一种建筑材料表面综合辐射吸收系数的测量系统及方法

摘要

本发明公开了一种建筑材料表面综合辐射吸收系数的测量系统，所述系统包括保温隔热箱、太阳总辐射传感器、风速仪、小型自动气象站、热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器以及建筑材料试件。建筑材料试件与保温隔热箱构成一个封闭箱体，箱内设置水温传感器；在建筑材料试件表面设置热电偶温度传感器；在测试环境中设置气温传感器；在建筑材料试件附近设置太阳总辐射传感器和风速仪；太阳总辐射传感器用于测定太阳总辐射量；风速仪用于测定流经建筑材料试件外表面的风速；小型自动气象站用于进行数据实时采集和存储。本发明直接在自然环境中进行测量，能够更好地模拟实际工程结构材料在服役环境下的辐射热行为。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，尤其涉及一种建筑材料表面综合辐射吸收系数的测量系统及方法。

背景技术

土木工程基础设施暴露于外部自然环境，受外部气候的影响，导致结构的温度发生变化，材料的热胀冷缩使得结构产生力学响应，例如位移、应力、应变和支座反力的变化。对某些温度敏感性建筑，例如桥梁和大跨空间结构，温度荷载引起的力学响应可以达到甚至超过外部运营荷载产生的结构响应，是结构出现损伤、病害和性能退化的主要原因。分析构件的温度效应，首先要精确计算结构的温度场(温度荷载)，而明确建筑材料的热相关特征(热物性参数或热工参数)是计算结构温度的基础性工作。因此，确定建筑材料的热工参数，意义重大。

结构与外部环境以传热的方式进行能量交换。传热可分为三大类：热传导、热对流和热辐射。辐射是物质由于具有温度而辐射电磁波的现象。物体吸收外部照射到其表面的辐射，同时往外发射与自身温度相关的辐射。物体吸收和发射辐射导致自身温度的变化，这种把电磁能转变为热的热交换过程，是热量传递的三种方式之一。与热传导和热对流不同，热辐射无需通过介质进行热传递，实际上，热辐射的效率在真空中最高效，温度越高，物体在单位时间内对外辐射的热量就会越多。

自然环境中的辐射主要按辐射的波长进行划分，建筑材料表面对不同波段辐射的吸收程度也不同，因此，采用综合辐射吸收系数来定量表述建筑材料表面对各类辐射的吸收情况。确定材料表面的综合辐射吸收系数非常重要，目前主要有两个途径：实验室测定和场地实测数据回归方法。实验方法主要是对材料尺度的测量，具有试件尺寸小、试验条件可控和测量精度高等优点，但同时存在试验成本高、尺寸效应明显、材料的测试环境与其服役环境差异大等缺点，且目前存在测试材料种类多，难以用统一公式计算的问题。因此，基于试验的材料表面综合辐射吸收系数可能与工程实际有较大差异。基于结构现场温度测试和理论回归的材料表面综合辐射吸收系数系数，体现了材料真实的服役状态，但难以排除其它影响因素，而且外部气候环境参数因区域性和时变性太强而难以精确计算，使得基于实测数据回归的材料表面综合辐射吸收系数系数，其可靠度和普适性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种建筑材料表面综合辐射吸收系数的测量系统，本发明通过把现场实测和实验室测试相结合，具有成本低、简单快捷、影响因素可控、建筑材料试件尺寸大和测试精度高等优点。

一种材料辐射吸收系数测试系统，具体包括：保温隔热箱、太阳总辐射传感器、风速仪、小型自动气象站、热电偶温度传感器、气温传感器、水温传感器以及建筑材料试件；

所述建筑材料试件水平放置于保温隔热箱顶部，与保温隔热箱构成一个封闭箱体，在保温隔热箱内设置水温传感器，用于测量保温隔热箱内水的温度；在建筑材料试件表面设置多个热电偶温度传感器，用于测量建筑材料试件的温度；在测试环境中设置气温传感器，用于测量大气温度；在距离所述建筑材料试件3米之内设置太阳总辐射传感器和风速仪；所述太阳总辐射传感器用于测定太阳总辐射量；所述风速仪用于测定流经建筑材料试件外表面的风速；所述小型自动气象站用于与太阳总辐射传感器、风速仪、热电偶温度传感器、气温传感器和水温传感器连接，进行数据实时采集和存储。

