CN111707486B - 一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，该方法采用两个运行时间段对计量箱内的空气温度进行控制，在第一运行时间段通过在计量箱内采用大制冷功率和大加热功率的加热器使计量箱内的空气温度快速处于预设计量箱温度附近，同时根据第一运行时间段计量箱内的运行参数、计量箱的空气温度和预设计量箱得热平衡公式估算外窗试件的近似遮阳系数和预估得热量，在第二运行时间段控制大加热功率的加热器关闭，并根据试外窗试件的预估得热量控制计量箱制冷系统以预估得热量对应的进口水温和水流量区间运行使计量箱内的空气温度快速处于第二预设计量箱温度区间，大大减少了建筑外窗遮阳系数的检测时间和运行能耗。

Description

一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法

技术领域

本发明涉及建筑外窗检测领域，具体地说是一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法。

背景技术

遮阳系数是评价建筑外窗夏季节能性能的重要指标，遮阳系数越小，建筑外窗夏季阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好，国家和地方节能设计标准中均对建筑外窗的遮阳系数限值进行了规定，如《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 134—2010中规定窗墙面积比大于0.45的建筑要求夏季遮阳系数≤0.25，又如《江苏省居住建筑热环境和节能设计标准》DGJ32/J 71—2014中规定窗墙比>0.40且≤0.45的建筑要求夏季遮阳系数≤0.20。

目前检测建筑外窗遮阳系数的方法主要为在实验室中检测该类建筑外窗的得热量和遮阳系数，建筑行业标准《建筑门窗遮阳性能检测方法》JG/T440-2014和《建筑遮阳产品隔热性能试验方法》JG/T281-2010中都详细介绍采用人工光源检测建筑外窗遮阳系数的检测设备及检测方法，上述检测方法虽然均可较好地检测建筑外窗的遮阳系数，但检测时间过长，运行能耗较高。

为有效降低建筑外窗遮阳系数的检测时间和运行能耗，专利号为2018100179927、名称为“一种建筑门窗遮阳性能检测装置及其控制方法”的发明专利公开了一种建筑门窗遮阳系数的检测方法，该方法通过分阶段对安装在计量箱内的第二加热器或制冷系统进行控制，第一阶段通过第二加热器或制冷系统使计量箱内的空气温度在较短时间内处于第一预设温度区间，第二阶段通过第二加热器的平均加热功率和制冷系统的预设运行功率快速计算进入计量箱的得热量，并确定所述得热量对应的预设水温和预设水流量区间，第三阶段关闭第二加热器，只通过控制制冷系统以预设参数运行使计量箱的空气温度快速处于预设计量箱温度区间。

上述检测方法虽然可以较好地快速检测建筑外窗的遮阳系数，但也存在一些缺点，如第一阶段中人工光源刚开始不启动，在计量箱内的空气温度处于第一预设温度区间才启动，人工光源启动后大量热量突然进入计量箱会导致计量箱的温度突然上升，从而使计量箱的空气温度短时间内不能处于第一预设温度区间，而在该专利中假设计量箱的空气温度处于第一预设温度区间，且制冷水箱和水泵以第一预设水温与第一预设水流量运行，这样才能确保热交换器的制冷功率基本恒定和计算的得热量数据误差小，如果计量箱因人工光源开启而短时间内空气温度不能处于第一预设温度区间，就会导致热交换器的制冷功率变化较大，根据热交换器的制冷功率和预设的得热量计算公式计算的得热量误差就会很大，从而导致下一阶段计量箱内空气温度稳定时间变长和设备运行能耗加大，如果等待计量箱的空气温度重新处于第一预设温度区间再计算进入计量箱的得热量，虽然误差较小，但会明显加长检测时间，与现有检测技术相比检测时间不会明显缩短，检测能耗不会明显降低，有待进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，目的在于克服现有建筑外窗遮阳系数检测检测时间较长和运行能耗较大的缺陷。

为此，本发明采用如下的技术方案： 一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，包括以下步骤：

S1、在建筑外窗遮阳系数检测设备启动后，实时检测外环境箱的空气温度、计量箱的空气温度和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度，实时获取计量箱制冷系统的制冷功率和计量箱加热器的加热功率，将建筑外窗遮阳系数检测设备刚启动时的时间点记为开始时间点；

