太阳能建筑一体化原理与应 课件 第1-3章 绪论、太阳辐射、太阳能的吸收与透射

太阳能建筑一体化原理与应用第一章绪论一、可再生能源与太阳能

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源。可再生能源主要包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。

太阳能(solarenergy)，一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、生物质能、潮汐能、水的势能等。二、太阳能利用方式的分类太阳能利用的方式可分为光-热利用、光-电利用、光-化学利用、光-生物利用四类。其中：1、光-热利用是指将太阳能转换为热能，然后加以利用，如供应热水、采暖、驱动制冷循环、强化自然通风等。2、光-电利用是指通过太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转化为电能加以利用的过程。3、光-化学利用则包括植物的光合作用、太阳能光解水制氢、热解水制氢以及天然气重整等转换过程。4、光-生物利用是指通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。三、我国建筑运行能耗用能分类建筑面积（亿m2)用电量(亿kWh)燃料用量(亿tce)商品能耗(亿tce)一次能耗强度北方城镇供暖1627701.892.1213.1kgce/m2城镇住宅(不含北方城镇供暖)30560510.962.78769kgce/户公共建筑(不含北方城镇供暖)147117170.333.8626.3kgce/m2农村住宅22637541.192.321220kgce/户合计678222924.3711.1

2022年我国四类建筑运行能耗三、我国建筑运行能耗将四部分建筑能耗的规模、强度和总量表示在图所示的四个方块中，横向表示建筑面积，纵向表示单位面积建筑能耗强度，四个方块的面积即是建筑能耗的总量。四、我国建筑运行碳排放将四类建筑碳排放的规模、强度和总量表示在图所示的方块图中，横向表示建筑面积，纵向表示单位面积碳排放强度，四个方块的面积即是碳排放总量。五、太阳能建筑一体化的含义太阳能与建筑的有机结合就是太阳能与建筑一体化，也就是实现太阳能利用系统的功能和建筑功能的一体化。一体化应该包含两方面的要求：一是外观和形式上，太阳能集热、光伏发电等设备应与建筑外围护结构有机结合，不影响建筑的美观，甚至具有增加建筑美学效果，这是对一体化的“外在”要求，也是基本要求；二是内容和功能上，既要使太阳能集热、光伏发电提供的能源能够在建筑中得到有效使用和输配，同时还要满足建筑采光、保温、隔热、防水等功能，这是对一体化的“内在”要求，也是高级要求。太阳能建筑原理与应用第二章太阳辐射2.1太阳的基本特征与能量来源2.1.1太阳的物理特征太阳直径约139万公里，质量为地球的33万倍，主要由氢和氦组成。其内部核聚变反应将氢转化为氦，每秒亏损400万吨质量，释放出巨大能量。太阳能量传播太阳辐射以电磁波形式传播，到达地球大气层上界的能量约占总辐射的20亿分之一，但仍高达180×10¹²千瓦，是地球能量的重要来源。2.1.2地球公转与赤纬角图2-2地球绕太阳运行示意图2.1.2地球公转与赤纬角图2-2地球绕太阳运行示意图2.1.2地球公转与赤纬角太阳中心与地球中心的连线（即午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角（或称太阳赤纬）。太阳赤纬角是一个以一年为周期变化的量，它的变化范围为±23

