遮阳织物的光学性能测试yd19128
陶勤练，岳鹏，王伶 上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海201108
收稿日期：2015-03-19
基金项目：上海市建筑建材业科研项目(建管2014-001-003)
作者简介：陶勤练(1987-)，男，湖南武冈人，硕士，主要从事建筑遮阳技术、建筑节能检测方面的研究。
现代纺织技术 2015/6；25-29
【摘要】为研究织物遮阳隔热和调节室内光线的能力，采用测量范围为190~3300nm的分光光度计对遮阳常用织物的光学性能进行了测试，对比了在不同开孔率下，黑、白两种织物的紫外线透射比、太阳光直接透射比、太阳光直接反射比、可见光透射比以及相对窗位置不同时织物的遮阳系数，同时提出织物本身遮阳系数的计算方法。结果表明：平纹与斜纹织物的遮阳效果差别较小；随着开孔率的增加，织物的遮阳效果降低；织物作为外遮阳使用时具有最佳的遮阳效果，中间遮阳次之，内遮阳时遮阳效果最差；织物的颜色对织物光学性能影响很大，从节能的角度，深色织物宜用在室外遮阳，而浅色面料宜用在室内遮阳和玻璃中间遮阳。
【关键词】遮阳织物；光学性能；遮阳系数；开孔率；颜色
【中图分类号】TS107.7 文献标志码：A 文章编号：1009-265X(2015)06-0025-05
近年来，由于人们对室内舒适性的要求提高以及环保意识的逐渐加强，普通窗帘逐渐向遮阳窗帘转化，越来越重视窗户的遮阳隔热和调节室内光线的功能。遮阳对降低建筑能耗，提高室内居住舒适性有显著的效果，作为一种有效的建筑节能技术受了政府部门的大力支持，许多企业抓住商机，市场上出现了多种室内外遮阳帘[1]。我国自2014年3月1 日起实施JG／T 423-2013《遮阳用膜结构织物》[2]、JG／T 424-2O13《建筑遮阳用织物通用技术要求》[3]，对遮阳织物的光学性能有了明确的要求，用太阳光、紫外线、可见光的透射比、反射比、吸收比和遮阳系数来表征织物的光学性能。
在织物的光学性能测试方面，朱航艳等[4]、杨璧玲等[5]研究过纺织品抗紫外线的性能，测试分析了纤维原料、组织结构、颜色、干湿状态等因素对织物抗紫外线性能的影响，张宝国等[6]测试多种不同材料、结构的织物的红外反射性能，但仅局限于对紫外光、可见光或红外光谱的单一测试，且存在测试仪器准确度低、测试慢的问题。人们对功能性织物的测试与评价，更倾向于在整个太阳光谱内综合评价织物的反射、吸收和透射性能[7]。遮阳系数一般表示实际通过试样的热量与通过厚度为3mm厚标准玻璃的热量的比值，不但包括太阳光(300~2500nm)光谱穿透玻璃进入室内，还包括玻璃二次热传递的能量，可以很好地代表遮阳织物的光学性能。
本文利用珀金埃尔默股份有限公司生产的Lambda950分光光度计，在190~3300nm宽光谱范围内，测量在不同开孔率下，黑、白两种织物的透射、反射光谱，根据光谱计算织物的紫外线透射比、太阳光直接透射比、太阳光直接反射比、可见光透射比以及与窗的相对位置不同时织物的遮阳系数，同时提出织物本身遮阳系数的计算方法，以期为遮阳织物的开发与应用以及性能评价提供参考依据。
1 实验方法
1.1 测试仪器
珀金埃尔默股份有限公司的Lambda 950分光光度计，系拥有双光束、双单色器系统比率式的分光光度计，装配了预校准并可自动切换的碘钨灯与氕灯，以及高灵敏度光电倍增管接收器。由于织物表面不平整，有较多漫、散射光，故在测试光透射和反射时采用积分球收集各方向的光线，扫描波长范围为220～2500nm，扫描波长间隔设置为5nm，扫描速度为700nm／min，可实现纺织品在宽光谱范围的光反射、透射性能的测量，具有测量速度快、精度高的特点。
1.2 测试方法及计算原理
按照JG／T 356-2012{建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》[8]，在太阳光谱区域内，利用分光光度计，测试透过纺织品的光通量与透过相同厚度的空气层的光通量之比、反射的光通量与参比白板反射的光通量之比，再采用标准太阳辐射相对光谱分布进行加权，就可以计算被测试样的在光谱内的透射比、反射比，如可见光透射比按照式(1)计算。紫外区的波长范围为280~380nm，可见区为380-780nm，太阳光区为35O～1800nm。
式(1)中 为可见光透射比， 为标准光源的相对光谱功率分布，r(λ)为测试的光谱透射数据， V(λ)为人眼的视见函数，△λ为波长间隔。