进一步地，所述建筑材料试件为板状，其长度和宽度与保温隔热箱的保温盖相同，厚度视材料特性选取。

进一步地，在所述建筑材料试件的外表面和内表面布设热电偶温度传感器，对于吸水性建筑材料试件，除了与空气接触的外表面，其余表面都进行防水处理。

进一步地，所述太阳总辐射传感器和风速仪不能遮挡建筑材料试件外表面的辐射。

进一步地，所述风速仪、太阳总辐射传感器、建筑材料试件上布设的热电偶温度传感器、保温隔热箱内水温传感器以及外部环境气温传感器均接入小型自动气象站进行数据采集。

进一步地，在所述保温隔热箱内安装电热装置，用于控制箱内水的温度，实现建筑材料在自然环境下吸热和放热两类热传递过程的测试；在所述保温隔热箱内安装水循环装置，使箱内的水缓慢流动形成内循环，确保箱内水的温度一致。

本发明的另一目的在于提供一种本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种建筑材料表面综合辐射吸收系数的测量方法，具体步骤包括：

(1)通过对系统进行连续测量得到保温隔热箱内水的热损曲线，并采用二次多项式对热损曲线进行函数拟合；

(2)用建筑材料试件取代保温隔热箱盖板，打开箱内水循环装置和电热装置，加热水温至37-38℃之间，关闭电热装置并保持水循环装置开启，对流经建筑材料试件外表面的风速、建筑材料试件温度、箱内水温以及大气温度进行连续测量，直至水温基本稳定，即在30分钟内变化不超过0.3℃；

(3)选取测试过程中的某个时间段，计算系统的热变化量；

(4)根据对流热交换理论，计算建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量；

(5)根据步骤(1)得到的保温隔热箱热损曲线，计算所选取时间段内保温隔热箱的热损量；

(6)计算净辐射热交换量测试值、建筑材料试件外表面的净辐射量以及建筑材料表面综合辐射吸收系数；

(7)更换不同材料的试件，重复步骤(2)～(6)，测量得到不同建筑材料的表面综合辐射吸收系数；对同一次试验的数据取多段，分别计算建筑材料表面综合辐射吸收系数并取平均值，提高测试结果的精度。

具体地，在所述步骤(1)中，测量保温隔热箱内水的热损曲线的具体方法为：

在测试环境中，往保温隔热箱内注入水直至水与保温盖正好完全接触，采用保温发泡剂将保温盖与箱企口之间的缝隙填实，打开箱内水循环装置和电热装置，加热水温至37-38℃之间，关闭电热装置并保持水循环装置开启，连续测量箱内水温与外部测试环境气温，直至水温基本稳定，即在30分钟内变化不超过0.3℃，得到保温隔热箱内水的热损曲线。

具体地，在所述步骤(2)中，用建筑材料试件取代保温隔热箱盖板后，将建筑材料试件置于保温隔热箱之上并嵌入企口，建筑材料试件上表面水平向上，往箱内注水直至水面与建筑材料试件内表面完全接触，采用保温发泡剂将建筑材料试件与保温隔热箱企口之间的缝隙填实。

进一步地，所述步骤(3)中所选取时间段的热变化量，计算方法为：

Q_t＝c_wm_w(T_w1-T_w0)+c_sm_s(T_s1-T_s0)

其中，c_w和c_s分别表示水和建筑材料的比热容；m_w和m_s分别表示水和建筑材料的质量；T_w0和T_w1分别表示所选取时间段开始和终止时刻水的温度；T_s0和T_s1分别表示所选取时间段开始和终止时刻建筑材料的温度。

进一步地，所述步骤(4)中建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量，计算方法为：

Q_c＝h_c(T_s-T_a)A

其中，h_c表示对流热交换系数，h_c＝4.67+3.83W_s；W_s表示流经建筑材料试件外表面的风速，T_s表示建筑材料试件外表面的温度，T_a表示大气温度，A表示建筑材料试件外表面的面积。

进一步地，所述步骤(5)中所选取时间段内保温隔热箱的热损量，计算方法为：

其中，c_w和m_w分别表示水的比热容和质量；Δt表示所选取时间段时长，T_t0和T_t1分别表示所选取时间段开始和终止时刻保温隔热箱内水的温度；L_t0和L_t1分别表示保温隔热箱热损曲线中对应T_t0和T_t1时刻的降温速率；

进一步地，步骤(6)中，所述净辐射热交换量测试值，具体计算方法为：

Q_r＝Q_t-Q_c-Q_l

其中，Q_t表示总热交换量，Q_c表示对流热量，Q_r表示辐射热量，Q_l表示保温隔热箱热损量。

进一步地，所述建筑材料试件外表面净辐射量，具体计算方法为：

I＝I_m+I_r+I_a-B

其中，I表示净辐射量，I_m表示太阳直接辐射，I_r表示散射辐射，I_a表示大气逆辐射；太阳直接辐射与散射辐射之和由太阳总辐射传感器测得；大气逆辐射计算方法为：

I_a＝E_aC_s(T_k+T_a)⁴

其中，C_s表示黑体辐射系数，具体数值为5.6686×10^-8W/(m²·K⁴)；T_k为273.15K，用于摄氏度与绝对温度的换算；T_a表示介质温度，即大气温度；E_a表示大气的逆辐射系数，计算公式为：B表示建筑材料试件自身往外发射的辐射，计算方法为：

