本站原创摘 要 针对目前夏热冬暖地区建筑外遮阳在建筑节能领域的重要作用,我院研制了一种现场遮阳检测仪.本文介绍了此种现场外遮阳检测仪的构造原理,根据基本原理分析了检测仪的合理性和可靠性,并结合实际的测试结果,验证检测仪的可实施性.
关 键 词 遮阳系数SD；总辐射表；条形光斑；太阳辐射量
1,概述
在夏热冬暖地区,外遮阳是建筑节能的重要措施.而遮阳产品的遮阳效果究竟如何却并没有完善的检测方法.尤其是对已安装好的遮阳装置进行遮阳系数的现场检测,到目前为止,并没有一个完善的方法和检测设备.
现有遮阳检测装置(专利号：ZL200620145309.0)的原理为防护热箱法,它包括检测装置主体、用于支撑检测装置主体的旋转调节机构、与检测装置主体连接的恒温冷源和冷量表；其特征在于所述的检测装置主体包括标准计量箱、测试计量箱和防护箱,所述的标准计量箱、测试计量箱置于防护箱内；风机盘管安装在标准计量箱、测试计量箱和防护箱的内壁上；恒温冷源通过水管与风机盘管连接.测试计量箱位于标准计量箱的下方,其构造、尺寸、用料与标准计量箱完全相同.检测时,将被检遮阳装置安装在测试计量箱的窗口上,启动风机盘管,使两个计量箱内的气温一致.由于遮阳装置的存在,测试计量箱的太阳得热将小于标准计量箱的太阳得热,所以它从风机盘管获得的冷量将少于标准计量箱从风机盘管获得的冷量.如果忽略风机盘管的电机的发热量、忽略从箱壁传走的热量和从箱体窗口向外散失的热量,计量两个风机盘管输出的冷量,二者之差就是被上述遮阳装置遮掉的太阳得热.而实际上,上述忽略的热量都是必须进行检测和估算的.显然,使用热箱法测试遮阳系数存在着实验装置复杂、无法对安装在实际建筑中的遮阳产品进行测试等不足.
我院曾接受深圳某建筑研究中心的委托,对四种不同的外遮阳产品进行现场检测.双方共同制定的检测方案的主要内容是：对于每一种外遮阳产品,都要进行东、南、西、北四个方向遮阳效果的测试.测试方法为：将检测探头装在外遮阳产品与外窗之间并固定于外窗中部的铝型材之上,由于探头的敏感元件距离外窗玻璃约100mm,所以外遮阳产品安装时也向外平移了100mm.将参比探头安装在外窗旁边墙上无遮挡处.检测探头测得太阳辐射值与参比探头测得值之比即为遮阳系数值.为了提高检测准确度,每个外窗安装两个检测探头,计算时取其平均值.
上述检测方法显然存在以下缺点：由于外遮阳产品多为遮阳百叶或遮阳板,在阳光直射下会在外窗上投下明暗相间的水平或垂直条形光斑,不同遮阳产品产生的光斑的宽度和间距往往不相同,而且其间距和位置随着阳光入射角的变化而变化,也就是说,应测区域内阳光的辐射强度是非均匀的,位置固定的检测探头可能会长时间位于阴影处,也可能长时间位于光斑处,因此测得的数据往往无法正确地反映遮阳情况,甚至得到错误结果.
2,新检测方法的探讨与研究
最理想的方法是可以制作一块和窗户大小一样的探头,安装在窗玻璃外边,遮阳百叶(为叙述简单易懂,以下均用遮阳百叶代表各类遮阳产品)与探头之间的距离保持正常情况下遮阳百叶和窗玻璃外表面之间的距离,这样就可以时时准确的反映遮阳产品的遮阳情况.但这种理想的方式存在诸多困难：制作很大的一个探头,成本高,工艺难以保证；一种尺寸的探头只能检测一种外窗,对于现在外形尺寸多变的外窗,局限很大.
如果能够在被测遮阳百叶所在外窗上均匀地布置数量足够多的检测探头,形成一个探头阵列,就可以替代上述和窗户大小一样的探头,准确的检测遮阳百叶的遮阳系数.由此联想到：可以做到让一个探头运动起来,有规律地经过上述探头阵列中每一个探头所在位置.也就是说,让这个探头作扫描运动,测出每一帧“画面”上各点的“明暗程度”,从而测出遮阳百叶后太阳的辐照情况.
值得关注的是：扫描技术曾被用于电视摄像,由于电子的扫描速度很快(每秒钟扫过25帧画面),电视记录下的每帧画面都可认为是一幅静止的画面.而探头的扫描速度不可能很快,它是否能够较为真实地测到遮阳百叶对太阳的光的遮挡情况呢定性分析如下：遮阳百叶在阳光直射下会在外窗上投下明暗相间的水平或垂直条形光斑,虽然其间距和位置随着阳光入射角的变化而变化,但是每分钟阳光的入射角的变化只有0.004弧度.也就是说：上述明暗相间的水平或垂直条形光斑的位置每分钟最多变化百叶到光斑之间距离的0.004倍,至于条形光斑的间距的变化就更加微乎其微了.所以,如果将扫描速度控制得以分钟计的话,可以认为探头记录下的每帧“画面”都是静止的.
