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    行業知識

    陽光板的光學和熱學性質的實驗和理論研究

    2012-12-13 16:26:40 王川

    測試了一種雙層陽光板的光學總透射比和熱損系數,并與窗玻璃的實驗值進行對比。結果
    表明,陽光板槽道東西走向與南北走向相比,其光學透射比較人,熱損系數幾乎相等。同時對其進
    行了理論計算。
    關鍵詞:聚碳酸酯,陽光板,東西走向,南北走向
    聚碳酸酯板(polycarbonate panel,簡稱PC板,俗稱陽光板)是目前國際上普遍采用的一
    種新型高強度、輕質、隔熱、隔聲、阻燃、耐候(曝曬不起皺,不變色)、美觀(可著不同顏色)、透光
    性能好的建筑材料。自80年代中期以來,它迅速得到建筑設計、裝飾工程、環境保護和廣告等
    行業的廣泛采用。陽光板在國際市場銷售量以每年20%的比例增長,1995年全世界總銷售量
    達1億平方米以上rl_。
    1 雙層陽光板的光學透射比
    1.1 實驗測試
    圖l 雙層陽光板示意圖
    圖1所示為雙層陽光板的示意圖。雙層陽光板的透
    射比比玻璃低些,但也相差不大。利用圖2所禾的實驗裝
    置,把被測板朝正南安放在傾角為口的支架上,兩個
    TBQ-2型總日射表也傾斜口角朝正南放置,一個在被測
    板下面,一個直接測試太陽總輻射,兩者的比值即為被測
    板的太陽總透射比。測得雙層陽光板(總厚度lOmm)和-—一
    3mm厚普通窗玻璃的太陽總透射比(包括直射和漫射)正南
    與入射角護的關系,如圖3所示。陽光板的太陽透射比比
    普通窗玻璃略小些,且陽光板槽道南北走向與東西走向
    電位差計
    圖2 陽光板透射比測試裝置
    相比,其太陽透射比隨入射角增大而減小更快些。太陽光入射角矽與測量時間的關系按如下方
    法計算:傾斜面上太陽光入射角護為邱圍口等:陽光板的光學和熱學性質的實驗和理論研究 293
    cos護一sin8sin弘os盧- sin 8cos cpsin pcosy +cos 8cos cfcos pcOsaJ
    +cos8sin cpsinPcos Ycosw+cos8sin psiny sinco (1)
    當正中午時(真太陽時),要求入射角0=0,又太陽時角as=0,太陽方位角%=0,測試板方位
    角Y-O,可得測試板傾斜角口為
    p= cp-8= 55。 (2)
    式中,合肥的緯度妒一31.9。,12月9日的太陽赤緯角a= - 22. 97。。因此,當陽光板槽道東西走
    向時,太陽運行的平面(黃道面)與槽道間壁平行,同理槽道南北走向時,太陽運行的平面與槽
    道間壁垂直。將式(2)代入(1)式可得
    cosO=sin')8+cos28coscv
    倒一±COS_1(sec28cos0_ tg28)
    又60分鐘太陽轉過時角15。,故離開正中午的分鐘數為
    t=4a =4cos-1(sec28cos0_ tg28) (3)
    由式(3)可快速計算出某天任意太陽入射角護所對應的時刻。12月9日正值全天天氣晴
    朗,矽每隔15。測一組數據。圖3中透射比r每一點值是上下午測量的平均值,入射角矽與真太
    陽時的關系為: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。時r在陽光板不朝正南時測定的(12月9日7:00日出,17:00日落),圖
    3中3mm窗玻璃的總透射比與文獻[2]中的值吻合較好。
    1.2 理論計算
    平行透明隔板的太陽直射透射比『s1(隔板厚
    度導致透射比減小約4%,此處忽略)為
    r5(0,K)一[,,(0)+ps,(0)]“ (4)
    式中,n-側壁攔截入射光線的次數,當槽道東
    西走向時n=A,tanOcos Ys,當槽道南北走向時,z—
    ArtanOsinYS;A——槽道高寬比H/L;ys-太
    陽方位角;護——太陽光線相對于被測材料板的入
    射角;上標S-鏡射或直射;下標S-太陽。
    如圖1所示,雙層陽光板的槽道截面一般制
    成長方形(高小于寬)。實驗采用的陽光板槽道截
    面邊長10. 5mm×9.2mm。陽光板槽道間壁及上
    下蓋層的太陽直射透射比為ri(護),反射比為pi
    (臼),則陽光板的直射透射比為
    圖3 陽光板的總透射比r和入射角e的關系
    1.玻璃,2.PC(EW),3.PC(SN)
    r8(護,兒)=[r;(護>]2[r;(護)+硝(護)]” (5)
    正中午時,0=0,ys =0,n-0,槽道東西走向和南北走向的太陽直射透射比均為,=(0,0)
    一[r;(0)]2,若槽道東西走向,則太陽光平行隔板,故n-l,槽道東西走向的直射透射比為
    r5(護,ys)一[r;(0)]2(6)
    槽道南北走向,太陽光線平行槽道截面,故除正中午外,均有光線被間壁攔截,南北走向的
    直射透射勞券數據其中,r;(護)一Aexp(-ⅣL/cos oi),K-消光系數;L——材料的厚度;OL-折射角