S2、控制计量箱制冷系统以第一预设进口水温和第一预设水流量运行，并根据实时检测的计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱加热器的运行使计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间；

S3、控制外环境箱制冷系统以第二预设进口水温和第二预设水流量运行，并根据实时检测的外环境箱的空气温度与预设外环境箱温度控制外环境箱加热器的运行使外环境箱的空气温度处于预设外环境箱温度区间；

S4、实时判断计量箱的空气温度是否处于第一预设计量箱温度区间，若是，则将计量箱的空气温度刚处于第一预设计量箱温度区间的时间点设为第一结束时间点，并将开始时间点至第一结束时间点之间的时间段设为第一运行时间段；

S5、将第一运行时间段的起始时刻的计量箱的空气温度记为L1, 将第一运行时间段的末尾时刻的计量箱的空气温度记为L2；

S6、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率，将各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率乘以预设采样间隔，累加后得到第一计量箱加热量；

S7、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率，将各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率乘以预设采样间隔，累加后得出第一计量箱制冷量；

S8、根据第一计量箱加热量、第一计量箱制冷量、计量箱的空气温度L1、计量箱的空气温度L2和预设计量箱得热平衡公式估算外窗试件的近似遮阳系数；

S9、根据外窗试件的近似遮阳系数、预设外窗试件面积和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度得出外窗试件的预估得热量。

进一步地，所述快速检测建筑外窗遮阳系数的方法还包括以下步骤：

S10、根据预设的预估得热量与计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间之间的对应关系确定所述预估得热量对应的计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间；

S11、控制计量箱加热器关闭，控制计量箱制冷系统以预估得热量对应的预设水温运行；

S12、根据计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱制冷系统在所述预估得热量对应的预设水流量区间内运行使计量箱的空气温度处于第二预设计量箱温度区间。

进一步地，所述第一预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第一温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第一温度波动值之差，所述第二预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第二温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第二温度波动值之差，所述预设计量箱温度为24°C～26°C，第一温度波动值为1°C～3°C，所述第二温度波动值为0.2°C～0.4°C。

进一步地，所述预设计量箱得热平衡公式为：

SC= [ Q1-Q2- cm(L1- L2)]/( 0.87× M×I×t) ；

Q1-第一计量箱制冷量，Q2-第一计量箱加热量，SC-近似遮阳系数，I-模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度,c-空气的比热容,m-预设计量箱内空气的质量，M-预设外窗试件面积，t-第一运行时间段的时间长度。

本发明的有益效果是：采用两个运行时间段对计量箱内的空气温度进行控制，在第一运行时间段通过在计量箱内采用大制冷功率和大加热功率的加热器使计量箱内的空气温度快速处于预设计量箱温度附近，同时根据第一运行时间段计量箱内的运行参数得出第一计量箱加热量和第一计量箱制冷量，并根据第一计量箱加热量、第一计量箱制冷量、计量箱的空气温度和预设计量箱得热平衡公式估算外窗试件的近似遮阳系数和预估得热量，在第二运行时间段根据试外窗试件的预估得热量控制计量箱制冷系统以预估得热量对应的进口水温和水流量区间运行使计量箱内的空气温度快速处于第二预设计量箱温度区间，避免了计量箱在第二运行时间段因人工光源突然启动而出现空气温度剧烈波动，大大减少了建筑外窗遮阳系数的检测时间和运行能耗。

附图说明

图1为建筑外窗遮阳系数检测设备的结构示意图。

附图标记说明：1-人工光源，2-光源箱，3-外环境箱，4-光导入窗，5-外环境箱加热器，6-外环境箱制冷系统，7-风扇，8-内环境箱，9-内环境箱加热制冷系统，10-计量箱加热器，11-第三温度传感器，12-热交换器，13-第四温度传感器，14-制冷水箱，15-水泵，16-流量传感器，17-计量箱，18-第二温度传感器，19-外窗试件，20-第一温度传感器，21-太阳能总辐射表。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细阐述。