由于遮阳百叶在沿着叶片的方向上,结构是相同的,这个方向上的遮阳效果也是相同的,只需要测量与叶片垂直方向上任意一条直线上遮阳系数,就可以得到整个遮阳百叶的遮阳系数.根据以上分析,只采用一个探头,利用一种机械装置,带动探头在百叶与外窗之间的平面上垂直于百叶叶片的方向上扫描.就可以真实的测量出遮阳百叶下的太阳辐射情况.
3,检测装置的组成和构造
检测装置由机架、紧固夹具、扫描头、参比探头、数据采集仪和扫描控制器组成.
机架采用铝型材制作,长度略长于被检样品安装处的外窗的高度.机架上安装有齿条(见图1),齿条的长度约等于外窗的高度.所述外窗是指检测活动可能遇到的最大的外窗.
紧固夹具用于将机架水平或垂直固定于外窗窗洞口,使机架位于遮阳百叶与外窗之间.所以紧固夹具应可以在机架上自由滑动和锁紧,以适应不同高度的外窗.紧固夹具上装有行程开关,用于限制扫描头的扫描范围(见图2).
扫描头由滑车、直流电机和检测探头组成(见图3).直流电机上装有齿轮,齿轮与上述齿条啮合.滑车上有若干滚轮和滑块,它们与机架铝型材接触.在未装电机时,滑车可在机架上轻松滑动.在安装电机后,电机转动时可带动滑车沿机架移动.检测探头采用成熟产品总辐射表,它被安装在滑车上.
参比探头采用与检测探头性能接近的总辐射表,它被安装在被测遮阳装置附近的墙面上完全无遮挡之处.
数据采集仪采用市售通用数据采集仪,用于采集上述检测探头和参比探头测得的数据.
扫描控制器用于控制扫描头的运动速度并根据行程开关发出的信号切换扫描头运动方向.
4,现场测试效果及结果分析
以检测遮阳百叶为例,检测其遮阳系数时,先将装好扫描头的机架安装在被检样品所在的外窗窗洞口上.视被检样品在外窗上的投影是水平斑纹还是竖直斑纹决定将机架竖直安装还是水平安装.此时检测探头置于百叶的后面.将参比探头安装在遮阳装置附近的墙面上无遮挡处.连接好信号线和控制线.接通电源后,扫描头能够沿着机架往复穿行于遮阳装置后面的明暗相间的条形光斑,数据采集仪自动采集两个探头输出的数据.
通过的数据采集仪上的显示屏幕可以看到,参比探头得到的数据曲线在一定时间内(没有天空云的遮挡的一段时间内),呈不规则的曲线变化,但变化的趋势只在相对较小的范围内,在一条直线上下跳动,反映了自然条件下的太阳光照辐射情况；有遮阳百叶存在的检测探头得到的数据,整体上按照正弦曲线变化,这也正符合探头交替穿过明暗相间的条形光斑的情况(见图6).
根据外遮阳装置遮阳系数SD的定义：存在外遮阳时透入室内的太阳辐射得热量与在相同条件下没有外遮阳时透入室内太阳辐射得热量的比值,可以得出采用辐射表对比法测试遮阳系数的计算式为：
C2为参比探头测得的数据,∈2为参比探头的灵敏度,H2为无遮阳情况下的太阳辐射量,n为数据量.
验证试验方法及结果：采用百叶宽度和空隙宽度1：1的外遮阳百叶(遮挡率为50％)作为标准器进行测试,测试时,天空有少量云,微风.经过一段时间后(30分钟以上),将该段时间测得的两块总辐射表输出的平均值除以各自的“灵敏度”,就可得到H1和H2值.
由于周围环境及天空存在漫反射,而遮阳百叶不能完全遮挡漫反射,所以当检测探头移动到阴影下的时候也会接收到一定的热辐射.因此,对叶片与空隙为1：1的百叶,即对直射阳光遮挡率为50％的遮阳百叶实际测量的结果会大于50％,可以认为：上述计算结果即55.36％就是真实的遮阳系数.实际测量时,可以多选几个时间段,最后结果取平均值.
5,结论
在夏热冬暖地区,外遮阳的应用已成为节能建筑的一种非常重要的手段,评价一个遮阳设备的节能贡献成为了评价一个绿色建筑的重要指标.而建筑外遮阳遮阳系数的现场检测至今还没有一个合理完善的方法.本遮阳检测仪,通过全新的测试方法和设备,可以满足外遮阳百叶遮阳系数现场检测的要求,可以适应不同尺寸的外窗以及不同尺寸和形式的外遮阳百叶的检测需求,钢钳口的设计使设备的安装和拆卸都可以方便快捷的完成.采用总辐射表作为探头可以准确的反映太阳的辐射强度以及周围环境的漫反射,通过对检测探头和参比探头得到的数据进行计算,就可以准确的得出该遮阳百叶的遮阳系数.