B＝εC_s(T_k+T_v)⁴

其中，T_v表示建筑材料试件外表面温度，ε表示材料的辐射发射率。

进一步地，根据结构表面与外部环境的辐射热交换理论Q_r＝α×h×I，因此所述建筑材料表面综合辐射吸收系数，具体计算方法为：

其中，h表示热辐射交换系数，计算方法为：

h＝C_sε[(T_k+T_a)²+(T_k+T_v)²](T_a+T_v+2T_k)

其中，C_s表示黑体辐射系数，ε表示材料的辐射发射率，T_a表示大气温度，T_k为273.15K，用于摄氏度与绝对温度的换算，T_v表示建筑材料试件外表面温度。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明具有简单易用、试验成本低和可重复性好的特点；

2、本发明采用大尺寸板件的建筑材料试件，避免了尺寸效应的问题；

3、本发明中的测试条件可控，可实现不同环境下的材料表面综合辐射吸收系数的测定；

4、本发明能够模拟材料吸热和放热两个不同的热行为过程；

5、本发明能够进行不同建筑材料及传热表面状况的试验测定。

附图说明

图1为本发明中一种材料辐射吸收系数测试系统的结构图；

图2为本发明中保温隔热箱的结构图；

图3为本发明中建筑材料试件的结构图；

图4为本实施例中保温隔热的热损曲线图。

图中，1—保温隔热箱、2—太阳总辐射传感器、3—风速仪、4—小型自动气象站、5—气温传感器、6—建筑材料试件、7—建筑材料试件外表面、8—建筑材料试件内表面、9—水、10—电热装置、11—水循环装置、12—热电偶温度传感器、13—水温传感器、14—经流建筑材料试件外表面的分速、15—太阳总辐射量、16—建筑材料试件温度、17—大气温度、18—保温隔热箱内水的温度、19—保温隔热箱企口、20—保温盖、21—防水处理后的建筑材料试件表面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示为一种材料辐射吸收系数测试系统的结构图，所述系统具体包括：保温隔热箱(1)、太阳总辐射传感器(2)、风速仪(3)、小型自动气象站(4)、气温传感器(5)、建筑材料试件(6)、热电偶温度传感器(12)以及水温传感器(13)；

所述建筑材料试件(6)水平放置于保温隔热箱(1)顶部，与保温隔热箱构成一个封闭箱体，在保温隔热箱内设置水温传感器(13)，用于测量保温隔热箱内水的温度(18)；在建筑材料试件表面设置多个热电偶温度传感器(12)，用于测量建筑材料试件温度(16)；在测试环境中设置气温传感器(5)，用于测量大气温度(17)；在所述建筑材料试件3米之内设置太阳总辐射传感器(2)和风速仪(3)；所述太阳总辐射传感器用于测定太阳总辐射量(15)；所述风速仪用于测定流经建筑材料试件外表面的风速(14)；所述小型自动气象站(4)用于与太阳总辐射传感器、风速仪、热电偶温度传感器、气温传感器和水温传感器连接，进行数据实时采集和存储。

如图2所示为发明中保温隔热箱的结构图；如图3所示为本发明中建筑材料试件的结构图。

因此，在本实施例中，所述建筑材料试件为板状，其长度和宽度与保温隔热箱的保温盖相同，厚度视材料特性选取。

在所述建筑材料试件外表面(7)和内表面(8)布设热电偶温度传感器，对于吸水性建筑材料试件，除了与空气接触的外表面，其余表面都进行防水处理，即除建筑材料试件外表面，其余为防水处理后的建筑材料试件表面(21)。

所述太阳总辐射传感器和风速仪不能遮挡建筑材料试件外表面的辐射。

所述太阳总辐射传感器、风速仪、建筑材料试件上布设的热电偶温度传感器、保温隔热箱内水温传感器以及外部环境气温传感器均接入小型自动气象站进行数据采集。

一种材料辐射吸收系数测试方法，具体步骤包括：

(1)通过对系统进行连续测量得到保温隔热箱内水的热损曲线，所述曲线如图4所示，并采用二次多项式对热损曲线进行函数拟合；

具体地，在测试环境中，往保温隔热箱中注水(9)直至水与保温盖(20)正好完全接触；采用保温发泡剂将保温盖与保温隔热箱企口(19)之间的缝隙填实；打开箱内水循环装置(11)和电热装置(10)，加热水温至37-38℃之间，关闭电热装置并保持水循环装置开启，连续测量箱内水温与大气温度，直至水温30分钟内变化不超过0.3℃，得到保温隔热箱内水的热损曲线。

