利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果测定设备及检测方法 技术领域：
本发明涉及对建筑遮阳节能效果的检测，具体涉及一种利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的测定方法和设备。
背景技术：
目前对与建筑遮阳装置的节能效果评估主要有三种方法：热工计算、自然光源测试和人工光源测试。
在热工计算领域，遮阳制品的隔热性能可以用遮阳系数的大小反映。遮阳制品的遮阳系数是通过遮阳制品、进入室内的总太阳辐射热量与投射到其表面的总太阳辐射热量的比值。通过遮阳制品、进入室内的总太阳辐射热量由直接透过遮阳制品开口处进入室内部分与遮阳制品吸收太阳辐射热后再次辐射、对流、导热进入室内部分组成。计算方法以BS EN13363-1为代表，以遮阳(百叶)-窗户系统的各结构层的光学性能和热性能参数为依据进行计算，但公式中的参数目前比较缺乏，对于新产品，这些参数都没有。参数的测量则更加复杂，可供参考的测量标准和试验台更是非常少。而且市场上现有的遮阳制品不仅形式多样，产品材料众多，安装方式也变化多样，理论上很难计算他们的遮阳系数，必须通过实验进行测定。
利用自然光源或人工光源进行建筑遮阳装置隔热性能的测试原理都是利用保护热箱法，设计一个双层结构的保护热箱，外层为保护箱，内层为计量箱。内外层均通过空调保持一恒定温度，计量箱的空调通过动态电能记录仪记录耗电量。计量箱的内外壁皆有温度传感器及热流计。其光源正对保护热箱与防护热箱开口处，对通过(有/无)遮阳制品的窗户系统进入控制室内的总热量(q2/q1)进行对比测定，从而对建筑遮阳装置的隔热性能进行表征。
现有保护热箱的设备及控制手段是早已成熟的技术，但应用中存在的问题是光源的选择难度较大。自然光源受外界影响很大，即使是同一地区，一年四季不同的日期，同一天中不同的时间太阳的方位角、高度角都在变化，不同的天气变化，天空中云层的状况也会严重的影响测试结果的准确性和再现性，异地测试差异更大，而且即使在同一地区或城市，由于很难保证保护热箱外部环境的一致性，例如温湿度、空气对流情况等，测试所得结果也会有较大差异。而利用人工光源主要是使用与太阳光谱最为接近的长弧氙灯，其辐照面积很有限，一般用作人工加速老化，如果作为标准窗的辐照光源的话，除了光谱与太阳光存在一定差异外，还需要使用阵列式氙灯组，氙灯价格昂贵、能耗大、寿命短，综合成本极高，在世界上只有加拿大国家太阳能实验室(NSTF)采用此方法，国内只有少数科研机构和大学利用单个氙灯做了一些前期试验，但是由于辐照面积距离窗的开口面积甚远，数据没有太大的实际意义。
发明内容：
本发明的主要目的在于提供一种可以实现稳定采光并实用有效的、利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的测定设备。
本发明利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的测定设备，包括光源、保护热箱和环境室，所述光源为太阳光导入系统，包括置于环境室外端用于采集自然光的集光器、装设在环境室内且其发光口与保护热箱的测试洞口相对的发光器、以及连接集光器与发光器的光缆。
所述测定设备中，所述太阳光导入系统的集光器包括透明防护罩、凸镜组、凸镜组角度调整器、控制微电脑、输出接口、和阳光自动跟踪感应器，其中凸镜组和阳光自动跟踪感应器安装在位于球形透明防护罩内的凸镜组角度调整器上，阳光自动跟踪感应器、凸镜组角度调整器分别与控制微电脑信号连接，凸镜组与输出接口通过光纤连接。
所述测定设备中，凸镜组由多个凸透镜拼接组成一凸镜组平面，各凸镜通过各自光纤与光纤输出接口连接，并通过同等数量的光缆连接同等数量的发光器。
