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阳光板的光学和热学性质的实验和理论研究

2012-12-13 16:26:40 王川 221

测试了一种双层阳光板的光学总透射比和热损系数,并与窗玻璃的实验值进行对比。结果
表明,阳光板槽道东西走向与南北走向相比,其光学透射比较人,热损系数几乎相等。同时对其进
行了理论计算。
关键词:聚碳酸酯,阳光板,东西走向,南北走向
聚碳酸酯板(polycarbonate panel,简称PC板,俗称阳光板)是目前国际上普遍采用的一
种新型高强度、轻质、隔热、隔声、阻燃、耐候(曝晒不起皱,不变色)、美观(可着不同颜色)、透光
性能好的建筑材料。自80年代中期以来,它迅速得到建筑设计、装饰工程、环境保护和广告等
行业的广泛采用。阳光板在国际市场销售量以每年20%的比例增长,1995年全世界总销售量
达1亿平方米以上rl_。
1 双层阳光板的光学透射比
1.1 实验测试
图l 双层阳光板示意图
图1所示为双层阳光板的示意图。双层阳光板的透
射比比玻璃低些,但也相差不大。利用图2所禾的实验装
置,把被测板朝正南安放在倾角为口的支架上,两个
TBQ-2型总日射表也倾斜口角朝正南放置,一个在被测
板下面,一个直接测试太阳总辐射,两者的比值即为被测
板的太阳总透射比。测得双层阳光板(总厚度lOmm)和-—一
3mm厚普通窗玻璃的太阳总透射比(包括直射和漫射)正南
与入射角护的关系,如图3所示。阳光板的太阳透射比比
普通窗玻璃略小些,且阳光板槽道南北走向与东西走向
电位差计
图2 阳光板透射比测试装置
相比,其太阳透射比随入射角增大而减小更快些。太阳光入射角矽与测量时间的关系按如下方
法计算:倾斜面上太阳光入射角护为邱围口等:阳光板的光学和热学性质的实验和理论研究 293
cos护一sin8sin弘os卢- sin 8cos cpsin pcosy +cos 8cos cfcos pcOsaJ
+cos8sin cpsinPcos Ycosw+cos8sin psiny sinco (1)
当正中午时(真太阳时),要求入射角0=0,又太阳时角as=0,太阳方位角%=0,测试板方位
角Y-O,可得测试板倾斜角口为
p= cp-8= 55。 (2)
式中,合肥的纬度妒一31.9。,12月9日的太阳赤纬角a= - 22. 97。。因此,当阳光板槽道东西走
向时,太阳运行的平面(黄道面)与槽道间壁平行,同理槽道南北走向时,太阳运行的平面与槽
道间壁垂直。将式(2)代入(1)式可得
cosO=sin')8+cos28coscv
倒一±COS_1(sec28cos0_ tg28)
又60分钟太阳转过时角15。,故离开正中午的分钟数为
t=4a =4cos-1(sec28cos0_ tg28) (3)
由式(3)可快速计算出某天任意太阳入射角护所对应的时刻。12月9日正值全天天气晴
朗,矽每隔15。测一组数据。图3中透射比r每一点值是上下午测量的平均值,入射角矽与真太
阳时的关系为:0。(12:00),15。(10:55,13:05),30。(09:50,14:10),45。(08:44,15:16),60。