遮阳系数越小，表示遮阳效果更佳。在JG／T 356-2012《建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》[8] 中遮阳系数定义等于织物与窗组合体的太阳能总透射比除以窗的太阳能总透射比，因此在计算遮阳织物与遮阳门窗组合的位置不同或者门窗种类不同，就有不同的太阳能总透射比，遮阳织物也有不同的遮阳系数。当遮阳织物处于玻璃窗外侧时组合体的太阳能总透射比guv 按照式(2)和式(3)计算：
当遮阳织物处于玻璃窗内侧时组合体的太阳能总透射比按式(4)和式(5)计算：
当遮阳织物处于两层玻璃之间时组合体的太阳能透射比按式(6)和式(7)计算：
式(2)～式(7)中，Λ1为遮阳织物的传热系数，可取6W／(m2·K)，Λ2为遮阳织物与窗之间空气层的传热系数，可取18W／(m2·K)，Λ3为封闭问层中遮阳帘的传热系数，可取3w／(m2·K)，Uω为窗的传热系数，g为窗的太阳光透射比，τs、ρs、αs 分别为遮阳织物太阳光透射比、太阳光反射比、太阳光吸收比。为了便于对比，在计算时统一采用采用双层透明玻璃窗，设定其太阳光透射比g为0.75，窗的传热系数Uω为3.0W／(m2·K)。
1.3 遮阳系数测试方法的增加
按照1.2的计算方法，在对比不同织物的遮阳系数时，还需要指明配套使用的窗和相对窗的位置，不能代表织物本身的遮阳系数，因此需要增加一种对织物本身遮阳系数的测试方法，推荐参照GB／T2680-1994{建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》[9]计算织物的遮阳系数，计算过程简单，得出的结果直观，可以方便不同织物间性能的比较。
各种遮阳织物对太阳辐射热的遮阳系数用式(8)计算：
式(8)中：gs为遮阳织物的太阳光能总透射比，等于试样的太阳光直接透射比加上试样向室内侧的二次热传递系数qi; τs为3mm厚普通透明平板玻璃的太阳能总透射比，其理论值取88.9%。二次热传递系数按下式(9)、式(10)计算：
式(9)、式(10)中：h 为遮阳织物内侧表面的热传递系数，w／(m ·K)，hi为遮阳织物外侧表面的热传递系数，取23W／(m2·K)，he 为织物室内面的半球辐射率。按照该计算方法，只需要测试遮阳织物的太阳光直接透射比和室内面的半球辐射率即可计算出遮阳织物的本身的遮阳系数SC，此遮阳系数与窗的相对位置无关，也与窗的光学性能无关，是遮阳织物本身的固有属性，可与JG／T 356-2012<建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法>中规定的方法一起使用。
1.4 实验样品
在此次测试中，选用了遮阳帘中最常用的高效聚酯的平纹和斜纹织物，厚度为0.4mm，开孔率分别为1 %、3%、5%、10%，图1和图2分别为开孔率为5%的黑色平纹织物和白色斜纹织物放大后的结构图。样品在环境温度为2O℃，相对湿度为65%的实验室内进行调湿。
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图1 开孔率5%的黑色平纹织物 |
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图2 开孔率5%的白色斜纹织物 |
2 实验结果与分析
2.1 实验结果
按照1.2的测试计算原理，得到了各织物的光学性能。图3和图4分别是利用Lambda950分光光度计测试开孔率5%的平纹织物在紫外至近红外波段的透射和反射光谱曲线。从光谱曲线中可以清楚地了解该织物在紫外、可见以及近红外区域上透射比和反射比实际情况。从图3和图4中可以看出，白色织物在紫外短波段的透射率很低，在可见光波段透射率逐渐升高，在相同的开孔率下，白色织物的太阳光透射比和反射比远大于黑色织物，且对光是选择性的透射与反射，各波段反射、透射比例有很大不同，而黑色织物对当照射各种波长的入射光都吸收。
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— — 黑色织物， — — 白色织物 |
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图3 开孔率5％的织物透射光谱 |
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— — 黑色织物， — — 白色织物 |
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图4 开孔率5％的织物反射光谱 |