所述测定设备中，保护热箱分为内外两层，内层为具有一面开口的计量箱，其中装设一与外置动态电能记录仪电连接的计量箱空调、一测温热电偶、一干球温度计和一湿度计；保护热箱开口的一面为测试洞口；外层为与计量箱具有同一面开口的保护箱，且其中设有保护箱空调和热流计。
所述测定设备中，保护热箱置于环境室内，太阳光导入系统地集光器置于环境室外，光缆穿过环境室伸入室内与置于其中的发光器连接；环境室内装设一风机、一加热器、干球温度计和湿度计。
所述测定设备中，所述环境室内设一用以测试发光器发出的光照强度的总辐射表。
本发明另一目的在于提供一种可以实现稳定采光并实用有效的、利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的测定方法。
本发明利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的检测方法，使用前述利用导入太阳光的建筑遮阳装置节能效果的测定设备，将遮阳装置试件装设在保护热箱的测试洞口，利用太阳光导入系统形成保护热箱的稳定光源，检测有/无遮阳装置时通过测试洞口的热流量，然后通过数据处理对遮阳装置的节能效果做出评价。
具体的，所述检测方法包括以下步骤：
1)、无遮阳装置条件下，调整集光器的凸镜组，使总辐射表计数的辐射强度确定并记录；同时确定并记录环境室空气的温度、湿度、风速和风向，保护箱和计量箱空气的温度、湿度，计量箱内外表面的温度、热流，计量箱空调耗电量；
2)、关闭发光器，关闭风机，和步骤1)同样程序记录各项参数；
3)、将遮阳装置试件安装在测试洞口，其余重复步骤1)，记录各项参数；
4)关闭发光器，关闭风机，和步骤1)同样程序记录各项参数；
5)、数据处理：以步骤3)和4)记录的各项参数计算有遮阳装置时保护热箱中的总热量q2，以步骤1)和2)记录的各项参数计算无遮阳装置时保护热箱中的总热量q1，以q2/q1对遮阳装置的隔热性能进行表征。
这里，所述步骤5)数据处理进一步采用以下算法：
i)以Q1τ＝Eτ·EER式(3)计算得到τ时间段计量箱空调机供冷量Q1τ，kwh
式中：Eτ-τ时间段计量箱空调机耗电量，kwh；该数值由动态电能记录仪读出；
EER-空调机能耗比，见空调机铭牌
ii)以Q2τ＝HFτ·S式(4)计算得到τ时间段计量箱传热量Q2τ；kwh；
式中：HFτ-τ时间段计量箱内表面热流，w/m2；该数值由平板热流计检测获得；
S-计量箱内表面积(不含窗洞)，m2，该数值通过测量计量箱内部尺寸计算获得；
iii)将式(3)与式(4)结果代入qτ＝(Q1τ-Q2τ)/A式(2)，得到τ时间段通过单位面积窗的热量qτ，kwh/m2；
式中：A-窗面积，m2；
iv)关闭集光器……时，代入式(2)结果qτ，按式(5)计算Rτ，
qτ＝ΔTτ/Rτ·Δτ/(3600×1000) (5)
式中：ΔTτ-τ时间段计量箱内与环境室空气干球温差，℃；该数值由测温热电偶读出；
Rτ-τ时间段窗平均总热阻m2·℃/w；
Δτ/(3600×1000)-单位换算系数，即将w/m2单位转化为kwh单位，Δτ为记录时间间隔，s；
v)将式(2)计算所得的qτ，式(5)计算所得的Rτ代入式(1)中，解出τ时间段窗综合遮阳系数SWτ；
qτ＝(Iw，τ·SWτ+ΔTτ/Rτ)·Δτ/(3600×1000) (1)
式中：Iw，τ-τ时间段太阳光总的辐射得热，w/m2；该数值取自总辐射表；
vi)重复步骤i)至步骤v)，τ时间段分别设定为各参数稳定后半小时内，计算所测SWτ的平均值作为窗的综合遮阳系数SW；
vii)按照上述步骤i)至步骤v)，分别利用步骤1)和2)的参数计算无遮阳试件时窗的综合遮阳系数SW1，利用步骤3)和4)的参数计算有遮阳试件时窗的综合遮阳系数SW2；