o

27'。北半球夏至(6月22日)即南半球冬至，太阳光线正射北回归线δ=23o27’；北半球冬至(12月22日)即南半球夏至，太阳光线正射南回归线，δ=−23

o

27'；春分及秋分太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南、北半球日夜相等。式中

n——一年中的日期序号

2.1.3地球的自转与太阳时地球在公转时，始终绕着地轴由西向东在自转，每转一周（360°）为一昼夜（24小时）。时间可以用角度来表示，每小时相当于地球自转15°。正午时为零，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间（小时）乘以15。2.太阳时时差E：真太阳时和平太阳时之差1.时角2.1太阳的基本特征与能量来源时差E也可以从此图查出2.2大气层外太阳辐射的计算2.2.1太阳常数和太阳辐射光谱太阳常数太阳辐照度（Irradiance）（W/m2），符号G，表示照射到单位面积表面上的太阳辐射能通量。太阳辐照量（Irradiation）（J/m2）——照射到单位面积表面上的太阳辐射能量。Gon是一年中第n天在垂直于光线的平面上的大气层外的辐照度（即大气层外法向辐照度）。大气层外太阳辐照度的变化计算方程：2.太阳辐射光谱（solarradiationspectrum）大气层外太阳辐射的光谱分布2.2.2太阳角（1）纬度φ：赤道以北或以南的角度位置，北半球为正，南半球为负，赤道为0。−90°≤φ≤90°（2）采光面倾角β：采光表面与水平面之间的角度。0°≤β≤180°（β>90°表示该表面向下）。（3）采光面方位角γ:采光表面法线在水平面上的投影与当地子午线的偏差，正南为零，东为负，西为正。−180°≤γ≤180°。（4）太阳入射角θ：太阳光线与采光表面法线之间的夹角θ，称为太阳光线的入射角。太阳光线可分为两个分量，一个垂直于表面，一个平行于表面，只有垂直分量的辐射能被采光面所截取。1.太阳入射角的计算2.2.2太阳角图2-7采光面的倾角、方位角和太阳入射角2.太阳高度角与方位角天顶角θz

—太阳光线和地平面法线之间的夹角。高度角αs—太阳光线和它在地平面上投影线之间的夹角。方位角γs—太阳光线在地平面上投影与地平面上正南方向线之间的夹角。2.太阳高度角与方位角2.2.2地球大气层外水平面上的太阳辐射

2.3大气层内太阳辐射的估算2.3.1大气层对太阳辐射的衰减作用太阳辐射在通过大气层到达地球表面之前，在大气层中将遇到各种成分并与之相互作用，使其一部分能量被反射回宇宙、一部分被吸收、一部分被散射。1.大气的吸收作用大气的主要吸收物质是氧气（O2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）及二氧化碳（CO2）。氧吸收波长小于0.2μm的紫外线。波长低于0.29μm的短波几乎被臭氧全部吸收，当波长超过0.29μm后，臭氧的吸收减少，直到0.35μm，之后就没有吸收了。1.大气的吸收作用图2-9太阳在大气中的入射路径2.太阳高度角与方位角如果忽略地球表面的曲率和大气折射的影响，则根据图2-9可以直接导出大气质量m的以下近似计算式式中，θz为天顶角；αs为太阳高度角。当αs=30°时，计算得的大气质量值与观测值非常近，其误差在0.01；而当αs<30°时，由于地面曲率和折射影响增大，计算结果误差较大。当θz

=0°时，太阳在天顶，m=1；当θz

=60°时，m=2。太阳高度角αs越小，m越大，地面受到的太阳辐射越少。在太阳辐射计算中，经常取m=1.5时的太阳辐射光谱作为典型工况。2.大气散射作用大气对太阳辐射的散射过程是由于太阳辐射作为电磁波射入大气层中时，与大气中的空气分子、水汽和尘粒发生相互作用假设散射粒子的线度远小于入射光的波长，根据瑞利散射（T.B.Rayleigh，1871）定律，有：式中：I0为入射光的辐照度，W/m2；Iθ为在（r，θ）处散射光的辐照度，W/m2；λ为波长，μm；r为观测点到散射中心的距离，m；θ为散射角，即入射光线与散射光线之间的夹角，°；α为粒子极化率，m³2.大气散射作用散射与吸收不同，它不会把辐射能转变为粒子热运动的动能，而仅仅改变辐射的方向使直射光变为漫射光，甚至使太阳辐射逸出大气层而不能到达地面。散射对辐射的影响随散射粒子的线度而变，一般可分为两种。（1）分子散射，散射粒子小于辐射波长，散射强度与波长的四次方成反比。大气对长波光的散射较弱，即透明度较大，而对短波光的散射较强，即透明度较小。（2）微粒散射，散射粒子大于辐射波长，随着波长的增大，散射强度也增强，而长波与短波间散射的差别也愈小，甚至出现长波散射强于短波散射的情况。2.大气散射作用图2-10瑞利散射和大气吸收对光束辐照度光谱分布影响的示例