(2)用建筑材料试件取代保温隔热箱盖板，打开保温隔热箱内水循环装置，加热水温至37-38℃之间，关闭电热装置并保持水循环装置开启，连续测量箱内水温与大气温度，对流经建筑材料试件外表面的风速、建筑材料试件温度、保温隔热箱内水温以及大气温度进行较长时间的连续测量，直至水温30分钟内变化不超过0.3℃，得到保温隔热箱内水的热损曲线；

具体地，用建筑材料试件取代保温隔热箱盖板，将建筑材料试件置于保温隔热箱之上并嵌入企口，建筑材料试件外表面水平向上，往箱内注水直至水面与建筑材料试件内表面完全接触，采用保温发泡剂将建筑材料试件与保温隔热箱企口的之间的缝隙填实。

(3)选取测试过程中的某个时间段，计算系统的热变化量。

进一步地，所述步骤(3)中所选取时间段的热变化量，计算方法为：

Q_t＝c_wm_w(T_w1-T_w0)+c_sm_s(T_s1-T_s0)

其中，c_w和c_s分别表示水和建筑材料的比热容；m_w和m_s分别表示水和建筑材料的质量；T_w0和T_w1分别表示所选取时间段开始和终止时刻水的温度；T_s0和T_s1分别表示所选取时间段开始和终止时刻建筑材料的温度。

(4)根据对流热交换理论，计算建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量。

进一步地，所述步骤(4)中建筑材料试件外表面与空气对流交换的热量，计算方法为：

Q_c＝h_c(T_s-T_a)A

其中，h_c表示对流热交换系数，h_c＝4.67+3.83W_s；W_s表示流经建筑材料试件外表面的风速，T_s表示建筑材料试件外表面的温度，T_a表示大气温度，A表示建筑材料试件外表面的面积。

(5)根据步骤(1)得到的保温隔热箱热损曲线，计算所选取时间段内保温隔热箱的热损量。

进一步地，所述步骤(5)中所选取时间段保温隔热箱的热损量，计算方法为：

其中，c_w和m_w分别表示水的比热容和质量；Δt表示所选取时间段时长，T_t0和T_t1分别表示所选取时间段内开始和终止时刻保温隔热箱内水的温度；L_t0和L_t1分别表示保温隔热箱热损曲线中对应T_t0和T_t1时刻的降温速率；

(6)计算净辐射热交换量测试值、建筑材料试件外表面的净辐射量以及建筑材料表面综合辐射吸收系数。

进一步地，步骤(6)中，所述净辐射热交换量测试值，具体计算方法为：

Q_r＝Q_t-Q_c-Q_l

其中，Q_t表示总热交换量，Q_c表示对流热量，Q_r表示辐射热量，Q_l表示保温隔热箱热损量。

进一步地，所述建筑材料试件外表面净辐射量，具体计算方法为：

I＝I_m+I_r+I_a-B

其中，I表示净辐射量，I_m表示太阳直接辐射，I_r表示散射辐射，I_a表示大气逆辐射；太阳直接辐射与散射辐射之和由太阳总辐射传感器测得；大气逆辐射计算方法为：

I_a＝E_aC_s(T_k+T_a)⁴

其中，C_s表示黑体辐射系数，具体数值为5.6686×10^-8W/(m²·K⁴)；T_k为273.15K，用于摄氏度与绝对温度的换算；T_a表示介质温度，即大气温度；E_a表示大气的逆辐射系数，计算公式为：B表示建筑材料试件自身往外发射的辐射，计算方法为：

B＝εC_s(T_k+T_v)⁴

其中，T_v表示建筑材料试件外表面温度，ε表示材料的辐射发射率。

进一步地，根据结构表面与外部环境的辐射热交换理论Q_r＝α×h×I，因此所述建筑材料表面综合辐射吸收系数，具体计算方法为：

其中，h表示热辐射交换系数，计算方法为：

h＝C_sε[(T_k+T_a)²+(T_k+T_v)²](T_a+T_v+2T_k)

(7)更换不同材料的试件，重复步骤(2)～(6)，测量得到不同建筑材料的表面综合辐射吸收系数；对同一次试验的数据取多段，分别计算建筑材料表面综合辐射吸收系数并取平均值，提高测试结果的精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。