viii)由SD＝SW2/SW1式(6)计算出遮阳试件的遮阳系数SD并与标准数值比较得到遮阳试件节能效果的检测结果。
所述步骤1)中调整集光器的凸镜组包括角度和凸透镜数量的调整，且凸透镜数量与步骤2)和4)中发光器数量相等。
采用以上技术方案，本发明所利用的太阳光导入系统GPS定位、凸镜组聚焦提升阳光照度、光纤导入、阳光自动跟踪系统。将阳光压缩1.5万倍，通过光纤导入将阳光传输转弯，可达所需位置。不受太阳的高度等条件的限制，一整日都能够进行稳定的采光。综合了上述两种实测方法的优点，诸如与太阳光光谱高度一致，能在实验室标准环境中测试，同时规避了户外各种不利因素的影响及利用氙灯极其昂贵的不足。
本发明采用上述办法具有如下优点：
1、本发明科学、合理，能够模拟实际工况下遮阳装置的使用情况；
2、本发明能够在实验室标准工况下进行测试，所得数据重复性好，具有可比对性；
2、本发明可操作性强，可以节约大量试验成本，缩短试验周期，易于推广使用；
3、利用本发明方法能够获得不同种类的遮阳装置的节能效果，从而为设计师选材提供依据，并为建筑节能数据库及计算软件开发积累数据。
附图说明：
图1为本发明检测设备结构简图；
图2为本发明用保护热箱简图；
图3为太阳光导入系统集光器结构示意图；
图4导入太阳光与自然光光谱对照图
具体实施方式：
本发明主要研究建筑遮阳装置在导入太阳光下节能效果的测定方法和相关设备。该方法在保护热箱法基础上，利用太阳光导入系统形成保护热箱的稳定光源，进而检测有/无遮阳装置时通过测试洞口的热流量，然后通过数据处理对遮阳装置的节能效果做出评价。
利用自然光源太阳光并使测试时的光源不受太阳高度等条件的限制，能一整日都进行稳定采光是本发明的重点，为此，在本发明的检测设备中，设计有太阳光导入系统。
本发明中使用的检测设备，参见图1所示，该设备至少包含有太阳光导入系统1、保护热箱2和环境室3三部分。其中，太阳光导入系统1置于一可接收自然光的位置(如环境室3屋顶)，保护热箱2置于环境室3内。
其中，太阳光导入系统1为测试提供光源，它包括集光器11、光缆12和发光器13；集光器11装设在环境室3外端，其结构见图3所示，包括用于防尘遮蔽的透明防护罩111、凸镜组112、凸镜组角度调整器113、控制微电脑114、输出接口115、和阳光自动跟踪感应器116，其中凸镜组112可由多个，例如36个高性能凸透镜拼接组成一凸镜组平面，安装在位于球形透明防护罩111内的凸镜组角度调整器113上，凸镜组角度调整器113可以调整该凸镜组112的角度，利用凸镜组112各凸镜的聚焦作用将采集到的阳光聚焦后通过各自光纤117精确送入能定位于透镜焦点上的光纤输出接口115，凸镜组112角度可调节以保证辐照强度稳定；阳光自动跟踪感应器116也同样装设在凸镜组角度调整器113上，并与控制微电脑114相连，实时感应太阳光的角度并传送给控制微电脑114，通过控制微电脑114向凸镜组角度调整器113发出指令从而调整凸镜组的角度以保证凸镜组法向角度接收阳光。
光缆12一端连接到集光器11的输出接口115，另一端穿过环境室3伸入室内与发光器13连接，将聚集的阳光导入到发光器13；集光器11的输出接口115可通过多条光缆12连接多个发光器13，为保证辐照强度相对稳定，凸透镜、输出接口115、光缆12和发光器13的数量应相等，从而可以通过开启的数量调整来控制辐照强度稳定；发光器13装设在环境室3内且其发光口与保护热箱2的测试洞口25的相对位置，角度可调节。太阳光经集光器11、光缆12和发光器13后发出的光谱除紫外部分与太阳光谱基本一致，但强度可低于太阳光(见图4)。