2.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算对于直射辐射的大气透明度τb的定义为，式中，Gon大气层外垂直于光线的平面上的辐照度，可由式（2-5）计算；下标T表示某倾斜平面；直射辐射的大气透明度可由下式计算，即式中a0，a1和k是针对具有23km能见度的标准晴空大气的常数。当海拔高度小于2.5km时，可首先算出相应的a0*，a1*和k*，再通过考虑气候类型的修正系数r0=a0/a0∗，r1=a1/a1∗和rk=k0/k0∗，最后求出a0，a1和k0，a0*，a1*和k*的计算公式为：2.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算式中A为海拔高度，单位是km。修正系数由表2-4给出。表2-4考虑气候类型的修正系数气候类型r0r1rk亚热带0.950.981.02中等纬度，夏天0.970.991.02高纬度，夏天0.990.991.01中等纬度，冬天1.031.011.002.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算对于散射辐射，相应的大气透明度为τd=Gd/Go=0.2710−0.293τb（2-25）G0：大气层外水平面上的太阳辐射，可由式（2-15）计算。利用标准晴空大气透明度的计算模型（下标c表示晴空，clear-sky）﹐可以求出晴天时法向平面上的辐照度，Gcnb=Gonτb

（2-26）式中τb--晴天，直射辐射的大气透明度，可用式（2-20）～式（2-23）计算；Gon--大气层外，垂直于辐射方向上的太阳辐照度，W/m2，可由式（2-5）计算；Gcnb--晴天，垂直于辐射方向上的直射辐照度，W/㎡。2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解表征天气晴朗程度的另一个指标是晴空指数，该指数在太阳辐射的估算中经常用到，经常借助该指数把总辐射中的直射辐射与散射辐射分量估算出来。月平均的晴空指数KT是水平面上月平均日辐射与大气层外月平均日辐射之比KT=H/H0（2-30）相应地能定义一天的晴空指数KT，它是某天的日辐照量与同一天大气层外日辐照量之比。KT=H/H0（2-31）2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解一小时的晴空指数kT和kT,c，则分别为kT=I/I0（2-32）kT,c=I/Ic（2-33）晴空指数中的H，H和I是用总辐射仪在水平面上实测的辐照量；H0，H0和I0可用式（2-15）~（2-17）计算﹐Ic可用例2-6中提供的方法计算，这里把Ic也看做计算的基础数据。把水平面上的总辐射分解成直射辐射和散射辐射的两个分量，在太阳能应用中具有实际意义。比如，将水平面上的辐射数据转换到倾斜平面时，要求对直射辐射和散射辐射作分别处理。2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解（2-34）（2-35）分解方法的实质，是在大量统计实验数据基础上建立散射辐射的百分率与晴空指数之间的相关关系式。下面介绍与四种晴空指数相对应的四种关系式。（1）kT=I/I0与Id/I的关系式2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解（2-36）（2-37）2.3.4已知日总辐射，估算小时辐射量（2-39）（2-38）2.3.4已知日总辐射，估算小时辐射量小时散射辐射与全天散射辐射之比rd，用下式计算（2-40）2.3.5倾斜表面上的辐射量（1）.倾斜面辐射量的计算图2-11散射辐射组成示意图2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-41）散射辐射由三部分组成。（1）天空散射辐射，来自整个天穹。（2）环日散射辐射，由太阳辐射的向前传播时的散射引起，集中在太阳光束周围。（3）地平线增亮散射辐射，集中在地平线附近，在空旷地带（沙漠、戈壁、草原等）晴天时最为明显。入射太阳辐射包括直射辐射、来自天空的散射辐射以及从倾斜表面“看到”的各个表面反射的辐射。