参见图1，本实施例提供了一种建筑外窗遮阳系数检测设备，包括安装人工光源1的光源箱2、外环境箱3、光导入窗4、外环境箱加热器5、外环境箱制冷系统6、风扇7、内环境箱8、内环境箱加热制冷系统9、计量箱加热器10、计量箱制冷系统、第三温度传感器11、第四温度传感器13、流量传感器16、计量箱17、外窗试件19、太阳能总辐射表21、第一温度传感器20、第二温度传感器18、控制装置和数据采集处理系统，所述计量箱制冷系统包括安装在计量箱内的热交换器12和设有水泵15的制冷水箱14，其中，所述外环境箱加热器5和外环境箱制冷系统6用于将外环境箱3的空气温度控制在预设外环境箱温度区间内，所述计量箱制冷系统和计量箱加热器10用于调节计量箱的空气温度，所述内环境箱加热制冷系统用于将内环境箱的空气温度控制在预设内环境箱温度区间内，所述水泵15为变频水泵，通过改变热交换器中的水流量或进口水温来控制计量箱内的空气温度。需要说明的是，本实施例中建筑外窗遮阳系数检测设备的结构与现有技术完全相同，具体可可参考《建筑门窗遮阳性能检测方法》JGT440-2014和现有的建筑外窗遮阳系数检测技术。

本实施例基于上述建筑外窗遮阳系数检测设备，提供了一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，包括以下步骤：

S1、在建筑外窗遮阳系数检测设备启动后，实时检测外环境箱的空气温度、计量箱的空气温度和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度，实时获取计量箱制冷系统的制冷功率和计量箱加热器的加热功率，将建筑外窗遮阳系数检测设备刚启动时的时间点记为开始时间点。

具体地，外环境箱的空气温度通过安装在外环境箱内的第一温度传感器检测得出，计量箱的空气温度通过安装在计量箱内的第二温度传感器检测得出，模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度通过安装在外窗试件外表面的太阳能总辐射表检测得出，计量箱制冷系统的制冷功率可根据热交换器的进口水温、出口水温和水流量计算得出或安装相应的冷量表检测得出，所述热交换器的进口水温通过第四温度传感器检测得出，热交换器的出口水温通过第三温度传感器检测得出，热交换器的水流量通过流量传感器检测得出，计量箱加热器的加热功率可通过与计量箱加热器电连接的功率传感器检测得出。其中，由于内环境箱内影响温度波动的因素较少，本实施例中内环境箱的空气温度控制采用现有技术。

S2、控制计量箱制冷系统以第一预设进口水温和第一预设水流量运行，并根据实时检测的计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱加热器的运行使计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间。

具体地，计量箱制冷系统以第一预设进口水温和第一预设水流量稳定运行时，可通过计量箱加热器调节计量箱内的空气温度，即根据实时检测的计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱加热器的运行，计量箱加热器可采用PID技术，通过控制计量箱加热器的工作使计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间，由于将计量箱的空气温度控制在第一预设计量箱温度区间是为了快速将计量箱内的空气温度快速处于预设计量箱温度附近，第一预设计量箱温度区间的温度波动幅度可以相对较大，所述第一预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第一温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第一温度波动值之差，所述预设计量箱温度最好为24°C～26°C，所述第一温度波动值最好为1°C～3°C。

S3、控制外环境箱制冷系统以第二预设进口水温和第二预设水流量运行，并根据实时检测的外环境箱的空气温度与预设外环境箱温度控制外环境箱加热器的运行使外环境箱的空气温度处于预设外环境箱温度区间。

具体地，由于《建筑门窗遮阳性能检测方法》JGT440-2014中对外环境箱内的空气温度波动要求较低，一般为25°C+0.5°C,且检测时外环境箱内的空气温度稳定时间较快，本实施例中采用现有技术控制外环境箱的空气温度处于预设外环境箱温度区间。

S4、实时判断计量箱的空气温度是否处于第一预设计量箱温度区间，若是，则将计量箱的空气温度刚处于第一预设计量箱温度区间的时间点设为第一结束时间点，并将开始时间点至第一结束时间点之间的时间段设为第一运行时间段。

具体地，计量箱内的空气温度调节时间段分为第一运行时间段和第二运行时间段，第一运行时间段为计量箱内空气温度快速调整至预设计量箱温度附近的时间段，第二运行时间段为计量箱内空气温度处于预设计量箱温度附近且波动幅度满足检测要求的时间段，波动幅度要求较小，一般为+0.2°C或+0.3°C。

