17) \end{array}$

式(17)中传热阻R传=R外+R中空1+R真空+R中空2+R内

由式(17)计算出qi后就可进一步计算出太阳辐射总透射比SHGC=τe+qi,遮阳系数 $S_{e} = \frac{S Η G C}{τ_{s}}$

将标准真空玻璃与2片6 mm普通白玻组合成“中空+真空+中空”结构的太阳辐射相关参数列于表2。

注:N4为4 mm白玻;N6为6 mm白玻;V为0.15 mm真空层;A12为12 mm空气。

2组合真空夹层玻璃与太阳辐射相关参数的计算

组合真空夹层玻璃一般有图6(a)、图6(b)、图6(c)3种结构。

可将夹层玻璃作为“一片”玻璃,将其参数代入该文前面推导出的相关公式计算出图6中3种结构及不同安装方式的与太阳辐射相关参数。

由耀华科达新材料有限公司提供的夹层玻璃的相关参数如表3所示,其结构为N5+E0.38+N5。

注:N5为5 mm白玻;E0.38为0.38 mm EVA膜。

作为计算例,将此结构的夹层玻璃组合成图6(c)“夹层真空+中空”结构(LOW-E膜在从左数第5表面),此结构与太阳辐射相关参数列于表4。

注:N4为4 mm白玻;V为0.15 mm真空层;E0.38为0.38 mmEVA膜;A12为12 mm空气。

3双真空层玻璃与太阳辐射相关参数计算

双真空层玻璃按镀膜玻璃数量的不同有图7(a)、图7(b)、图7(c)3种基本结构。(若采用三片镀膜玻璃,可见光的透过率太低,而且对K值的贡献与增加的成本不成比例,故不采用)。

图7(b)两片白玻与一片镀膜玻璃组成的双真空层玻璃按膜面的位置不同有如图8(a)、图(b)2种结构,此2种结构又有如图9所示4种安装方式。

图7(c)一片白玻与两片镀膜玻璃组成的双真空层玻璃按膜面的位置不同,有如图10所示2种结构。

图10(a)结构又有如图11所示2种安装方式

双真空层玻璃与太阳辐射相关参数的计算与“中空+真空”结构的计算方式类似,可以把其中两片玻璃组成的真空玻璃当做“一片”玻璃,利用前面1.1中的方法计算,也可以用前面1.1中3片玻璃的公式计算。

表5列出了用表1中序号1的镀膜玻璃与序号4的白玻制成的上述几种双真空层玻璃与太阳辐射相关参数。

由以上论述可以看出,与普通真空玻璃相比,组合真空玻璃的遮阳系数都有所下降,降低了太阳辐射向室内传热,而且传热系数降低,又大大减少了温差引起的传热,增强了隔热保温效果;通过与钢化玻璃组合成“中空+真空”结构或制成夹胶玻璃,解决了普通真空玻璃的安全问题,使安全性提高。缺点是组合后整体厚度增大,重量增加,可见光透射比降低。

参考文献

[1]唐健正.真空玻璃传热系数的简易计算[J].建筑门窗幕墙与设备,2006,(3).

[2]唐健正,王立国,李洋.真空玻璃与太阳辐射相关参数的计算.

[3]唐健正,朱亚勇.真空玻璃的综合性能优势[J].中国玻璃资讯,2006,(1).

[4]唐健正.超级玻璃与超级真空玻璃[J].中国玻璃,2003,(5).

