CN115165955B - 一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统,其包括如下测试步骤:1),将地面材料试样放置于保温容器中,并布置各种传感器;2),准备阶段;3),第一阶段;4),第二阶段;5),数据采集及处理系统判别第一阶段与第二阶段内风速最大偏差是否超过10%;6),数据采集及处理系统计算并输出试样表面的反照率。本发明通过计算地面材料试样在不同太阳辐射情况下与周围环境的热交换速率,可得到该试样表面的反照率,并可同时得到试样表面与测试环境的对流换热系数及对流传质系数;同时,本发明所采用的设备种类少、测试数据易得、构造简单且价格低廉;所提出的测试方法原理可靠,准确度高。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种材料反照率测试方法及测试系统,具体涉及一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统,属于材料性能测试技术领域。
【背景技术】
在过去的一百年里,地球温度上升了0.7℃,全球变暖对生态系统和人类社会产生了重大影响,成为当前科学研究中的热门问题。研究表明,近表面反照率在气候变化中起着重要作用,它不仅对区域下垫面地表能量分配具有重要的科学意义,也进一步影响了生态系统中的质能传递及各类生化过程(如地表热量传递与水分相变过程、蒸腾作用、光合作用和呼吸作用等),是广泛应用于地表能量平衡方程和全球气候变化研究中的一个重要参数。
当前,国际与国内测试反照率的方法可大致归纳为以下三种:1),利用分光光度计对被测试样发射一定波长的光线,通过计算反射光强度与发射光强度的比值即可得到被测试样在这一波长范围内的反射率;2),在试样上方搭建可同时测量地面反射光强度与太阳辐射强度的四分量辐射仪,通过计算反射光强度与太阳辐射强度的比值则可得到试样的反照率;3),在试样表面敷设热流传感器,并在试样旁放置太阳辐射传感器,通过计算试样热流与太阳辐射强度的比值亦可近似得到试样的反照率。
从上述测试原理可以看出,传统的测试装置以及测试方法还存在一定不足。具体的说,方法一存在的不足有:1)分光光度计价格十分昂贵,测试成本巨大;2)由于分光光度计光源波段较窄,难以完整模拟太阳光谱,故利用该方法测得的仅是试样在一定波长内的反射率,而非反照率。方法二存在的不足有:1)四分量辐射仪较为昂贵,测试成本较大;2)由于位于试样上方的四分量辐射仪会遮挡太阳光线,以及周围环境的长/短波辐射亦会被四分量辐射仪捕获,故该方法对试样面积提出了严苛的要求(至少为直径10m的圆形区域),增大了测试难度及可行性。方法三存在的不足有:1)敷设于试样表面的热流传感器影响了试样对太阳辐射的吸收;2)热流传感器的表面性质与试样表面不尽相同,测得的热流值不能准确反映试样表面热流量;3)未考虑试样表面与周围环境的对流换热,测试结果准确度低。此外,试样表面与测试环境间的对流换热系数及对流传质系数也是反映试样与周围环境传热传质过程的重要参数,而其难以由传统的测试装置以及测试方法测得。
因此,为解决上述技术问题,确有必要提供一种创新的基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统,以克服现有技术中的所述缺陷。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其根据地面材料试样在不同太阳辐射情况下与周围环境的热交换速率,可计算得到该试样表面的反照率,并可同时获得地面材料表面与测试环境的对流换热系数与对流传质系数。
本发明的另一目的在于提供一种基于热量变化的地面材料反照率测试系统,该系统所需设备种类少、测试数据易得、构造简单且价格低廉。
为实现上述第一目的,本发明采取的技术方案为:一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其包括如下工艺步骤:
步骤1),将截面积为A、高度为H的地面材料试样放置于保温容器中,并在试样与保温容器间涂抹凡士林,使二者紧密接触;将试样在高度方向上平均划分为n层(20≥n≥5),并在各层中央埋入试样内部温度传感器;将试样表面温度传感器浅埋于地面材料试样内;将空气温度传感器固定于地面材料试样正上方;将太阳辐射传感器置于地面材料试样旁;
步骤2),准备阶段:打开遮阳板,使地面材料试样处于阴影中,当各试样内部温度传感器间的偏差小于5%且各层温度在10分钟内的变化幅度不超过5%时,数据采集及处理系统提示可继续测试;
步骤3),第一阶段:合拢遮阳板,使地面材料试样暴露于太阳辐射下,将该阶段所持续的时间记为t1,风速传感器连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统计算得到这段时间内太阳辐射总量Qra、试样吸收的热量Qab及地面材料表面与空气的时均温差T1;
步骤4),第二阶段:打开遮阳板,使地面材料试样处于阴影中,将该阶段所持续的时间记为t2,风速传感器连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统计算得到这段时间内试样释放的热量Qre及地面材料表面与空气的时均温差T2;
步骤5),数据采集及处理系统判别第一阶段与第二阶段内风速最大偏差是否超过10%,若不超过,则认为此次测试有效,继续数据处理过程;若超过,则提示此次测试失败,并应重新由步骤2)开始测试;
步骤6),数据采集及处理系统输出试样表面与测试环境的对流换热系数h,其所依据的计算公式为:根据空气密度ρair、空气定压比热容cp,air及刘易斯准则数Le,数据采集及处理系统输出试样表面与测试环境的对流传质系数hm,其所依据的计算公式为:/>数据采集及处理系统输出试样表面的反照率α,其所依据的计算公式为:/>
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述的步骤3)具体为:
3-2),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T0,lay,1及在该阶段结束时的温度T1,lay,1,数据采集及处理系统计算得到试样第1层在第一阶段内的热量变化情况Qab,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第一阶段内的热量变化情况,分别记为Qab,2……Qab,n;数据采集及处理系统计算得到试样在第一阶段内吸收的热量Qab,其所依据的计算公式为:/>
3-3),根据试样表面温度传感器连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器连续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统计算得到第一阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T1,其所依据的计算公式为:
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述的步骤4)具体为:
4-1),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T1,lay,1及在该阶段结束时的温度T2,lay,1,数据采集及处理系统计算得到试样第1层在第二阶段内的热量变化情况Qre,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第二阶段内的热量变化情况,分别记为Qre,2……Qre,n;数据采集及处理系统计算得到试样在第二阶段内释放的热量Qre,其所依据的计算公式为:/>
4-2),根据试样表面温度传感器连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器连续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统计算得到第二阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T2,其所依据的计算公式为:
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述保温容器由低导热系数的材料构成,壁厚至少为100mm;保温容器内部空间的底面积及高度均与地面材料试样相同。
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述试样内部温度传感器测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃。
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述试样表面温度传感器测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃。
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述空气温度传感器测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃;空气温度传感器套有遮阳罩。
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法进一步为:所述太阳辐射传感器测量的波长范围不小于0.3~3.0μm。
本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法还可为:所述风速传感器测量范围不小于0~10.0m/s、精度不低于0.1m/s。
为实现上述第二目的,本发明采取的技术方案为:一种基于热量变化的地面材料反照率测试系统,其包括温度传感器、太阳辐射传感器、数据采集及处理系统以及辅助装置;
其中,所述温度传感器由若干试样内部温度传感器、试样表面温度传感器和空气温度传感器组成;所述若干试样内部温度传感器、试样表面温度传感器以及空气温度传感器分别通过连接线与数据采集及处理系统相连;
所述太阳辐射传感器亦通过连接线与数据采集及处理系统相连;
所述辅助装置由保温容器、遮阳板和风速传感器组成;所述遮阳板能自由合拢或打开;所述风速传感器通过连接线与数据采集及处理系统相连;
所述数据采集及处理系统能对传感器采集得到的参数进行处理,并输出处理结果及各类提示。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统能根据地面材料试样在不同太阳辐射情况下与周围环境的热交换速率,可计算得到该试样表面的反照率,并可同时获得地面材料表面与测试环境的对流换热系数与对流传质系数。
2.本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试方法及系统以基础传热原理的拓展应用,过程清楚、方法可靠;此外,该测试系统以温度传感器和太阳辐射传感器作为主要测试设备,其技术成熟、构造合理、结果可靠、价格低廉。
3.由于地面材料试样的长波辐射量远小于对流换热量及太阳辐射强度,且本发明的测试系统会在测试过程中不会对试样表面产生额外的遮挡、破坏,其测试得到的结果十分可靠。
4.本发明除了获取试样表面参数外,还进一步具有实际应用价值,如将该测试系统布置在实际地面内(如人工硬化地面、土壤等),可以测得地面与周围环境的实时对流换热系数和对流传质系数,这有助于判断当前情况是否适合采用喷淋散热(若对流传质系数较小,则意味着喷淋后的水分难以快速蒸发带走热量,降温效果十分有限,反而可能使近地空气相对湿度急遽增大,形成城市湿岛效应,影响行人舒适度)。
【附图说明】
图1是本发明的基于热量变化的地面材料反照率测试系统的示意图。