本实施例中将计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间的最早时间点设为第一运行时间段的末尾时刻，将开始时间点设为第一运行时间段的开始时刻，将计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间的最早时间点之后的时间段设为第二运行时间段。例如，建筑外窗遮阳系数检测设备设备在14:00:00启动，在16:30:00时计量箱的空气温度刚处于第一预设计量箱温度区间，则第一运行时间段为14:00:00～16:30:00，16:30:00之后的时间段为第二运行时间段。

需要说明的是，第一运行时间段的末尾时刻并不仅限于计量箱的空气温度刚处于第一预设计量箱温度区间的时间点，还可以是计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间预设时间的时间点。

S5、将第一运行时间段的起始时刻的计量箱的空气温度记为L1, 将第一运行时间段的末尾时刻的计量箱的空气温度记为L2。

S6、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率，将各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率乘以预设采样间隔，累加后得到第一计量箱加热量。

具体地，由于计量箱加热器工作时产生的热量全部用于计量箱的空气温度升高，第一计量箱加热量即为计量箱加热器在第一运行时间段运行后的用电量，本实施例中还可通过与计量箱加热器连接的电量表来得出第一计量箱加热量，即通过电量表实时检测计量箱加热器的用电量，并将第一运行时间段的末尾时刻的用电量减去第一运行时间的开始时刻的用电量得出第一计量箱加热量，所述预设采样间隔最好为0.02s～0.1s。

S7、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率，将各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率乘以预设采样间隔，累加后得出第一计量箱制冷量。

具体地，计量箱制冷系统的制冷功率可根据热交换器的进口水温、出口水温和水流量计算得出，本实施例中按照预设采样间隔采集各个采样时刻热交换器的进口水温、出口水温和水流量，并根据制冷系统的制冷功率相关计算公式得出各个采用时刻制冷系统的制冷功率，累加后得出第一计量箱制冷量。

S8、根据第一计量箱加热量、第一计量箱制冷量、计量箱的空气温度L1、计量箱的空气温度L2和预设计量箱得热平衡公式估算外窗试件的近似遮阳系数,所述预设计量箱得热平衡公式为：

Q1-Q2- Q3=cm(L1- L2) ；

Q3=0.87×SC× M×I×t；

SC= [ Q1-Q2- cm(L1- L2)]/( 0.87× M×I×t) ；

Q1-第一计量箱制冷量，Q2-第一计量箱加热量，Q3-模拟光进入计量箱的热量，SC-近似遮阳系数，I-模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度,c-空气的比热容,m-预设计量箱内空气的质量，M-预设外窗试件面积，t-第一运行时间段的时间长度。

具体地，对于计量箱而言，计量箱内的温度变化主要是由模拟光进入计量箱的热量、计量箱制冷系统的制冷量和计量箱加热器的加热量引起的，其中，模拟光进入计量箱的热量包括模拟光透过外窗试件进入计量箱内的热量和部分模拟光被外窗试件吸收后再传入计量箱的热量，在第一运行时间段，计量箱内的空气温度虽然快速变化，但由于模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度基本不变和外窗试件的遮阳系数固定不变，模拟光进入计量箱的热量几乎为一恒定值，本实施例中在第一运行时间段内按照时间长度很小的预设采样间隔来采集各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率和计量箱制冷系统的制冷功率，并根据比热容原理和能量守恒定律得出预设热平衡公式，通过预设平衡公式来计算试件的近似传热系数值。

S9、根据外窗试件的近似遮阳系数、预设外窗试件面积和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度得出外窗试件的预估得热量。

具体地，由于《建筑门窗遮阳性能检测方法》JGT440-2014中设定的外环境箱的空气温度和计量箱的空气温度均为25°C，外环境箱和计量箱的温差传热量几乎为零，外窗试件的预估得热量的计算公式为：

Qx=0.87×M×I×SC；

Qx-外窗试件的预估得热量, I-模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度，M-预设外窗试件面积, SC-近似遮阳系数。

S10、根据预设的预估得热量与计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间之间的对应关系确定所述预估得热量对应的计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间。

具体地，预设水流量区间的上限为预设水流量与第一流量阀值之和，预设水流量区间的下限为预设水流量与第一流量阀值之差，预设的预估得热量与预设水温和预设水流量区间之间的对应关系可根据大量的实验分析得出的标定值，所述第一流量阀值可根据预设水流量计算得出，第一流量阀值优选为预设水流量的5%～20%。