太阳辐射计算与模拟篇2

1 月平均透明系数、水平面上的直射辐射和散射辐射

根据Klein推荐的月平均日,运用Cooper公式、日没时角公式以及大气层外水平面上的日太阳辐射公式。Cooper公式为:

式(1)中,δ表示赤纬角,n表示月平均日代表系数。

日没时角(ωs)公式为:

式(2)中,Φ表示纬度。

大气层外水平面上的日太阳辐射(H0)公式为:

式(3)中GSC=1 367 W/m2。

而月平均透明系数的定义为:

月平均日散射辐射与日总辐射的关系为:

式(6)中,表示直射辐射量。

通过昆明气象站(北纬25.01°,东经102.70°)1959—1990年(缺1967—1969年)29年的月实测水平太阳辐射量,利用MATLAB程序可以计算出相应的月平均透明系数、月平均日散射辐射和直射辐射量(表1)。

注:表中水平面日平均太阳辐射量系实测平均值。

2 倾斜面上的月平均日总辐射

到达倾斜面上的总太阳辐射由直接太阳辐射、天空散射辐射和地面反射辐射3个部分组成。常用的计算斜面上日总辐射量的方法有Liu和Jordan法(Liu&Jordan于1962年提出,Klein1977年改进)、Klein和Theilacker(1981)法,假设地面反射辐射和天空散射辐射都是各向异性的,对由10年以上日平均水平面辐射量推算斜面上的日总辐射量,接近实测结果。而K-T法更是将有限太阳方位内的情况推广到不同方位斜面上日总辐射计算的一种常用方法。

对-15°≤γ≤15°,倾角为β的斜面上月平均日总辐射量[3],K-T法有:

当β=5°~90°时,取地面反射率ρg=0.2,采用Excel表格和MATLAB程序2种方法,相互检验计算的正确性,计算结果见表2。

对于γ<-15°或γ>15°方位的北半球面向赤道的南向斜面,其辐射量可用K-T法的一般公式计算,但太阳辐射公式都是由几十年的气象观测数据用数理统计方法理得到的经验公式,计算十分复杂且繁琐。对常用到的北半球东西墙的日平均辐射,推荐使用被动式太阳房东西墙的计算公式[4],结果见表3。

3 昆明地区太阳辐射量分析

3.1 大气层外和昆明地区水平面上的月平均日太阳辐射

大气层外与昆明地区同纬度水平面上的太阳辐射最大值出现在6月。从图1可见,1—5月和6—11月大气层外水平面上的太阳辐射值近似关于6月辐射量对称。而经过地球大气层吸收、反射和散射后,到达同纬度水平地面时,太阳辐射量分布则发生显著变化,太阳辐射最大值出现在4月份;类似的是,1—3月和5—7月的辐射量关于4月近似对称,8月辐射量再次增大,随后逐渐减少至10月,11月、12月在缓慢上升。水平地面上的直射辐射变化趋势与日总辐射基本一致,只是最大直射辐射出现在3月,随后下降至8月回升,再下降至11月回升。水平地面上的散射辐射明显与云层厚度、大气透明程度有关,散射辐射量在1—3月和10—12月明显低于4—9月,曲线呈现上凸趋势,散射辐射最大值出现在5月。

3.2 昆明地区倾斜面上的日太阳辐射

昆明地区倾斜面上的太阳辐射变化趋势与水平面上的情况类似,也呈现出从1月开始先增大,然后减小,减至一定程度后再缓慢上升(图2)。对于β=5~10°的斜面,月平均日太阳辐射最大值仍出现在4月;当斜面倾角增大后,太阳辐射最大值缓慢前移,β=15°~40°的斜面,月平均日太阳辐射最大值出现在3月,而β=45°~75°的斜面,月平均日太阳辐射最大值则出现在2月,当β≥80°时月平均日太阳辐射最大值已前移至1月。

3.3 昆明地区倾斜面上日太阳辐射的年总量

将昆明地区水平面和斜面上12个月的日太阳辐射的年总量进行统计,全年为1—12月,冬春季为11月至翌年4月,夏秋季为5—10月(表4)。从表4可看出,将水平面看作β=0°的斜面,昆明地区倾斜面上12个月的日太阳辐射的年总量最大值出现在β=25°斜面上,而冬春季的日太阳辐射的总量最大值出现在β=35°斜面上,夏秋季的日太阳辐射的总量随斜面倾角增加而逐渐减小。