该倾斜表面上的总入射辐射可写为：其中下标iso、cs、hz和refl分别指天空、环日、地平线和反射辐射。2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-42）对于面积为Ac的表面（采光面），总入射辐射可以用水平表面上的直射和散射辐射以及反射到倾斜表面的表面上的总辐射来表示。方程2-41中的项变为第一项是直射部分。第二项是天空散射辐射项，包括天空面积As（未知面积）和从天空到斜面的角系数Fs−c的乘积。第三项是环日散射，它被视为来自与直射相同的方向。第四项是来自具有另一个未定义区域Ahz的地平线散射。第五项是来自倾斜表面所能“看到”的建筑物等的反射辐射流的集合。i指的是每个反射流：Ii是入射到第i个表面的太阳辐射，ρi是该表面的反射比，Fi−c是从第i个表面到倾斜表面的角系数。2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-43）（2-44）式（2-42）可以通过交换面积和角系数写成更实用的形式。这消除了未知面积As和Ahz。由于面积Ac出现在方程的每一项中，Ac可以消去，得到如下公式当IT确定后，就可以确定倾斜表面上的总辐射与水平面上的总辐射之比。根据定义，2.水平面与倾斜面上辐照量的比例因子（2-45）图2-12水平面和倾斜面上的直射图2-12上分别表示出直射辐射在水平面和倾斜面上的入射角，水平面上的入射角为θz，倾斜面上为θ。倾斜面和水平面上接受到的直射辐照量之比，称为比例因子Rb，可用下式计算2.水平面与倾斜面上辐照量的比例因子2.4建筑表面所得太阳辐射的估算建筑围护结构外表面，包括墙面、窗户和屋顶，直接或者间接接收到太阳辐射，这些建筑表面所得太阳辐照量的计算是太阳能利用和建筑能耗分析的重要内容。在本节通过一个简单的例子，来说明建筑表面所得太阳辐射的估算方法。如图2-13所示，建筑墙面与水平面之间的倾角β为90°，屋顶为坡屋顶，倾角为60°，建筑表面和水平面到的直射辐照量之比为修正因子由式（2-45）计算得到。假设散射辐射各向同性，当建筑表面为垂直平面（竖直墙面或者窗户）时，计算太阳散射时平面对天空的角系数Rd=（1＋cosβ）/2，则可得Rd=0.5；对地面反射的角系数Rρ=（1-cosβ）/2，则可得到角系数Rd=0.52.4建筑表面所得太阳辐射的估算图2-13建筑的外表面的围护结构2.5太阳辐射的测量太阳辐射测量的基本原理是，将入射到测量仪器特制受光面上的太阳辐射能全部吸收，使之转换为其他某种形式的能量并进行检测。鉴于太阳辐射有总辐射、直射辐射和散射辐射之分，所以测量太阳辐射的仪器也各不相同，有总日射表、直接日射表等几类.1.直接日射表直接日射表是用于测量太阳直射辐射的仪器。带有准直管准直管的作用有两个：一是为瞄准太阳，二是为限定视角。直射表测得的太阳辐射包括了日面周围的散射辐射，即环日散射辐射，而日面本身的视场角仅为0.5o。2.5太阳辐射的测量直接日射表可分为绝对和相对两类。绝对直接日射表无需参考源或辐射器，就能将太阳直射辐照度确定出来；绝对直接日射表均使用腔体作为辐射接收器。相对直接日射表，需要通过与绝对仪器相对照，才能求出具体的灵敏度（换算系数）。相对直接日射表均使用热电堆作为感应元件。2.5太阳辐射的测量（a）直接日射表2.总日射表总日射表是用于测量太阳总辐射的仪器，它是用途最广泛的太阳辐射测量仪器。将总日射表水平放置，可测量水平面上的太阳总辐照度；将总日射表倾斜放置，可测量倾斜面上的太阳总辐照度；将总日射表翻转过来放置，可测量地面反射辐照度；将总日射表用遮阳环遮去太阳直射辐射，可测量太阳散射辐照度，如图2-14（c）所示。总日射表按其感应面的种类，可分为全黑型和黑白型两类。通常，全黑型总日射表的性能要优于黑白型总日射表。2.总日射表（c）散射辐射表图2-14常用的太阳辐射测量仪2.6太阳能资源分布2.6.1世界各地太阳能资源分布根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。北非地区是世界太阳能辐照最强烈的地区之一。中东几乎所有地区的太阳能辐射能量都非常高。南欧的平均太阳年辐照总量超过7

