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反射隔熱涂料節能降溫效果探討,系統研究了反射隔熱涂料的太陽能反射率和輻射率對建筑物表面溫度和室內溫度的影響
2020年02月05日    閱讀量:724    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

反射隔熱涂料是近年發展起來的一種新型節能材料,它是指具有較高太陽能反射率和半球輻射率,可以達到明顯隔熱效果的涂料[1]。GB/T 25261-2010中規定反射隔熱涂料的反射率≥80%,輻射率≥80%。眾所周知,太陽光主要由紫外光、可見光和紅外光組成中國建材網cnprofit.com


其中紅外光占太陽輻射能量的45%,可見光占50%,紫外光占5%。反射隔熱涂料中含有的高反射率和高輻射率的功能材料將太陽能通過反射和熱輻射的形式隔絕在建筑體外,從而達到節能降溫的目的。


實際測試證明,反射隔熱涂料對于降低被曬建筑物表面溫度和室內溫度的效果明顯[2-5]。但是反射隔熱涂料的節能降溫理論計算一直以來存在著較大的爭議。GB/T 25261-2010《建筑用反射隔熱涂料》中引入了等效涂料熱阻的概念來計算隔熱涂料的節能效果。


譚亮研究了反射隔熱涂料反射率以及墻體傳熱系數對夏季室內降溫與節能效果的影響[6]。但現有的節能計算中往往只研究反射率對節能降溫的影響,而輻射率的影響卻被忽略。此外,太陽輻射強度、風速等外界環境條件對反射隔熱涂料節能降溫效果的影響也鮮有報道。


本文針對以上存在的問題,建立了具體的研究模型,研究了反射隔熱涂料對房屋外表面溫度和室內溫度的影響,探討了兩種不同外界環境條件下反射隔熱涂料降溫效果。


1 研究模型的建立

試驗以北京夏季氣候作為研究條件,具體為室外溫度Ta=308 K(35 ℃),室外風速v=3 m/s,太陽輻射強度I=1 003 W/m2 [7]。由于建筑物屋頂的太陽輻射最大,反射隔熱涂料的作用更加明顯,更易看清變化趨勢,因而我們選取無限大建筑頂層的一個房間為研究對象,屋頂與水平面夾角不大于9.2°[8],太陽只能照射到此房間的屋頂。


屋頂外表面涂刷反射隔熱涂料,研究對象與相鄰房間室內溫度相同。屋頂的傳熱系數K=1.5 W/(m2·K),屋內其他墻體(包括地板)的傳熱系數K'=2 W/(m2·K),建筑內部溫度T'=299 K(26℃),以下模擬計算如無特殊說明均按以上條件計算。

傳熱模型如圖1所示。

反射隔熱涂料節能降溫效果探討,系統研究了反射隔熱涂料的太陽能反射率和輻射率對建筑物表面溫度和室內溫度的影響 中國建材網,cnprofit.com

傳熱模型示意圖

2 反射隔熱涂料節能降溫分析

建筑物使用反射隔熱涂料后建筑物外表面具有較高的反射率和輻射率,最直接的效果就是降低房屋外表面溫度和室內溫度。下面從房頂外表面溫度和室內溫度兩個方面來研究反射隔熱涂料的節能降溫效果。

2.1 外表面溫度Tsf

在導熱系數等于零的情況下(對流和輻射傳熱系數之和遠大于導熱系數時,導熱系數約等于零),屋頂外表面的溫度滿足式(1)關系[8]:

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式(1)中:

ρ——太陽能反射系數;

I ——太陽能輻射強度, W/m2;

ε ——屋頂輻射率;

σ ——斯特潘-波茲曼常數,5.67×10-8 J/(s·m2·K4);

Tsf ——屋頂外表面溫度,K;

Tsky ——天空溫度,K,按ISO13790-2008中11.4.6規定取值Ta-11 K;

hc ——對流傳熱系數,W/(m2·K);

Ta ——室外溫度,K。

對流傳熱系數hc按式(2)計算[10]:

hc =4 + 4v (2)

式(2)中:

v——室外風速,在本研究條件下v取3 m/s。

在給定研究條件下,屋頂外表面溫度Tsf是太陽能反射系數ρ和屋頂輻射率ε的函數,如式(3):

Tsf=f(ρ,ε) (3)

由(1)式計算可得,屋頂外表面溫度Tsf隨太陽能反射系數ρ和屋頂輻射率ε的變化如圖2所示。

屋頂外表面溫度與太陽能反射率、輻射率之間的關系

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由圖2可知,屋頂的反射率和輻射率與其外表面溫度關系密切。當屋頂外表面的反射率和輻射率升高時可以顯著降低屋頂表面溫度。在設定的條件下,屋頂外表面的反射率由0變化到1(反射率和輻射率在實際情況不可能達到0或1,這里僅用來說明變化趨勢,下同),輻射率等于0.9時,屋頂外表面溫度由348K變化到305 K,溫度下降43 K。當輻射率由0變化到1,屋頂外表面的反射率等于0.5時,屋頂溫度由339 K變化到326 K,溫度下降13 K。并且可以看出,反射率越小,屋頂輻射率的變化(ε1→ε2)對屋頂表面溫度影響越明顯;