注:日总辐射量(H)全年为174.4 MJ/m2,冬春季为90.54 MJ/m2,夏秋季为83.83 MJ/m2。

4 结语

昆明地区由于雨季分布在夏秋季(5—10月),所以冬春季(11月至翌年4月)太阳辐射总量明显大于夏秋季,而且随着斜面倾角增大,此种差距不断扩大。在南北墙面上,冬春季太阳辐射总量几乎是夏秋季的2倍。

在全年中,固定倾斜放置的太阳能接收面以25°为最佳,而亟需加热的冬春季使用的固定放置斜面以35°~40°为最佳[3,4,5],这与理论上的分析是一致的。

采用直射辐射和散射辐射分离,由水平平面上的实测太阳辐射值计算斜面上的太阳辐射,过程繁琐且容易出错,采用Excel表格和MATLAB程序2种方法,可以检验计算的正确性。

由水平平面上的实测太阳辐射值,采用大气透明系数进行直射辐射和散射辐射分离,运用各向异性地面反射辐射和天空散射辐射模型,计算不同方位、不同倾角斜面上的太阳辐射,弥补了实际应用和实测中斜面上太阳辐射数据缺乏的不足[6]。

参考文献

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[3]朱志辉.任意方位倾斜面上的总辐射计算[J].太阳能学报,1981,2(4):209-212.

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[5]LIN Wen-xian.Optimum inclinations of south-facing solar collectors during the heating season in China[J].energy,14(3):123-129.

太阳辐射计算与模拟篇3

1 项目概况

华中地区某高层办公楼建筑由一座圆柱形主楼和四周五座与主楼脱开的三层裙房组成, 主楼与裙房之间由位于二层的连廊连接, 如图1所示。这些连廊均采用了清透澄澈的全玻璃立面。建筑地处中纬度地区, 太阳辐射季节性差别大, 光照充足, 年平均日照达到1 843 h, 夏季酷热, 因此业主方提出玻璃连廊不利于节能, 建议加装外遮阳系统。设计单位提出了固定外遮阳的设计方案, 遮阳设计公司提出了全可调节外遮阳的设计方案, 业主方认为按照项目经验固定外遮阳适应度差, 综合效果不佳, 但连廊朝向不一, 无需全部采用可调节外遮阳, 提出南向部分外立面采用可调节外遮阳, 其余连廊外立面采用固定外遮阳。综合各方面意见, 认为均不完善, 全部使用固定或可调节外遮阳固然从效果或经济性上有所不妥, 但连廊存在主楼主体、主楼上部悬挑的装饰性构件和裙房的日照自遮阳效果, 且连廊本身随裙房位置布置, 无一处于正朝向, 再者当地东西侧日照也很强烈, 不能简单判定仅建筑南侧立面需要安装可调节外遮阳, 最终决定采用模拟分析空调季太阳辐射得热量, 来确定遮阳方案。

2 太阳辐射得热模拟分析

为了获得连廊立面遮阳系统的最优方案, 计划分别模拟不设置遮阳系统和设置固定外遮阳条件工况下的立面表面太阳辐射得热情况, 用以分析采用固定外遮阳的遮阳率, 对于固定外遮阳不能满足遮阳要求的立面采用可调节外遮阳。

为方便表述, 将连廊各立面编号如图1所示。使用模拟软件夏季外表面太阳得热量进行模拟分析。

2.1 无遮阳系统

在不设置遮阳系统的工况下, 各立面的夏季太阳辐射平均量自40 022 Wh/m2~88 529 Wh/m2不等, 最高量在52 358 Wh/m2~101 081 Wh/m2不等, 如图2所示。由于建筑体型复杂, 主楼南侧又有悬挑很大的装饰性构件, 自遮挡情况很难准确判断。和事先估计的完全不同, 太阳辐射总量较大的为立面1, 2, 5, 6, 8这几个接近东西向的立面, 而非南向的立面。