200

MJ/m2。美国也是世界太阳能资源最丰富的地区之一。澳大利亚的太阳能资源也很丰富。全国一类地区太阳年辐射总量为7621~8672MJ/m22.6.2中国太阳能资源分布图2-15世界太阳能分布图等级太阳能条件水平面上年太阳辐照量/[MJ/（m2·a）]年日照时数/h地区Ⅰ资源丰富区（资源极富区）6700-83703200~3300宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西Ⅱ资源较富区（资源丰富区）5400~67003000~3200冀西北、京、津、晋北、内蒙古及宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南Ⅲ资源一般区（资源较富区）5090~54002200~3000鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘肃东南、粤南4200~50001400~2200湘、桂、赣、江、浙、沪、皖、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江Ⅳ资源欠缺区（资源一般区）＜42001000~1400川、黔、渝表2-7中国太阳能资源区划带太阳能建筑一体化原理与应用第3章太阳能的吸收与透射上海理工大学环境与建筑学院3.1物体的辐射特性1、发射率的定义

实际物体表面与在同温度下黑体表面发射的辐射能之比称为发射率(Emittance)(也称发射比或者黑度，即接近黑体的程度)。根据辐射能与方向和波长有关，可引伸出四种不同含义的发射率。单色定向发射率：

（3-1）3.1.1实际物体的发射率3.1.1实际物体的发射率

单色半球发射率(MonochromaticHemisphericalEmittance)---波长一定，在整个半球面上的辐射强度与同温度下黑体半球方向的辐射强度之比。

半球发射率(可简称发射率)(HemisphericalEmittance)—在整个半球面上，全波长范围内的总辐射强度与同温度下黑体总辐射强度之比。（3-2）3.1.1实际物体的发射率2、灰体与漫发射表面

假定某物体表面的光谱发射率不随波长发生变化，则这种物体称为灰体。

工程实践中，如果参与辐射传热的温度低于2000K，此时实际物体在红外波段内范围内的可近似视为灰体。

如果物体发射的定向辐射强度与方向无关，则成为漫发射表面。

如果某表面的辐射特性，除了与方向无关，还与波长无关，则称为“漫灰表面”。3.1.2物体的吸收比1、

吸收比的定义

材料表面的吸收比(SurfaceAbsorption)是入射的辐射能被表面所吸收的比率，基于入射辐射能的特点，可定义四种吸收比。

（3-3）

3.1.2物体的吸收比1、

吸收比的定义

半球吸收比(HemisphericalAbsorption)(简称吸收比)----整个半球面上、全波长范围内入射的辐射能被表面吸收的比率。在全波长范围内积分可得：（3-4）3.1.2物体的吸收比2、发射率与吸收比的关系根据基尔霍夫定律，物体表面的单色定向发射率等于同一温度下的单色定向吸收比，即：表3.1基尔霍夫定律的三个层次层次数学表达式成立条件光谱、定向无条件光谱、半球漫射表面全波段、半球与黑体辐射处于热平衡或漫灰表面3.1.2物体的吸收比3、吸热材料的吸收比与入射角度的关系

在多数情况下，太阳能集热器使用的吸热表面的太阳能吸收比与入射角度的角度是有关的，但其函数关系通常是缺失的。普通黑色表面(如用于太阳能集热器)的太阳能吸收比是入射角的函数。

3.1.2物体的吸收比4、常用材料的太阳能吸收比和发射率材料人的皮肤（某种白种人）0.620.970.64白漆（涂在金属底板上）0.210.960.22黑漆（涂在金属底板上）0.970.971灰漆0.750.950.79白纸0.25~0.280.950.26~0.29冰（在薄雪覆上）0.310.96~0.970.32雪（新）0.130.820.16雪，冰球0.330.890.37白细砂0.450.840.54白石膏0.070.910.08石灰砂浆（白色，粗糙）-0.87-0.82-3.1.2物体的吸收比4、常用材料的太阳能吸收比和发射率材料红砖0.550.920.60石棉水泥板0.590.960.61磨光大理石0.50~0.600.900.61平板玻璃-0.88-0.94-木材-0.80-0.90-粗混凝土0.600.970.62混凝土0.600.880.68沥青道路0.93--沙漠表面0.750.900.83干犁翻地0.75-0.800.900.83-0.89一般菜园0.700.900.783.1.3物体表面反射比1、

反射比的定义

一般来说，给定表面在特定方向上的反射强度大小是入射辐射的波长和空间分布的函数。反射比的定义如下：（3-6）图3-2反射函数的坐标系

当光束从µi，ϕi方向入射到表面上，能量通量为Iλ,i，µi，Δωi，分子是µr，ϕr方向上反射强度，如图3-2。3.1.3物体表面反射比2、常见的几种反射表面

物体的反射表面可以有三种不同的类型：镜面反射表面、漫反射表面、混合型反射表面，如图3-3所示。图3-3物体表面的反射示意图3.1.3物体表面反射比2、常见的几种反射表面反射辐射存在两种特殊分布：

一种是镜面反射，即入射角与反射角相等，入射光束与反射光束沿着反射平面的法向对称；

另一种是漫反射，反射辐射均匀地分布在所有方向上。

实际物体表面的反射既不是镜面反射，也不是漫反射。3.1.3物体表面反射比3、物体的吸收比、反射比、发射率之间的关系

对于不透明表面，对于特定波长和方向的入射能量来说，根据基尔霍夫定律和能量守恒定律，可以得出：(3-7)

