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外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料的節能分析,設計建筑的簡化傳熱模型,分析和計算了夏熱冬暖地區外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料對夏季室內的降溫與節電效果
2020年02月05日    閱讀量:726    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

我國幅員遼闊,各地區氣候差異很大,不同地區的建筑節能設計要求不同。GB 50176-1993《民用建筑熱工設計規范》對夏熱冬暖地區的設計要求是:必須充分滿足夏季防熱要求,一般可不考慮冬季保溫。一般來說,將溫度降低一度所需能耗是將溫度升高一度所需能耗的4倍[1],夏季制冷很昂貴,對于夏熱冬暖地區,解決建筑的夏季隔熱問題對建筑節能具有重大的意義中國建材網cnprofit.com


通常情況下,如果提到節能率不夠,首先想到的就是增加保溫層厚度。然而,對于夏熱冬暖地區,簡單的采用增加保溫層厚度并不能有效的降低能耗,GB 50189-2005《公共建筑節能設計標準》的4.2.2條明確指出了這點。


在南方地區,室內外溫差傳熱在整個傳熱中占的比例較小,太陽輻射產生的熱效應是造成夏季室內過熱的主要原因。隔熱涂料能夠反射或部分吸收太陽輻射熱,從而可降低室內得熱,有效減少空調制冷能耗,相比于外墻保溫做法,更適合于夏熱冬暖地區。


近幾年,對建筑隔熱涂料的研究和應用日益增多,其中對于隔熱性能的研究,采取的方法絕大多數是用熱源照射試驗箱或試板,以試驗箱內部空間或試板背面(或空間)的溫度(溫度差)來對比不同涂料的隔熱性能[2]。部分研究將試驗箱置于室外,測試太陽照射條件下涂料的降溫效果[3-5],但只有對實際建筑的溫度變化情況進行測試,才能獲得隔熱涂料的真實降溫效果,對此已有相關的報道[6-8]。


然而,僅有降溫數據,仍然無法得知可以節約多少空調用電,而這恰恰是用戶最關心的內容。現有報道中,只有安邦等[8]的研究給出了空調用電量減少的實測數據。針對此問題,本文設計了建筑的傳熱模型,對隔熱涂料的降溫效果與節電情況進行了計算和分析,為用戶了解隔熱涂料在建筑節能中的應用提供參考。


1 隔熱原理

從太陽輻射光譜可知,太陽能的50%左右集中在可見光范圍內,近紅外線占45%左右。外墻隔熱涂料對可見光及紅外光都有較高的反射率,從而可減少建筑表面吸收的熱量。并且,涂料具有較高的發射率,表面吸收的熱量能夠較多地以長波輻射的方式向外散發而減少向室內的傳熱。由于在現有國家節能設計標準和熱工設計規范中,目前都沒有涉及發射率的問題,故此,本文對發射率也不進行考慮。


物體對熱輻射的反射率、吸收率和透過率之和等于1。外墻隔熱涂料為不透明物體,透過率為0,反射率與吸收率之和為1。按基爾霍夫定律,發射率等于吸收率,即反射率與發射率之和為1。JC/T 1040《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》對太陽反射比和半球反射率的要求分別是≥0.83和≥0.85,JG/T 235-2008《建筑反射隔熱涂料》是都≥0.80,似乎與基爾霍夫定律相違背。


這里需要指出的是,基爾霍夫輻射定律描述的是對于單一波長的情況,而外墻隔熱涂料的太陽反射比針對的是可見光和近紅外光(測試波長范圍:250~2 500 nm),半球發射率針對的是遠紅外光,兩者不是同一波長范圍,實際上與基爾霍夫定律并不矛盾。外墻隔熱涂料的反射光譜如圖1所示。

外墻隔熱涂料的反射光譜

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玻璃隔熱涂料在可見光區具有高的透過性,而在近紅外光區具有高的反射率和吸收率,能夠在不明顯降低室內采光的情況下實現良好的隔熱。由于玻璃隔熱涂料會吸收一部分太陽輻射,涂刷玻璃隔熱涂料后,玻璃表面溫度會升高,這是在實際應用中需注意的問題。玻璃隔熱涂料的透射光譜如圖2所示