2.2 固定外遮阳系统1

在了解各立面夏季太阳辐射量的基础上, 继续模拟采用固定外遮阳条件下的夏季太阳辐射量, 分析固定外遮阳的遮阳效果。出于立面效果的考虑, 采用了挑出立面300 mm的铝质遮阳板, 垂直间距600 mm。经模拟发现综合遮阳率较低, 夏季太阳辐射平均量仍有22 578 Wh/m2~51 346 Wh/m2不等, 最高量在44 115 Wh/m2~89 194 Wh/m2不等, 遮阳率大多在40%左右。遮阳率最高的立面8为56%, 但是立面8的夏季太阳辐射平均量基础值较大, 即使遮阳率较高, 仍不能满足遮阳要求。遮阳率最低的立面9仅有27%, 立面4为31%, 这是由于这两个立面偏北, 本身得到的夏季太阳辐射已经是在太阳高度角较低的情况下获得的, 这种垂直密度的固定外遮阳对其起不到太大的遮挡作用。综合来看, 采用这一遮阳方式的整体遮阳效果不佳, 究其原因是由于遮阳板垂直间距过大, 而建筑处于中纬度地区, 夏季太阳高度角并不很大, 因此较为稀疏的遮阳板不能有效遮挡阳光。

2.3 固定外遮阳系统2

事实证明, 仅从立面效果角度出发设置遮阳板不能满足实际需要, 因此随后又模拟了采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板的情况, 这样的遮阳形式与立面其他构件的模数关系一致, 不破坏立面效果, 同时能够达到更为有效的遮阳效果, 是各方面都能够接受的遮阳形式。经过模拟分析, 采用垂直间距300 mm的遮阳板后, 各立面夏季太阳辐射平均量在18 720 Wh/m2~40 449 Wh/m2之间, 最高量在36 243 Wh/m2~80 919 Wh/m2之间, 遮阳率大多在50%左右。遮阳率最高的立面8达到67%, 使其夏季太阳辐射量平均量从采用垂直间距600 mm的遮阳板时的31 177 Wh/m2降低到23 331 Wh/m2, 已经处于可接受的范围内。立面4和立面9的遮阳率仍然明显低于其他立面, 但是也有较大提高, 且立面4和立面9的夏季太阳辐射平均量基础值本身较低, 在采用了垂直间距300 mm的遮阳板后得热量已经较低, 能够满足节能的要求, 如图3所示。

3 外遮阳方案优化

经过模拟, 证明原设计构思中采用挑出立面300 mm垂直间距600 mm的遮阳板不能满足遮阳的需要, 采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板后遮阳率有明显提升, 因此固定外遮阳采用后一种方案。

其中立面3, 4, 9, 10在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量在40 000 Wh/m2左右, 设置固定遮阳后立面3, 4的遮阳效率在50%左右, 立面10的遮阳率达到59%, 夏季太阳辐射量平均量降低到20 000 Wh/m2左右, 立面9虽然遮阳率较低, 但是夏季太阳辐射量平均量约22 000 Wh/m2, 属于可接受范围, 以上立面确定采用固定外遮阳。立面7, 8在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量分别为56 547 Wh/m2和70 859 Wh/m2, 但是固定外遮阳的遮阳率达到60%和67%, 夏季太阳辐射量平均量降低到23 000 Wh/m2左右, 遮阳效果较好, 因此也拟采用固定外遮阳。

立面1, 2, 5, 6的固定外遮阳遮阳率均在50%左右, 不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量均较高, 最少的立面2也有68 298 Wh/m2, 立面6甚至接近90 000 Wh/m2, 设固定外遮阳后的夏季太阳辐射量平均量还有约30 000 Wh/m2~40 000 Wh/m2, 因此立面1, 2, 5, 6建议采用可调节外遮阳提高遮挡效果, 以进一步减少室内夏季太阳辐射得热 (见表1) 。