因此，已知单色定向反射比就可以计算得出单色定向发射率和单色定向吸收比。3.1.3物体表面反射比3、物体的吸收比、反射比、发射率之间的关系

对于一个不透明的表面，对于半球方向的辐射能量，单色或是全波段，根据能量平衡定律，入射辐射，要么被吸收，要么被反射，即(3-8)(3-9)和上海理工大学环境与建筑学院3.2

透明材料的透射3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比图3-4自然光示意图

光是一种电磁波。电磁波是一种横波，所以光波中光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直。

偏振光是指在垂直于光传播方向的平面内，各方向光振动的振幅不相等，甚至在一些方向上为0。

自然光，也就是非偏振光，如图3-4所示。3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比图3-5与光传播方向的光矢量

自然光一般用两个互相垂直的光振动来表示，如图3-5所示。(a)光实际在各个方向的分量

(b)

用两个互相垂直的光分量来表示

当入射角达到某一特定值（布儒斯特角），反射光有可能成为完全偏振光。因而，必须对太阳辐射的反射和折射作偏振处理3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

（3-10）（3-11）（3-12）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

图3-6角度和折射率关系（3-13）

3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

太阳能利用和建筑中，应用最广泛的透明材料为玻璃。每层玻璃有两个界面，从而导致反射损失，造成透射比的降低。在非垂直入射时，界面上反射的辐射对于每个偏振分量都是不同的图3.7一层玻璃的透射比3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比（3-16）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

（3-17）

角标r表示，这是只考虑反射损失而没有考虑吸收损失的透射比。3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比若透明盖层由相同性质的N层玻璃组成，类似分析可以得到：（3-18）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

在平均折射率为1.526在太阳光谱中，对于非吸收性玻璃，用上面的方法计算所有入射角的太阳透过率，可以绘制出一条变化曲线。图3-8给出了一到四层玻璃的结果。

3.2.1直射辐射透射比计算2、只考虑吸收时的透射比

太阳辐射通过透明材料时，除了有反射损失外，还存在吸收损失，即材料吸收部分辐射而使透过的能量降低，简称由于吸收引起的透射比。

根据Bouguer定律，被吸收的辐射量与介质中当地辐射量I和辐射经过介质的距离成正比：

K称为透明材料的消光系数（ExtinctionCoefficient），在太阳光谱内假设为常数。3.2.1直射辐射透射比计算2、只考虑吸收时的透射比

（3-19）

采用相同性质的多层玻璃时，不用考虑中间空气层的吸收，只要把各层玻璃的厚度总加起来代入上式即可。3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

（3-20）（3-21）（3-22）3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

（3-23）

3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

图3-9是1-4层玻璃，考虑了吸收和反射共同作用引起的透射比。采用一种玻璃KL为0.0370，图上横坐标为入射角。曲线由式（3-23）计算得到，但都经过实际验证。图3-9三种玻璃1，2，3和4层的透射比（考虑吸收和反射）3.2.2散射辐射透射比计算1、散射辐射的透射比图3-10各向同性天空散射辐射和地面反射散射辐射的等效入射角

阴影区包括各种各样的玻璃窗。上沿的曲线是没有内部吸收的单层玻璃，而下面的曲线代表消光长度KL=0.0524的双层玻璃。

地面反射的散射辐射等效角，如图3-10中所示的虚线，由下式给出对于天空散射辐射的等效角上海理工大学环境与建筑学院3.3太阳能建筑中典型装置吸收的太阳能3.3.1平板集热器吸收的太阳能

平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，平板集热器已广泛应用于生活用水加热、建筑物采暖等诸多领域。

平板集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热材料和外壳等几部分组成，如图3-11所示。图3-11平板集热器结构图3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积图3-12太阳辐射经玻璃盖板到吸热面的吸收情况

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积（3-28）

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积

层数KL=0.0125KL=0.0370KL=0.052410.150.150.1520.230.220.2130.280.250.2440.310.270.25

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积（3-29）

3.3.1平板集热器吸收的太阳能2、透射比-吸收比乘积与入射角度的相关性

3.3.1平板集热器吸收的太阳能3、平板集热器吸收的太阳能

根据上面分析，吸热面实际接受到的太阳辐射能S就可以通过下式计算，（3-30）3.3.1平板集热器吸收的太阳能

（3-31）3.3.1平板集热器吸收的太阳能

玻璃层数10.270.210.1320.150.620.120.530.090.4030.140.450.750.080.400.670.060.310.53表3-3公式（3-31）中的常数3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收1、空腔接收器的有效吸收比