輻射率越小,屋頂反射率的變化(ρ1→ρ2)對屋頂表面溫度影響越明顯。在設定條件下水泥基底(ρ=0.3, ε=0.95)對應的表面溫度約為335.5 K;普通涂料(ρ=0.5, ε=0.9)[7]對應表面溫度328.4 K,而反射隔熱涂料(ρ≥0.8, ε≥0.8)對應表面溫度不高于314.8K。可見屋頂使用反射隔熱涂料后表面溫度相對于水泥基底下降20.7 ℃,相對于普通涂料下降13.6 ℃。



2.2 室內溫度Ti

在傳熱模型圖1描述的研究對象中,進入房間的熱量Q為:

Q = (Tsa - Ti)· K· A (4)

式(4)中:

Q ——進入房間的熱量,W;

Tsa ——室外綜合溫度,K;

Ti ——室內溫度,K;

K ——屋頂傳熱系數,W/(m2·K);

A ——屋頂面積,m2。

房間散失的熱量Q' 為:

Q' = (Ti - T ')· K'· A (5)

式(5)中:

Q' ——房間散失的熱量,W;

Ti ——室內溫度,K;

T' ——建筑內部空氣溫度,K;

K' ——內墻(樓板)的傳熱系數,W/(m2·K);

A ——內墻(樓板)的傳熱面積(假設樓板面積與房頂面積相等),m2;

當室內外傳熱達到平衡狀態時,Q=Q'即:

(Tsa - Ti)·K·A = (Ti - T ')·K'·A (6)

得:

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由式(7)可知,在設定屋頂傳熱系數K,樓板傳熱系數K',建筑內部溫度T '的情況下,只要確定室外綜合溫度Tsa就可以計算出室內溫度。

室外綜合溫度Tsa按式(8)計算[9]:

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式(8)中:

Ta ——室外溫度,K;

α ——太陽能吸收系數;

I ——太陽能輻射強度,W/m2;

αe ——外表面換熱系數,W/(m2·K);

ΔQir ——由于室外溫度與天空溫度不同所產生的紅外輻射;

Fr ——形狀因子,按ISO13790-2008中11.4.6規定對于非遮蓋的平面屋頂取值 ——1;

hr ——輻射傳熱系數,W/(m2·K);

Δ Ta-sky ——室外溫度與天空溫度之差,按ISO13790-2008中11.4.6規定取值11 K;

外表面換熱系數αe按式(9)計算[10]:

αe = hr (9)

即外表面換熱系數等于對流傳熱系數與輻射傳熱系數之和。需要特別指出,在GB50176-93附表2.3中規定夏季外墻、屋頂外表面換熱系數αe取值19 W/(m2·K),但對于計算屋面反射率、輻射率特別是外界風速等因素對室外綜合溫度的影響時,對流傳熱系數和輻射傳熱系數變化較大,表面換熱系數不能取定值而應根據實際參數進行計算。

輻射傳熱系數hr按式(10)計算[10]:

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式(10)中Tm為天空溫度與室外表面溫度的算術平均值,即:

Tm = 0.5(Tsky + Tsf) (11)

綜合以上(7)、(8)、(9)、(10)、(11)式可得:

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在設定的條件下,室內溫度Ti是屋頂太陽能反射率ρ和輻射率ε的函數。

Ti=f(ρ, ε ) (13)

由(12)式計算可得,室內溫度Ti隨太陽能反射系數ρ和屋頂輻射率ε的變化如圖3所示。

室內溫度與太陽能反射率、輻射率之間的關系

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由圖3可以看出,屋頂外表面的反射率和輻射率與室內溫度關系密切,與對屋頂外表面溫度影響趨勢基本一致,但變化絕對值相比屋頂表面溫度較小。在設定的條件下,輻射率等于0.9時,反射率由0變化到1,頂層室內溫度由320.2 K變化到301.6 K,溫度下降18.6 K;


當反射率等于0.5時,輻射率由0變化到1,屋頂溫度由316.3 K變化到310.8 K,溫度下降5.5 K,可見屋頂外表面反射率和輻射率升高都可以顯著降低建筑物的室內溫度,并且反射率的升高對降低室內溫度的效果更顯著。在設定條件下,水泥基底建筑物(ρ=0.3,ε=0.95)對應的室內溫度為314.7 K;