Wh/m2

4 结语

在该建筑体型和朝向条件复杂的情况下, 建筑外遮阳的遮阳效果很难进行直观判断, 在设计中, 通过夏季太阳辐射量模拟来分析不同遮阳形式的遮阳效果从而确定遮阳方案, 既保证了节能效果, 又将费用从超过400万元压缩到180万元左右, 避免了资金的盲目投入和浪费, 兼顾了节能率和经济性。由此可见, 太阳辐射模拟是复杂条件下建筑外遮阳优化设计的得力工具。

摘要：为解决在这种复杂建筑体型和朝向条件下的外遮阳优化, 通过夏季太阳辐射量模拟分析了不同遮阳形式的遮阳效果, 指出选择固定外遮阳效果不佳的立面采用可调节外遮阳, 达到了节能率和经济性兼顾的效果。

关键词：太阳辐射,模拟,外遮阳

参考文献

[1]曹毅然, 张小松, 金星, 等.透过遮阳系统的室内太阳辐射得热量实验研究[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2009, 39 (6) :1169-1173.

[2]郝睿敏.上海地区公共建筑外遮阳设计探析[J].山西建筑, 2012, 38 (8) :211-212.

太阳辐射计算与模拟篇4

核设施退役作业过程具有高放射性,且复杂程度高,需要在前期开展大量的相关科研工作。在制定具有安全性、可靠性、经济性的退役工程计划过程中[3,4],核设施退役环境中三维辐射场大量的可靠性计算与数据的采集至关重要。考虑到作业人员受到的照射保持在尽可能低的水平、退役费用的节省, 将虚拟现实技术运用到核设施退役过程中三维辐射场的计算和评估,不仅在人员的安全性上有足够的保障,而且在经济性和可靠性上具有突出优势[5—7]。对于给定的核设施退役作业过程场景,构建了目标问题动态三维辐射场模型; 并对辐射剂量场进行了蒙特卡洛数值模拟计算和全范围可视化。

1 核设施退役作业过程场景建模

针对核设施退役环境中三维辐射场,实现核设施退役作业过程三维辐射场建模与计算路线如图1所示。

利用三维造型软件对所需的核设施退役三维环境进行建模。在建模过程中,既要兼顾核设施退役的工作场景及机械作业过程中的真实性; 又要保证模型尽量简化,以缩短后续辐射场计算时间、核设施退役的工程周期,提高实际工程问题的工程速度和经济性。

模型原点( 0,0,0) 设在房间内的一角,房间内部空间为6 m×20 m×5 m的空间,房间墙壁均为1 m厚的混凝土,该环境下共存在5个放射源,源项具体说明,如表1所示。

为客观的反映出在工程实践中出现的较为复杂的源项问题,选取了不同物质材料的中子源与γ源作为模拟源项,并同时取用单一和离散的能谱分布形式。其中3、4、5号源能量为单一能谱分布,分别为1. 17 Me V、3 Me V、1 Me V,而1、2号源能量分布如表2所示。

模型中5个放射源的几何中心在XOY平面的投影位置,如表3所示。

建模后的效果图,如图2所示。

图中1 ~ 5为放射源,6为屏蔽体,7为一辆在该核设施退役场景中进行作业的工程作业车。

2 目标问题动态三维辐射场计算

在充分考虑核设施退役场景中的几何结构及源项情况,例如源项能谱分布、类型、位置及形状大小等各种几何结构后,利用核与辐射输运计算自动建模软件( MCAM)[8]与蒙特卡洛计算软件( MCNP) , 得到目标问题三维辐射场计算结果。对于较为复杂的源项,在辐射场的计算过程中需要对每个源项逐个计算,再对整个核设施退役环境中的辐射场进行整体求和。