保护热箱2可模拟室内工况，参见图1和图2所示，其分为内外两层，内层由较厚的箱壁围成一具有一面开口的计量箱21，计量箱21通过计量箱空调211能在20～30℃范围内使计量箱21内控温在某一设定温度，精度±1℃，相对湿度小于70％；外层为保护箱22，亦由较厚的箱壁构成，将计量箱21包住，但需留出计量箱的开口；保护箱22亦能通过保护箱空调221在20～30℃范围内使保护箱22内控温在某一设定温度，精度±1℃；图2中，222为测温热电偶，223为湿度计，均伸入保护箱22箱内，精度0.1℃；212为干球温度计，伸入计量箱21内，精度0.1℃；213为湿度计，伸入计量21箱内，精度0.1％；214为平板热流计，精度0.1W/m2，贴于计量箱21内表面；保护热箱2开口的一面为测试洞口23，尺寸宜为1.5m×1.5m，测试洞口23上可镶嵌6mm厚的平板白玻璃(可拆卸)24，保护热箱2测试洞口23装设遮阳装置试件25(不同的遮阳装置如百叶或卷帘等，需按产品说明书或实际使用情况安装。如果试件25为内遮阳装置则安装在控制室内平板白玻璃24内侧；外遮阳装置安装在保护热箱2的测试洞口23外缘，参见图2；若是测试整个窗系统(如内置遮阳中空玻璃，Low-E玻璃等)，则需拆下已安装的6mm标准白玻璃后进行安装)；另设一总辐射表26，装设在保护热箱2测试洞口23的遮阳装置试件25的最外端并与发光器13正对，用以测试发光器13发出的光照强度，总辐射表26的使用应符合GB/T19565规定；计量箱空调211连接动态电能记录仪27，以记录空调耗电量。
环境室3模拟夏季室外工况，室内装设一风机31，风机31能产生1～10m/s可调节的风速，垂直吹向遮阳装置试件25；环境室内温度通过加热器32在35～40℃范围某一设定温度，精度±2℃进行控制，环境室3的相对湿度小于70％；33为伸入环境室3内的干球温度计，精度0.1℃；34为伸入环境室3内的湿度计，精度0.1％，
按以上组合，形成本发明中使用的测试设备。
利用该测试设备进行建筑遮阳装置节能效果的测定，包括以下步骤：
1)、调整集光器11中的凸镜组112，使其中被检测窗洞口23接收的辐射强度为1000w/m2±10％(通过总辐射表26计数)；调整保护热箱2和环境室3的各项控制参数达到要求。动态记录无遮阳制品条件下(指测试洞口23处已安装白板玻璃24但未安装试件)导入的太阳光通过发光器13在检测窗洞玻璃上的辐射强度(此时总辐射表26装在白板玻璃外侧)、环境室3空气的温度(用温度计33)、湿度(用湿度计34)、保护箱22和计量箱21空气的温度、湿度(用各自箱内的温度计和湿度计)、计量箱21内表面的热流(通过平板热流计214)，计量箱空调221耗电量(用动态电能记录仪27)；
2)、关闭发光器13，关闭风机31，调整保护热箱2和环境室3的其他各项控制参数达到要求，和步骤1)同样程序动态记录环境室空气的温度、湿度、保护箱、计量箱空气的温度、湿度、计量箱内表面的热流、计量箱空调耗电量。
3)、将遮阳试件25按产品说明书或实际使用情况安装在测试洞口，重复步骤1)，记录各项参数；
4)关闭发光器13，关闭风机31，调整保护热箱2和环境室的其他各项控制参数达到要求，和步骤1)同样程序动态记录环境室空气的温度、湿度、保护箱、计量箱空气的温度、湿度、计量箱内表面的热流、计量箱空调耗电量；
5)、数据处理：
外窗的综合遮阳系数SW定义为：在法向入射条件下，通过透光系统(包括透光材料和遮阳措施)的太阳得热率，与相同入射条件下的相同太阳得热率之比。
τ时间段进入到计量箱的热量qτ由两部分组成，即太阳光的辐射得热与检测窗洞口23(即6mm平板白玻璃24，若是测试整个窗系统如内置遮阳中空玻璃，Low-E玻璃等，即为通过整个试件的导热得热)的导热得热，具体见式(1)。以下对公式符号说明中所述“窗”均指检测窗洞口。
qτ＝(Iw，τ·SWτ+ΔTτ/Rτ)·Δτ/(3600×1000) (1)
式中：
qτ——Δτ时间段通过单位面积窗的平均热量，kwh/m2