(07:
37,16:23)。入射角75。时r在阳光板不朝正南时测定的(12月9日7:00日出,17:00日落),图
3中3mm窗玻璃的总透射比与文献[2]中的值吻合较好。
1.2 理论计算
平行透明隔板的太阳直射透射比『s1(隔板厚
度导致透射比减小约4%,此处忽略)为
r5(0,K)一[,,(0)+ps,(0)]“ (4)
式中,n-侧壁拦截入射光线的次数,当槽道东
西走向时n=A,tanOcos Ys,当槽道南北走向时,z—
ArtanOsinYS;A——槽道高宽比H/L;ys-太
阳方位角;护——太阳光线相对于被测材料板的入
射角;上标S-镜射或直射;下标S-太阳。
如图1所示,双层阳光板的槽道截面一般制
成长方形(高小于宽)。实验采用的阳光板槽道截
面边长10. 5mm×9.2mm。阳光板槽道间壁及上
下盖层的太阳直射透射比为ri(护),反射比为pi
(臼),则阳光板的直射透射比为
图3 阳光板的总透射比r和入射角e的关系
1.玻璃,2.PC(EW),3.PC(SN)
r8(护,儿)=[r;(护>]2[r;(护)+硝(护)]” (5)
正中午时,0=0,ys =0,n-0,槽道东西走向和南北走向的太阳直射透射比均为,=(0,0)
一[r;(0)]2,若槽道东西走向,则太阳光平行隔板,故n-l,槽道东西走向的直射透射比为
r5(护,ys)一[r;(0)]2(6)
槽道南北走向,太阳光线平行槽道截面,故除正中午外,均有光线被间壁拦截,南北走向的
直射透射劳券数据其中,r;(护)一Aexp(-ⅣL/cos oi),K-消光系数;L——材料的厚度;OL-折射角

,对于折射
率小的材料,近似等于入射角;A-常系数,蕊(护)《r;(护),产(0,弘)作近似计算时可忽略蕊(0)


阳光板的太阳散射透射比
一一』_I;,。』i胆r8 c护,以,cosOsinOdOdYs
(8)
一』_'l,:2j'l'2.osOsinOdOdYS
可见,只要精确测得r;(0)和硝(护),即可计算r;(护,ys)和■。
2 双层阳光板的热损系数
2.1 实验测试
采用文献[4]介绍的实验装置,测出的实际上是冷热紫铜板之间总的热传输系数,若被测
材料用于保温,则该总热损系数往往被称为热材料的热损系数,本实验中热紫铜板面上粘贴二
层黄色胶带,测得发射比为0. 84。冷面为紫铜板,发射比约0.40,热板温度约47C,冷板约
30'C。被测材料面积为57cm×57cm,被测板与热面间隙5cm(一般平板太阳集热器盖层与吸
热板之间距),被测板先后用厚lOmm阳光板和3mm厚普通玻璃板,结果如图4所示。由该图
可见,玻璃比阳光板的热损几乎大一倍,阳光板
槽道东西走向与南北走向的热损系数几乎相
等。实际应周时,阳光板两侧的温度和辐射状况
不同,通过阳光板的热传输系数会有所不同,本
实验提供的绝对数值仅供实际应用中参考。
2.2 理论计算
阳光板槽道内的空气在本实验条件下(恒
温水浴提供热水,维持热面间恒温),其雷利数
Ra/,<900,各槽道间绝热。于是,求出图5(a)所
示虚线框内单元体的热损系数,即为整块阳光
板的热损系数,由此作出总热网络图,如图5
(b)所示。东西走向的槽道内的Nu为『51
Nu=max[l. lClC2Ra/0'28,1](9)
其中,C1—0.15,C2—1.O,则Nu≤1.108,故槽 图4阳光板热损系数随倾角变化测定值
道内厶一kairN u//N3.13W/m2.K 1.玻璃,2.PC(SN),3.PC(EN)
为了求辐射传热热阻,首先注意到槽道形成一个由三个表面(上、下底面和侧面)组成的封
闭空间,其中侧面由槽道的二个绝热侧面组成,属于再辐射表面。6],图5 (c)所示为计算尺,划的
热网络图。可得
尺。“一盯(Y,}+7鼍)(7,,+7,。)A[三+三+F.。+轰5F.。一2] (10)
式中,7'i、71:——阳光板热面和冷面温度;£,、£:——阳光板热面和冷面发射比;F,:——热面


冷面的角泵数;F.。、F2R-热面和冷面对侧面的角系数。
又万方黎辗。.。一R。。,。≈O,A =/W ,R,…一击,R一[乏三十乏=+忐]1(b) (c)
图5 计算单元和热网络图
1
故 U,一 (11)
+(A+tW)尺。。
测算各量为:1= 10. 5mm,H一9.2mm,f一0.4mm,£l≈0.60,£2~0. 43,Fl 2—0.45,FiR =F 2R一
0. 55,由式(9) (11)计算得到的结果与实验值比较,其相对误差在25%以下。这在工程计算
中是可以接受的。