由于要求对三维辐射场进行可视化,则要对核设施退役环境进行布点测量三维辐射场的粒子注量率或能量注量率,随着测量点数量的增加,可视化的辐射场愈精确,但随着测量点数目的增加,辐射场的计算时间也将同时增加,这无疑是降低了其工程速度和经济性,因此需要找到一个适当的测量点数量, 在保障辐射场准确性和可靠性的前提下,尽量减少测量点的数目。虚拟仿真中设定的测量点间距为10 cm,因此得到一个60×200×50的测量点阵,获得整个核设施退役环境的辐射场分布。

3 计算结果与分析

3. 1 三维辐射场可视化

通过对核设施场景的建模和计算得到一个关于整个核设施退役环境辐射场三维的矩阵,利用辐射虚拟仿真系统( RVIS)[8]将该矩阵和核设施退役场景的三维模型相耦合,实现该核设施退役场景中三维辐射场的可视化[9],效果如图3所示。

3. 2 作业机械关键零部件在不同步长时瞬时粒子注量率

因为电子电路中含有仪控仪表、半导体等易受辐照损坏的电子元件,在退役作业过程中作业机械接受的辐射剂量同样也需要考虑,虚拟仿真中设定工程作业车以每2 m一个步长沿直线前进,模拟计算以控制仪表及电路中半导体材料为例的作业机械关键零部件位于工程作业车顶部半球,且被一层钨镍合金的屏蔽材料包裹,模拟计算得到作业机械关键零部件不同步长的瞬时粒子注量率结果统计如图4所示。在模拟计算时,每个源项均选择109个粒子进行模拟计算,光子的粒子注量率误差范围在1. 04% ~ 3. 52% ,中子的粒子注量率误差范围在0. 07% ~ 1. 58% 。

图中看出作业机械关键零部件在不同步长时瞬时中子注量率、光子注量率的变化与虚拟仿真得到可视化的三维辐射场相吻合,中子注量率在4步长时达到最大值,光子注量率在2步长时达到最大值, 在6、7步长时略有升高。

3. 3 模拟计算结果的理论验证

当测量点与辐射源的距离比源本身几何尺寸大5倍以上,即可以将辐射源看成是点源,为了验证虚拟现实技术应用于核设施退役中三维辐射场计算结果的准确性和可靠性,本文选用空气中照射量率理论计算公式对选取的验证点进行理论验证,选取的验证点在空气中照射量率理论计算公式为:

式中Ai为第i个源的放射性活度,Γ为放射性核素的照射量率常数,r为选取的测量点到点源的距离。

选取Q1( 380,1 650,500 ) 、Q2( 380,1 700, 500) 、Q3( 380,1 750,500) 、Q4( 380,1 800,500) 、Q5 ( 380,1 850,500) 进行验证,将验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率进行做比,结果如图5所示。

从图5中可以看出,验证点的照射量率与虚拟现实技术模拟计算的照射量率之比范围为0. 89 ~ 1. 2,模拟计算值与理论值较为一致,虚拟现实技术模拟计算的三维辐射场具有可靠性、可行性和真实性。

4 结束语

核设施退役过程中工况复杂,退役作业过程中的源项及周围环境在时刻发生变化,本文采用专业软件针对给定的核设施退役作业过程场景进行了合理建模,对目标问题的三维动态辐射场进行了模拟计算与可视化,并对模拟结果进行了分析与验证,仿真结果能够直观反映核设施退役场景中剂量的分布情况。本研究工作可为下一步建立核设施退役工程虚拟仿真综合平台,实现最优退役途径选择,退役方案优化,退役作业过程中人、机、环境辐射剂量评估提供软件基础与数值依据。

参考文献

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[3] 刘中坤,彭敏俊,朱海山,等.核设施退役虚拟仿真系统框架研究.原子能科学技术,2011;45(9):1080—1086Liu Zhongkun,Peng Minjun,Zhu Haishan,et al.Research on framework of virtual simulation system of nuclear facilities decommissioning.Atomic Enemy Science and Technology,2011;45(9):1080—1086

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