普通窗玻璃對太陽輻射吸收、反射和透過的模擬計算

知識 08-08

摘要：對於建築的熱環境來說太陽輻射是一個十分重要的外擾，特別是透過玻璃窗直接射入室內的輻射熱，對房間的溫度狀況有著特殊的影響。冬季太陽輻射提供了免費的熱源，而在夏季，太陽輻射則增加了冷負荷，因此，研究普通窗玻璃對太陽光輻射的吸收、反射和透過，對合理利用或控制太陽輻射有著重要的作用。本文用MATLAB 編程可方便求解玻璃的透過率、反射率以及吸收率，可用計算機方便的求解。太陽集熱器是太陽熱水器的最重要組成部分，一天之中傾斜面上的太陽總輻射輻照度是傾斜面傾角的單值函數，其安裝傾角對系統的優劣起著決定性作用。本文用excel表格編程計算了烏魯木齊地區全年的各月的最佳的傾角，以期為太陽能集熱器的安裝提供參考。

關鍵詞：太陽輻射，吸收率，透過率，反射率，模擬計算

1 一般性概念

輻射熱量Q 投射到物體表面上時，其中一部分Qρ被物體表面反射，一部分Qα在進入表面以後被物體吸收；其餘部分Qτ則透過物體。根據能量守恆定律：

2 窗玻璃對太陽輻射的反射百分比

如圖1 所示，AB 為兩種不同介質的分界面，當波長為λ

3 窗玻璃對太陽輻射的吸收百分比

窗玻璃對太陽輻射的吸收現象與大氣層對太陽光輻射的吸收規律相同，即不同波長的射線按指數關係衰減，其表達式為：

4 窗玻璃的反射、吸收和透過

陽光照射到兩側均為空氣的窗玻璃時，射線要通過兩個分界才能從一側透射到另一側。如圖2 所示，陽光首先從空氣入射進入玻璃薄層（通過第一個分界層），此時，由於反射作用，只有（1-r）的輻射能進入玻璃層；經玻璃的吸收作用，剩餘的（1-r）（1-a）輻射能才可抵達第二個分界面（射線在這裡要從玻璃再透射至另一側空氣的分界面）；由於第二界面的反射作用，只有（1-r）2（1-a）的輻射能可以透過玻璃進入另一側的空氣，其餘（1-r）（1-a）r的輻射能被反射回去，再經玻璃吸收，抵達第一界面；如此反覆下去，詳見圖2。

圖2 單層窗玻璃薄層

陽光照射到窗玻璃時，窗玻璃對於太陽輻射的總反射率、吸收率和透過率，則是陽光在玻璃薄層內反覆進行反射、吸收和透過的各個組成部分的無窮多項之和，故：

5 matlab模擬結果

窗玻璃的透過率、反射率和吸收率，可用計算機方便求解。

本文以matlab 計算3mm 厚普通窗玻璃對於陽光的反射率、吸收率和透過率與入射角的關係，玻璃的消光係數0.045mm-1，玻璃的折射指數為1.526。計算結果如圖3 所示。

由圖3可以看出，陽光入射角的大小直接影響玻璃對太陽的透過率、反射率以及吸收率，當入射角大於50~60deg 時，透過率急劇減小，而反射率急劇增大，故在冬季陽光的入射角越小越好，因為太陽輻射可以以較大的透射率透過玻璃進入室內減少冬季熱負荷；而在夏季入射角盡量小，因為可以減小太陽輻射引起的室內冷負荷的增加。反射率和透射率呈現此消彼長的趨勢。對於吸收率，在0~85deg 的範圍內變化不大，而在85~90deg 吸收率急劇減小。

6 與太陽輻射有關的角度計算

集熱器接受的太陽輻射量受很多因素影響，主要有以下幾個方面：（1）天文。地理因素：日地距離變化，太陽赤緯，太陽時角，地理經緯度，海拔高度和氣候等；（2）大氣狀況：雲量，大氣透明度，大氣組成及污染程度（灰塵粒子密度，二氧化碳和氯氟烴等的含量）；（3）集熱器的設計考慮：集熱器的傾斜角和方位角，是否採用選擇性塗層，採用平板型還是真空管型，安裝場地周圍的輻射能否受到大樹或建築遮擋等。由於影響因素多，隨機性強，完全依靠理論計算難以取得精確的結果，通常利用實測的水平面直射輻射和散射輻射數據，再根據公式計算集熱器在任意方位上接受到的太陽輻射量。

在沒有實測條件的情況下，可以根據氣象局提供的典型氣象年的水平面上的太陽總輻射和散射輻射，利用上述公式計算得到不同方位的太陽輻射量。太陽集熱器一般為按照當地最佳傾角進行安裝，確定不同方位的集熱器實際接受的太陽輻射量，對於太陽能熱水系統中集熱器面積的選擇具有重要意義。

7 烏魯木齊地區太陽能安裝傾角的計算及結論

烏魯木齊地區所在地理緯度為43.78°，經度87.65°，為了明確集熱器安裝傾角變化對太陽能系統有效能量輸出的影響，以《中國建築熱環境分析專用氣象數據集》烏魯木齊設計典型年逐時氣象參數作為計算條件，依據上述傾斜面太陽輻射輻射的計算方法用EXCEL 編程計算，分別以0°到90°為傾角計算全玻璃真空管集光器不同角度傾斜面上所獲的太陽輻射量，從而得到全年逐時的集熱器朝向為正南時的有效能量產出，通過數據篩選，得到集熱器各月的最佳傾角及最佳傾角下的月總太陽輻射值，如圖4 所示。