【具体实施方式】
请参阅说明书附图1所示,本发明为一种基于热量变化的地面材料反照率测试系统,其由温度传感器1、太阳辐射传感器2、数据采集及处理系统3以及辅助装置4等几部分组成。
其中,所述温度传感器1用于连续监测温度变化情况,其由若干试样内部温度传感器1-1、1-2……1-n、试样表面温度传感器1-21和空气温度传感器1-22组成。
所述试样内部温度传感器1-1、1-2……1-n测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃;试样内部温度传感器1-1、1-2……1-n通过连接线与数据采集及处理系统3相连。
所述试样表面温度传感器1-21测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃;试样表面温度传感器1-21通过连接线与数据采集及处理系统3相连。
所述空气温度传感器1-22测量范围不小于0~85.0℃、精度不低于±0.5℃;空气温度传感器1-22套有遮阳罩;空气温度传感器1-22通过连接线与数据采集及处理系统3相连。
所述太阳辐射传感器2用于监测太阳辐射量,其测量的波长范围不小于0.3~3.0μm;所述太阳辐射传感器2通过连接线与数据采集及处理系统3相连。
所述数据采集及处理系统3可采集并记录各类传感器测得的参数;数据采集及处理系统3可按照要求对采集得到的参数进行处理,并输出处理结果及各类提示。
所述辅助装置4用于提供适宜的测试环境并防止周围环境中的额外因素对测试过程造成干扰,其由保温容器4-1、遮阳板4-2和风速传感器4-3组成。其中,所述保温容器4-1由低导热系数的材料(如挤塑聚苯乙烯泡沫板等)构成,壁厚至少为100mm;保温容器4-1内部空间的底面积及高度均与地面材料试样相同。
进一步的,所述遮阳板4-2能自由合拢或打开,当其在测试过程中打开时,可使地面材料试样完全处于遮阳板4-2所形成的阴影中。所述风速传感器4-3测量范围不小于0~10.0m/s、精度不低于0.1m/s;风速传感器4-3通过连接线与数据采集及处理系统3相连。
采用上述测试系统对地面材料反照率测试的方法如下:
步骤1),将截面积为A、高度为H的地面材料试样放置于保温容器4-1中,并在试样与保温容器4-1间涂抹凡士林,使二者紧密接触;将试样在高度方向上平均划分为n层(20≥n≥5),并在各层中央埋入试样内部温度传感器1-1、1-2……1-n;将试样表面温度传感器1-21浅埋于地面材料试样内;将空气温度传感器1-22固定于地面材料试样正上方;将太阳辐射传感器2置于地面材料试样旁。
步骤2),准备阶段:打开遮阳板4-2,使地面材料试样处于阴影中,当各试样内部温度传感器1-1、1-2……1-n间的偏差小于5%,且各层温度在10分钟内的变化幅度不超过5%时,数据采集及处理系统3提示可继续测试。
步骤3),第一阶段:合拢遮阳板4-2,使地面材料试样暴露于太阳辐射下,将该阶段所持续的时间记为t1,风速传感器4-3连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统3计算得到这段时间内太阳辐射总量Qra、试样吸收的热量Qab及地面材料表面与空气的时均温差T1。
本阶段的具体过程为:
3-1),根据太阳辐射传感器2连续监测的太阳辐射强度I,数据采集及处理系统3计算得到第一阶段内的太阳辐射总量Qra,其所依据的公式为:
3-2),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器1-1监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T0,lay,1及在该阶段结束时的温度T1,lay,1,数据采集及处理系统计算3得到试样第1层在第一阶段内的热量变化情况Qab,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第一阶段内的热量变化情况,分别记为Qab,2……Qab,n;数据采集及处理系统3计算得到试样在第一阶段内吸收的热量Qab,其所依据的计算公式为:/>
3-3),根据试样表面温度传感器1-21连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器连1-22续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统3计算得到第一阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T1,其所依据的计算公式为:
步骤4),第二阶段:打开遮阳板4-2,使地面材料试样处于阴影中,将该阶段所持续的时间记为t2,风速传感器4-3连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统3计算得到这段时间内试样释放的热量Qre及地面材料表面与空气的时均温差T2。
本阶段的具体过程为:
4-1),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器1-1监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T1,lay,1及在该阶段结束时的温度T2,lay,1,数据采集及处理系统3计算得到试样第1层在第二阶段内的热量变化情况Qre,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第二阶段内的热量变化情况,分别记为Qre,2……Qre,n;数据采集及处理系统3计算得到试样在第二阶段内释放的热量Qre,其所依据的计算公式为:/>