S11、控制计量箱加热器关闭，控制计量箱制冷系统以预估得热量对应的预设水温运行。

S12、根据计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱制冷系统在所述预估得热量对应的预设水流量区间内运行使计量箱的空气温度处于第二预设计量箱温度区间。

具体地，在计量箱加热器关闭后，控制制冷系统中的制冷水箱以所述预估得热量对应的预设水温制冷运行，控制制冷系统中的水泵在所述预估得热量对应的预设水流量区间运行，该控制技术可采用现有技术，如水泵采用PID技术控制，所述第二预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第二温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第二温度波动值之差，所述预设计量箱温度为24°C～26°C，所述第二温度波动值最好为0.2°C～0.4°C。

S13、待计量箱的空气温度、外环境箱的空气温度和内环境箱的空气温度均符合相关预设温度波动要求后，根据《建筑门窗遮阳性能检测方法》JGT440-2014中的相关检测方法得出外窗试件的遮阳系数。

本发明的保护范围并不局限于上述描述，任何在本发明的启示下的其它形式产品，不论在形状或结构上作任何改变，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在建筑外窗遮阳系数检测设备启动后，实时检测外环境箱的空气温度、计量箱的空气温度和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度，实时获取计量箱制冷系统的制冷功率和计量箱加热器的加热功率，将建筑外窗遮阳系数检测设备刚启动时的时间点记为开始时间点；

S2、控制计量箱制冷系统以第一预设进口水温和第一预设水流量运行，并根据实时检测的计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱加热器的运行使计量箱的空气温度处于第一预设计量箱温度区间；

S3、控制外环境箱制冷系统以第二预设进口水温和第二预设水流量运行，并根据实时检测的外环境箱的空气温度与预设外环境箱温度控制外环境箱加热器的运行使外环境箱的空气温度处于预设外环境箱温度区间；

S4、实时判断计量箱的空气温度是否处于第一预设计量箱温度区间，若是，则将计量箱的空气温度刚处于第一预设计量箱温度区间的时间点设为第一结束时间点，并将开始时间点至第一结束时间点之间的时间段设为第一运行时间段；

S5、将第一运行时间段的起始时刻的计量箱的空气温度记为L1, 将第一运行时间段的末尾时刻的计量箱的空气温度记为L2；

S6、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率，将各个采样时刻的计量箱加热器的加热功率乘以预设采样间隔，累加后得到第一计量箱加热量；

S7、在第一运行时间段内按照预设采样间隔采集各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率，将各个采样时刻计量箱制冷系统的制冷功率乘以预设采样间隔，累加后得出第一计量箱制冷量；

S8、根据第一计量箱加热量、第一计量箱制冷量、计量箱的空气温度L1、计量箱的空气温度L2和预设计量箱得热平衡公式估算外窗试件的近似遮阳系数；

S9、根据外窗试件的近似遮阳系数、预设外窗试件面积和模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度得出外窗试件的预估得热量；

S10、根据预设的预估得热量与计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间之间的对应关系确定所述预估得热量对应的计量箱制冷系统的预设水温和预设水流量区间；

S11、控制计量箱加热器关闭，控制计量箱制冷系统以预估得热量对应的预设水温运行；

S12、根据计量箱的空气温度与预设计量箱温度控制计量箱制冷系统在所述预估得热量对应的预设水流量区间内运行使计量箱的空气温度处于第二预设计量箱温度区间。

2.根据权利要求1所述的快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，其特征在于，所述第一预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第一温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第一温度波动值之差，所述第二预设计量箱温度区间的上限为预设计量箱温度与第二温度波动值之和，下限为预设计量箱温度与第二温度波动值之差，所述预设计量箱温度为24°C～26°C，第一温度波动值为1°C～3°C，所述第二温度波动值为0.2°C～0.4°C。

3.根据权利要求1所述的快速检测建筑外窗遮阳系数的方法，其特征在于，所述预设计量箱得热平衡公式为：

SC= [ Q1-Q2- cm(L1- L2)]/( 0.87× M×I×t) ；

Q1-第一计量箱制冷量，Q2-第一计量箱加热量，SC-近似遮阳系数，I-模拟光照射到外窗试件表面的辐射强度，c-空气的比热容,m-预设计量箱内空气的质量，M-预设外窗试件面积，t-第一运行时间段的时间长度。

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