一些太阳能应用中太阳辐射被吸收在空腔里而不是在平面上，建筑房间其实就相当于一个空腔。采光面上没有盖板时，空腔的有效吸收比，也就是被空腔吸收的入射辐射的比例，是空腔内表面吸收比、空腔采光口与空腔内表面面积之比的函数。近似为：（3-32）

3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收2、房间对太阳辐射的吸收

通过窗户进入的太阳辐射对房间热环境有很大的影响。房间吸收的太阳辐射份额与采光面玻璃层的透射比需要考虑玻璃透射的影响。同时，由于相比于开口的空腔，采光口上的玻璃透射比小于1.0，因此通过采光口透射出去的辐射会少一些，房间的有效吸收比计算也要做相应修改。方程（3-32）修改为（3-33）

3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收2、房间对太阳辐射的吸收

可见，考虑到房间内表面的吸收和反射以后，对于这种极限窗墙比的情形，最后的吸收比仍然为窗户透射比的89%；考虑到窗框等不透明部件的影响，即使整面外墙都是窗户，透明部分所占比例一般最大也就70%，这时计算所得房间的吸收比为窗户透射比的92%。因此，在近似计算时，房间的吸收比可直接取窗户透射比的92%-95%。上海理工大学环境与建筑学院3.4光谱选择性吸收涂层3.4.1光谱选择性涂层的原理

图3-14描述光谱选择性的概念示意图图3-15理想选择性表面3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

光谱选择性吸收涂层有多种制备方法，如：喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发沉积法等。1.电化学沉积法

电化学沉积法即常规电镀法。将被加工部件置于含有所沉积元素的离子溶液中，溶液极板为正极，所镀金属部件为负极。薄膜的生成速度决定于电镀溶液的组成、溶液温度和电流密度，最后由控制电镀时间控制薄膜生成厚度，由控制部件表面电场分布的均匀性控制薄膜生成厚度的均匀度。电镀法一般只能制作中等吸收-发射比的涂层。

电镀法的优点是：电镀材料可以有多种选择，工艺成熟，生产效率高，成本低廉，可做大工件电镀层，可进行连续生产

缺点是：无法在介电质材料上沉积涂层，个别工艺需用剧毒药品。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

电镀黑镍，具有良好的光谱选择性能，近年来发展很快，已在太阳能热水器上得到大量使用。其吸收比为0.88~0.94，发射率为0.05~0.07，其耐热温度为200-280℃，在310℃的空气中，其性能变得不稳定。所以，电镀黑镍一般只用于中低温太阳能热水器。某电镀黑镍光谱反射比曲线如图3-16所示。图3-16镀镍钢基底表面上双层黑镍的光谱反射比曲线3.4.2光谱选择性吸收表面的制作2.化学转换着色法

化学转换着色法是采用化学方法，在待加工部件表面生成很薄的光谱选择性涂层。它们通常是金属氧化物和硫化物，可以采用浸渍处理或喷涂处理制备。化学转换着色法只能制作中下等级的吸收-发射比涂层。

化学转换着色法的优点是：工艺设备简单，操作方便，生产效率高，成本低廉，可做大工件处理，可进行连续生产；

缺点是：涂层厚度有时不够均匀，个别工艺需用剧毒药品。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

黑铜是目前在太阳能热水器中使用最多的一种光谱选择性吸收表面，可以采用很多工艺方法进行制作，最常用的是化学转换着色法。

黑锌也是常用的选择性涂层，制作黑锌涂层的基本工艺流程是，首先在基底材料表面电镀锌，然后再用化学转换着色法或阳极氧化处理，得到具有光谱选择性吸收的黑锌涂层。图3-17在钢基底材料的镀锌表面上，用阳极氧化处理的黑锌涂层的光谱选择性能3.4.2光谱选择性吸收表面的制作3.涂刷法

涂刷法借助于喷涂设备，将制成的选择性涂料均匀涂布在太阳辐射接收表面。

涂刷法的优点是：工艺极为简单，可大面积涂布，易于推广，成本低廉；

缺点是：涂层与基底材料结合性差，涂刷难以做到十分均匀。

目前，市场上有一种太阳能涂料，其太阳辐射吸收比为0.92，红外发射率为0.28，制作成平板集热器吸收涂层，测试结果表明性能良好，可在150℃以下长期使用。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作4.真空蒸发沉积方法