    ,對于折射
    率小的材料,近似等于入射角;A-常系數,蕊(護)《r;(護),產(0,弘)作近似計算時可忽略蕊(0)

    。
    陽光板的太陽散射透射比
    一一』_I;,?!籭膽r8 c護,以,cosOsinOdOdYs
    (8)
    一』_'l,:2j'l'2.osOsinOdOdYS
    可見,只要精確測得r;(0)和硝(護),即可計算r;(護,ys)和■。
    2 雙層陽光板的熱損系數
    2.1 實驗測試
    采用文獻[4]介紹的實驗裝置,測出的實際上是冷熱紫銅板之間總的熱傳輸系數,若被測
    材料用于保溫,則該總熱損系數往往被稱為熱材料的熱損系數,本實驗中熱紫銅板面上粘貼二
    層黃色膠帶,測得發射比為0. 84。冷面為紫銅板,發射比約0.40,熱板溫度約47C,冷板約
    30'C。被測材料面積為57cm×57cm,被測板與熱面間隙5cm(一般平板太陽集熱器蓋層與吸
    熱板之間距),被測板先后用厚lOmm陽光板和3mm厚普通玻璃板,結果如圖4所示。由該圖
    可見,玻璃比陽光板的熱損幾乎大一倍,陽光板
    槽道東西走向與南北走向的熱損系數幾乎相
    等。實際應周時,陽光板兩側的溫度和輻射狀況
    不同,通過陽光板的熱傳輸系數會有所不同,本
    實驗提供的絕對數值僅供實際應用中參考。
    2.2 理論計算
    陽光板槽道內的空氣在本實驗條件下(恒
    溫水浴提供熱水,維持熱面間恒溫),其雷利數
    Ra/,<900,各槽道間絕熱。于是,求出圖5(a)所
    示虛線框內單元體的熱損系數,即為整塊陽光
    板的熱損系數,由此作出總熱網絡圖,如圖5
    (b)所示。東西走向的槽道內的Nu為『51
    Nu=max[l. lClC2Ra/0'28,1](9)
    其中,C1—0.15,C2—1.O,則Nu≤1.108,故槽 圖4陽光板熱損系數隨傾角變化測定值
    道內厶一kairN u//N3.13W/m2.K 1.玻璃,2.PC(SN),3.PC(EN)
    為了求輻射傳熱熱阻,首先注意到槽道形成一個由三個表面(上、下底面和側面)組成的封
    閉空間,其中側面由槽道的二個絕熱側面組成,屬于再輻射表面。6],圖5 (c)所示為計算尺,劃的
    熱網絡圖??傻?br /> 尺。“一盯(Y,}+7鼉)(7,,+7,。)A[三+三+F.。+轟5F.。一2] (10)
    式中,7'i、71:——陽光板熱面和冷面溫度;£,、£:——陽光板熱面和冷面發射比;F,:——熱面


    冷面的角泵數;F.。、F2R-熱面和冷面對側面的角系數。
    又萬方黎輾。.。一R。。,。≈O,A =/W ,R,…一擊,R一[乏三十乏=+忐]1(b) (c)
    圖5 計算單元和熱網絡圖
    1
    故 U,一 (11)
    +(A+tW)尺。。
    測算各量為: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)計算得到的結果與實驗值比較,其相對誤差在25%以下。這在工程計算
    中是可以接受的。

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