普通涂料建筑物(ρ=0.5,ε=0.9)對應室內溫度為311.2 K,而反射隔熱涂料建筑物(ρ≥0.8,ε≥0.8)對應室內溫度不高于305.8 K。可見屋頂使用反射隔熱涂料后室內溫度相對于水泥基底下降8.9 ℃,相對于普通涂料下降5.4 ℃。


在圖3中,反射率較小時,輻射率變化對降溫貢獻較大,但當墻體反射率接近1時輻射率的變化對室內溫度的影響很小。在GB/T 25261-2010中對白色反射隔熱涂料的太陽能反射率要求≥80%,此時輻射率從0.5變到1,相應的室內溫度只降低1 ℃左右。


而對于深色的反射隔熱涂料其太陽能反射率一般只有50%左右,此時輻射率從0.5變到1,相應的室內溫度降低達到3 ℃左右。由此可以看出,對于淺色反射隔熱涂料應首先強調其反射率,反射率較高時輻射率變化引起的室內降溫幅度很小;而對于深色的反射隔熱涂料不僅要盡量提高其太陽能反射率,高的輻射率也是非常必要的。


2.3 不同室外條件對反射隔熱涂料降低室內溫度的影響

上面討論了在室外風速為v=3 m/s,太陽輻射強度I=1 003 W/m2的特定條件下,屋頂外表面的太陽能反射率和輻射率對室內溫度的影響。在實際情況中室外風速和太陽能輻射強度都差別很大,必然影響反射隔熱涂料降低室內溫度的效果。

2.3.1 太陽輻射強度對室內溫度的影響

我們設定屋頂外表面的輻射率為0.9,太陽輻射強度從100 W/m2變化到1 100 W/m2,其他條件與傳熱模型設定條件相同。由(12)式計算可得室內溫度與太陽能反射率和太陽能輻射強度的關系,如圖4所示。

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在圖4中,太陽能反射率一定時,室內溫度隨著太陽能輻射強度的增強逐漸升高。當太陽輻射強度為1 100 W/m2時,屋頂的反射率從0變化到1時相應的室內溫差降低約20 ℃;當太陽輻射強度為100 W/m2時,屋頂的反射率從0變化到1時相應的室內溫差降低僅2 ℃。由此可見,太陽輻射強度越強,反射率變化對室內溫度的影響越顯著。由于建筑外墻立面的太陽輻射強度低于屋頂,因此外墻立面使用反射隔熱涂料的降溫效果要比屋頂使用效果差。同理,在太陽輻射強度越高的地區使用反射隔熱涂料的室內降溫效果會越好。


2.3.2 室外風速對室內溫度的影響

我們設定屋頂外表面的輻射率為0.9,室外風速從0 m/s變化到10 m/s,其他條件與傳熱模型設定條件相同。由(12)式計算可得室內溫度與太陽能反射率和室外風速的關系,如圖5所示。

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在圖5中,太陽能反射率一定時,室內溫度隨著室外風速的增大,而逐漸降低。當屋頂外表面的太陽能反射率較低時,室內溫度對風速的變化很敏感;當反射率較高時,室內溫度對風速的變化不再敏感。我們分析,這主要是由于當反射率較高時,屋頂吸收的太陽能量很少,此時加快室外對流速度,但通過對流所散失熱量的絕對值較小,從而對室內溫度的影響也較小。因此,建筑外表面太陽能反射率較高時,室內溫度對室外風速變化存在惰性,也就是說反射隔熱涂料的降溫效果基本不受外界風速的影響。


3 結 語

反射隔熱涂料具有較高的太陽能反射率(ρ≥80%)和較高的輻射率(ε≥80%),它可以將80%以上的太陽能直接反射掉,同時將吸收的不到20%的太陽能以熱輻射的形式散失掉大部分,因而可以有效降低室內溫度,達到節能的目的。通過研究反射隔熱涂料對房屋外表面溫度和室內溫度的影響,以及不同室外條件下其降溫效果的探討,我們得到以下結論:

(1) 反射隔熱涂料對降低建筑物外表面溫度效果明顯。在設定條件下,屋頂使用反射隔熱涂料其表面溫度比水泥基底低20.7 ℃,比使用普通涂料低13.6 ℃。

(2) 反射隔熱涂料可以有效降低被涂屋面的室內溫度。在設定條件下,屋頂使用反射隔熱涂料其室內溫度比水泥基底低8.9 ℃,比使用普通涂料低5.4℃。涂料的太陽能反射率對輻射率降溫效果有制約作用,當太陽能反射率較低時,輻射率對降低室內溫度的作用較大;當太陽能反射率較高時,輻射率對降低室內溫度的作用較小。

(3) 太陽輻射強度越大,太陽能反射率對室內溫度的影響越顯著,反射隔熱涂料的降溫效果越明顯;室外風速變化對反射隔熱涂料降低室內溫度效果影響不大。


張仁哲, 劉東華, 趙雅文, 周靜靜

(富思特制漆(北京)有限公司,北京 100023)


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