为定量分析遮阳织物的光学性能，通过列表的方式进行表达。表1为平纹织物的光学性能，表2为斜纹织物的光学性能。在表1和表2中，τuv、τv分别为遮阳织物的紫外线透射比、可见光透射比。SCW、SCN、SCZ分别为按照1.2的方法计算的当遮阳织物处于玻璃窗外侧时、玻璃窗内侧时、两种玻璃之间时织物的遮阳系数，SC为采用1.3增加的方法计算的织物本身的遮阳系数。
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表1 平纹织物的光学系数 |
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表2 斜纹织物的光学系数 |
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2.2 讨论
从表1和表2中可以看出：
a)随着开孔率的增加，织物的紫外线透射比、可见光透射比、太阳光透射比、遮阳系数也随之增加，而太阳光反射比和太阳光吸收比随之减小。
b)同种纤维材料的织物平纹织法和斜纹织法对织物的遮阳效果影响较小，在相同位置使用时，相同开孔率的白色平纹织物和黑色织物的遮阳系数相差的最大值为0.03。
c)遮阳织物与遮阳门窗组合的位置对遮阳系数的影响非常大，外遮阳具有最佳的遮阳效果。如14号织物在处于玻璃窗外侧、玻璃窗内侧、两层玻璃之间时，遮阳系数分别为0.16、0.82、0.49，容易被不法经营者利用混淆遮阳效果。
d)作为外遮阳使用时，白色织物的遮阳系数虽然略大于黑色织物的遮阳系数，但两者的遮阳系数差距在0.1的范围之内；而作为内遮阳使用时，白色织物的遮阳系数在0.42至0.52之间，黑色织物的遮阳系数在0.82至0.85之间，黑色遮阳织物的遮阳效果明显低于白色织物；作为中间遮阳时，白色织物的遮阳系数在0.28至0.41之间，黑色织物的遮阳系数在0.49至0.55之间，黑色遮阳织物的遮阳效果也明显低于白色织物。
e)黑色的织物对可见光透射比、太阳光透射比都比较低，但对太阳光波段内的光吸收比都很高，在作为内遮阳或中遮阳使用时，吸收的光辐射热量又通过对流传热散入室内，虽然在一直程度上延缓了热量的进入，起到调整负荷高峰的作用，但最终还是会转化为室内的冷负荷，增加空调的能量消耗。白色织物一方面反射了很大一部分的太阳光，又可以让可见光透人，比如5%开孔率的白色平纹织物，可见光透射比为21.3%，而同样开孔率的黑色平纹织物，可见光透射比为7.8% ，这极有可能导致在使用黑色织物时一方面遮挡太阳光的进入，又不得不增加室内照明，消耗了电能。
3 结论
a)同种纤维材料的织物平纹织法和斜纹织法对织物的遮阳效果影响较小，可通过调整遮阳织物的开孔率以满足建筑遮阳需求。
b)织物作为外遮阳使用时具有最佳的遮阳效果，中间遮阳次之，而内遮阳的遮阳效果最差。
c)在室外遮阳领域，深色面料是最佳的选择，深色面料吸收大部分的太阳热能后将热量滞留在室外或重新散发到室外。在室内遮阳和玻璃中间遮阳领域，浅色面料是最佳选择，更能有效地反射阳光，增加可见光的投入，减少室内照明强度。
d)目前行业标准JG／T 356-2012《建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法》对织物的遮阳系数是一个随着与窗的相对位置和类型变化很大的参数，可参照GB／T 2680-1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》增加一种织物本身遮阳系数的计算方法，以避免某些织物生产企业故意混淆遮阳效果。
参考文献：
[1]涂逢祥;张震善;蔡家定.室内外遮阳帘的构造与应用[J].建筑技术;2013(12);1095-1098.
[2]JG／T 423-2013;遮阳用膜结构织物[s].北京;中国标准出版社;2014.
[3]JG／T 424-2013;建筑遮阳用织物通用技术要求[S].北京;中国标准出版社;2014.
[4]朱航艳;于伟东.纺织品抗紫外线性能与评价[J].纺织导报;2003(5);141-143.
[5]杨璧玲;罗旭平.纺织品抗紫外线性能影响因素及其测试[J].纺织导报;2014(4);88-92.
[6]张保国;徐卫林;石天威;等.织物红外反射性能的研究[J].西北纺织工学院学报;2001(6);84-93.
[7]廖小松;张丽琼;陈本永。纺织品光学性能测试方法的研究现状与发展趋势[J].现代纺织技术;2009(2);66-68.
[8]JG／T 356-2012;建筑遮阳热舒适、视觉舒适性能检测方法[S].北京;中国标准出版社;2012.
[9] GB／T 2680-1994;建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定[s].北京;中国标准出版社;1994.