Iw，τ——Δτ时间段太阳总光谱的平均辐射得热，w/m2；
SWτ——Δτ时间段窗综合遮阳系数；
ΔTτ——τ时间段计量箱内与环境室空气干球平均温差，℃；该数值由各自测温元件读出后求平均值再相减得出。
Rτ——τ时间段窗平均总热阻m2·℃/w；
Δτ/(3600×1000)——单位换算系数，即将w/m2单位转化为kwh单位，Δτ为记录时间间隔，s。
式(1)中：
qτ的值可由式(2)进行计算：
qτ＝(Q1τ-Q2τ)/A (2)
式中：
Q1τ——τ时间段计量箱空调机211供冷量，kwh；
Q2τ——τ时间段计量箱传热量，kwh；
A——窗面积，m2。
其中Q1τ由式(3)计算：
Q1τ＝Eτ·EER (3)
式中：
Eτ——τ时间段计量箱空调机211耗电量，kwh；该数值由动态电能记录仪27读出。
EER——空调机能耗比，见空调机铭牌。
Q2τ由式(4)计算：
Q2τ＝HFτ·S·Δτ/(3600×1000) (4)
式中：
HFτ——τ时间段计量箱内表面平均热流，w/m2；该数值由平板热流计214检测获得。
S——计量箱内表面积(不含窗洞)，m2，该数值通过测量计量箱内部尺寸计算获得。
将式(3)与式(4)结果代入式(2)，得到qτ。
当关闭光源时，太阳辐射得热Iw，τ为0，式(1)简化为式(5)：
qτ＝ΔTτ/Rτ·Δτ/(3600×1000) (5)
代入此时由式(2)计算所得的qτ，解出Rτ，代回式(1)中，解出窗SWτ。计算所测SWτ的平均值作为窗的综合遮阳系数SW。
按照上述步骤，分别测试计算无遮阳试件时窗的综合遮阳系数SW1和有遮阳试件时窗的综合遮阳系数SW2。
另一方面，窗的综合遮阳系数SW也可表示为窗玻璃本身的遮阳系数(SC)与窗口的遮阳试件的遮阳系数(SD)的乘积。取无遮阳试件时所测得的SW1值为SC，则遮阳试件的遮阳系数SD由式(6)计算得出。
SD＝SW/SC＝SW2/SW1 (6)
式中：
SD——遮阳试件的遮阳系数；
SW——窗的综合遮阳系数；
SC——窗玻璃本身的遮阳系数；
SW1——无遮阳试件时窗的综合遮阳系数；该数值由以上式(1)计算得到；
SW2——有遮阳试件时窗的综合遮阳系数；该数值由以上式(1)计算得到。
通过式(6)计算得到的遮阳试件的遮阳系数SD表征了待测的建筑遮阳装置的节能效果。SD值的分级见表1：
表1SD值分级
等级 1(很差) 2(差) 3(中) 4(好) 5(很好) SD SD≥0.57 0.57＞SD≥0.40 0.40＞SD≥0.17 0.17＞SD≥0.11 0.11＞SD
实施例：对外遮阳装置铝合金百叶帘的隔热效果评价
样品：1500mm×1500mm铝合金外遮阳百叶帘
测试洞口尺寸：1500mm×1500mm
计量箱内表面积：20m2
空调能效比：2.56
1)开启发光器13，开启风机31及空调211、221、加热器32，按照步骤1)调节各参数至稳定后，记录数据见表2。
表2步骤1)数据记录
2)关闭发光器13、风机31按照步骤2)调节各参数至稳定后，记录数据见表3。
表3步骤2)数据记录
3)根据厂家安装说明在测试洞口外装上铝合金百叶帘(样品25)，叶片呈45°角半关闭状态。开启发光器13、风机31，按照步骤3调节各参数至稳定后，记录数据见表4。
表4步骤3)数据记录
4)关闭发光器13、风机31，按照步骤4)调节各参数至稳定后，记录数据见表5。
表5步骤4)数据记录
5)数据处理：
将表2、表3的数据带入到式(1)到式(5)中，解出无遮阳试件时所测得的SW1值为0.671，
将表4，表5的数据带入到式(1)到式(5)中，解出有遮阳试件时所测得的SW2值为0.088，
将上述结果代入由式(6)，计算得出该样品的SD值为0.13，
根据表1，该样品的节能效果属于4级(好)。