4-2),根据试样表面温度传感器1-21连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器1-22连续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统3计算得到第二阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T2,其所依据的计算公式为:
步骤5),数据采集及处理系统3判别第一阶段与第二阶段内风速最大偏差是否超过10%,若不超过,则认为此次测试有效,继续数据处理过程;若超过,则提示此次测试失败,并应重新由步骤2)开始测试;
步骤6),数据采集及处理系统3输出试样表面与测试环境的对流换热系数h,其所依据的计算公式为:根据空气密度ρair、空气定压比热容cp,air及刘易斯准则数Le,数据采集及处理系统3输出试样表面与测试环境的对流传质系数hm,其所依据的计算公式为:/>数据采集及处理系统输出试样表面的反照率α,其所依据的计算公式为:/>
以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例,并不用以限制本创作,凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本创作的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:包括如下工艺步骤:
步骤1),将截面积为A、高度为H的地面材料试样放置于保温容器中,并在试样与保温容器间涂抹凡士林,使二者紧密接触;将试样在高度方向上平均划分为n层,其中,20≥n≥5,并在各层中央埋入试样内部温度传感器;将试样表面温度传感器浅埋于地面材料试样内;将空气温度传感器固定于地面材料试样正上方;将太阳辐射传感器置于地面材料试样旁;
步骤2),准备阶段:打开遮阳板,使地面材料试样处于阴影中,当各试样内部温度传感器间的偏差小于5%且各层温度在10分钟内的变化幅度不超过5%时,数据采集及处理系统提示可继续测试;
步骤3),第一阶段:合拢遮阳板,使地面材料试样暴露于太阳辐射下,将该阶段所持续的时间记为t1,风速传感器连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统计算得到这段时间内太阳辐射总量Qra、试样吸收的热量Qab及地面材料表面与空气的时均温差T1;其具体为:
3-2),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T0,lay,1及在该阶段结束时的温度T1,lay,1,数据采集及处理系统计算得到试样第1层在第一阶段内的热量变化情况Qab,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第一阶段内的热量变化情况,分别记为Qab,2……Qab,n;数据采集及处理系统计算得到试样在第一阶段内吸收的热量Qab,其所依据的计算公式为:/>
3-3),根据试样表面温度传感器连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器连续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统计算得到第一阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T1,其所依据的计算公式为:
步骤4),第二阶段:打开遮阳板,使地面材料试样处于阴影中,将该阶段所持续的时间记为t2,风速传感器连续监测该阶段内风速变化情况,数据采集及处理系统计算得到这段时间内试样释放的热量Qre及地面材料表面与空气的时均温差T2;其具体为:
4-1),根据地面材料试样比热容cp,mat、密度ρmat、试样内部温度传感器监测的试样第1层在该阶段起始时的温度T1,lay,1及在该阶段结束时的温度T2,lay,1,数据采集及处理系统计算得到试样第1层在第二阶段内的热量变化情况Qre,1,其所依据的计算公式为:同样,计算得到试样第2层至第n层在第二阶段内的热量变化情况,分别记为Qre,2……Qre,n;数据采集及处理系统计算得到试样在第二阶段内释放的热量Qre,其所依据的计算公式为:/>
4-2),根据试样表面温度传感器连续监测的试样表面温度Tsur及空气温度传感器连续监测的空气温度Tair,数据采集及处理系统计算得到第二阶段内的地面材料表面与空气的时均温差T2,其所依据的计算公式为:
步骤5),数据采集及处理系统判别第一阶段与第二阶段内风速最大偏差是否超过10%,若不超过,则认为此次测试有效,继续数据处理过程;若超过,则提示此次测试失败,并应重新由步骤2)开始测试;
2.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述保温容器由低导热系数的材料构成,壁厚至少为100mm;保温容器内部空间的底面积及高度均与地面材料试样相同。
3.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述试样内部温度传感器测量范围不小于0~85.0℃。
4.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述试样表面温度传感器测量范围不小于0~85.0℃。
5.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述空气温度传感器测量范围不小于0~85.0℃;空气温度传感器套有遮阳罩。
6.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述太阳辐射传感器测量的波长范围不小于0.3~3.0μm。
7.如权利要求1所述的基于热量变化的地面材料反照率测试方法,其特征在于:所述风速传感器测量范围不小于0~10.0m/s。
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