真空蒸发沉积法是利用物质在真空室中加热蒸发的原理，将选定的物质沉积到需要制作涂层的表面。物质的蒸发速度决定于加热温度和真空室的真空度。

真空蒸发沉积法的优点是：除去易分解物质，能将各种材料蒸发制成涂层，能制备高反射比或高吸收-发射比的涂层，并能准确地掌握工艺参数和涂层厚度；

缺点是：工件尺寸受真空室大小的限制，只能间歇操作，制作成本高。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作5.高频磁控溅射法

高频磁控溅射法就是在真空条件下，阴极和阳极之间加上正交磁场，从阴极发射的电子受到磁场的作用，增大行程，撞击工作气体氯气，使其电离。电离后的氯气正离子在强电场作用下轰击靶材，从而溅射出大量的金属原子，沉积在置于靶材附近的底材表面，形成选择性吸收涂层。目前市售的专用磁控溅射镀膜机，已可方便地用于大规模工业生产，工艺成熟，成本低廉。上海理工大学环境与建筑学院3.5光谱选择性吸收涂层3.5.1波长对玻璃透射比的影响

以上几节是按材料的透射与波长不相关来计算的，实际上大多数透明材料对光线的透射能力与入射辐射的波长有关，如图3-18所示给出了玻璃透射比的光谱分布。图3-18正常入射时，含不同氧化铁含量的6mm玻璃的光谱透过率3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层

为了透明盖层的太阳能透射比尽可能高，以便让更多的太阳能透射进来；同时希望吸热体发出的热辐射尽可能多的被透明盖板反射回来，以便减少向环境散热。为此光谱选择性透过涂层应运而生。1、太阳能集热装置的选择性透过涂层的工作原理

图3-19光谱选择性透过涂层的概念示意图2、光谱选择性透过涂层的制作1）二氧化锡（SnO2）：其是N型宽带隙半导体

二氧化锡涂层的光学性能与其电导率具有密切关系，通常电导率越高，则其长波段反射比越大，但是在太阳辐射波段透过率有所下降，如图3-20所示。二氧化锡可用喷涂、化学气相沉积（CVD）以及反应性溅射等工艺制备。图3-20二氧化锡透过涂层的光谱选择性能3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层2、光谱选择性透过涂层的制作2）三氧化二铟(In2O3)：其是简并本征N型半导体，三氧化二铟可用热解喷涂方法制备，也可用直流溅射工艺制备，但对大面积膜来说CVD工艺更为适用。由喷涂热解制备的掺锡二氧化铟涂层，是很好的透明导体，其太阳辐射波段的透射比为0.85~0.90，而其红外波段的反射比为0.90~0.93。3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层2、光谱选择性透过涂层的制作3)锡酸镉(Cd2SnO4)：其为N型缺陷半导体，具有良好的透光性能，其表面涂层可以通过热解喷涂法和溅射沉积法制备。采用射频溅射沉积法制备的Cd2SnO4薄膜，太阳辐射透射比为0.78，红外发射率为0.1。3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃

为了采光、美观等方面要求，建筑中大量使用玻璃门窗和幕墙。与太阳能集热装置主要保证集热装置运行期间的高效率不同，建筑玻璃门窗和幕墙需要承担更多的功能，常用的门窗玻璃幕墙光学热工性能指标有如下几个：1）可见光透射比，采光是建筑的基本功能，采光性能用可见光透射比来表示。2）太阳光总透射比，通过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙构件上的太阳辐射照度的比值。3）遮阳系数，其含义为在给定条件下，玻璃、门窗或玻璃幕墙的太阳光总透射比。4）传热系数，两侧环境温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积门窗或玻璃幕墙的热量。3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃

为了实现这些功能，人们研发了多种新型节能玻璃，以满足采光、隔热保温、遮阳和美观等要求。1.低辐射镀膜玻璃

低辐射玻璃(Low-E玻璃)是在玻璃表面涂以银等金属薄膜或SnO2等金属氧化物、铟锡合金等导电膜，这种极薄厚度的低辐射膜层对波长2.5~40μm范围的远红外线有较高的反射能力。

图3-21为某在线低辐射镀膜玻璃的光谱特性曲线。与普通玻璃相比，它大幅度提高了在远红外波段的反射率，可以将80%以上的红外热辐射反射回去图3-21低辐射玻璃对不同波长光的透射比和反射比曲线