玻璃隔熱涂料的透射光譜

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2 外墻隔熱涂料

2.1 降溫效果

以無限大建筑中的一個房間為研究對象,太陽只能照射到此房間的西向墻體,墻體不開窗,外表面涂刷涂料,房間無外加制冷,研究對象與同一朝向相鄰房間的室內溫度相同。傳熱模型見圖3

模擬建筑傳熱模型(外墻)

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房間的熱量按式(1)計算:

Q = (tsa – ti)·K·A (1)

式中:Q —— 房間的熱量,W;

tsa —— 室外綜合溫度,℃;

ti —— 室內空氣溫度,℃;

K——外墻(西向)的傳熱系數,W/(m2·K);

A —— 外墻(西向)的面積,m2。

其中,tsa按式(2)計算:

tsa = te + (1 – s)·I / αe (2)

式中:te—— 室外空氣溫度,℃;

ρs—— 涂料的太陽反射比;

I —— 太陽輻射照度,W/m2 (按GB 50176-93附表3.3取值);

αe—— 外表面換熱系數,W/(m2·K) (按GB 50176-93附表2.3取值19.0)。

房間散熱量按式(3)計算:

Q1= (ti – t1)·K1·A1 (3)

式中:Q1—— 房間散熱量,W;

t1—— 建筑內部空氣溫度,℃;

K1—— 內墻(東向)的傳熱系數,W/(m2·K);

A1—— 內墻(東向)的面積,m2。

當室內溫度穩定時,傳熱達到平衡,表示為式(4):

Q = Q1 (4)

假定A = A1以便于分析,綜合式(1)至式(4)可得

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涂料的太陽反射比增大時,室內溫度的降低值




設定如下參數:te = 33 ℃、t1= 28 ℃、K = 1.5 W/(m2·K)、K1= 2.0 W/(m2·K)、I = 348.4 W/m2 (廣州10:00至16:00的西向平均值),表1給出了外墻由普通涂料(ρ s = 0.5)變為隔熱涂料后的降溫情況。可以看出,ρs越大,降溫效果越明顯。進一步的計算表明,當隔熱涂料的ρ s為0.64時,室內溫度與室外溫度相等,繼續增大隔熱涂料的太陽反射比,可使得室內溫度低于室外溫度。

外墻隔熱涂料的降溫情況

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從建筑節能的角度考慮,外墻通常需增加保溫措施,或采用輕質墻體材料,對應于外墻K值減小。K1保持2.0 W/(m2·K),表2給出了不同外墻K值時的室內溫度情況。可以看出,外墻的保溫性能越好,ti越小。對于K = 0的極端情況,ti = t1,意味著如果外墻不傳熱,無論使用什么涂料,都不會對室內溫度有影響,室內溫度穩定時與建筑內部溫度相同。同時,Δti也隨著K的降低而減小,說明了墻體的保溫措施越好,隔熱涂料的隔熱效果越不明顯,與唐鳴放等[9]給出的結論相一致。

不同外墻對應的室內溫度情況

外墻K保持1.5 W/(m2·K),變化內墻的傳熱系數,室內溫度情況列于表3。當內墻有較好的保溫性能時,進入室內的太陽輻射熱無法有效散失而積累在室內,導致室溫較高,表3中數據與此一致。

不同內墻對應的室內溫度情況

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對于真實環境中的房間,門窗等其他部位都有向外的傳熱發生,再加上空氣流動、滲透等產生的換熱,將其等效視為K1增大,由表3的變化趨勢可知,真實環境中應用隔熱涂料后的Δti會更小。


2.2 節電效果

設定K和K1分別為1.5和1.25 W/(m2·K),此時,當ρs為0.6、0.7、0.8和0.9時,Δti分別為1、2、3和4 ℃(與 ρs= 0.5時相比)。使用空調將房間溫度ti保持在26 ℃,注意到ti <t1,表示Q1為室內得熱,此時空調的制冷量Qac需等于Q與Q1之和。設定A =A1=12 m2,空調制冷量的減少率η列于表3。可以看出,對于制冷房間,使用在自然狀態下可使室內溫度降低2 ℃的外墻隔熱涂料,空調制冷量可減少20.6%,也即意味著空調用電減少了20.6%。

應用外墻隔熱涂料后空調制冷量的減少率

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3.1 降溫效果

太陽照射在玻璃表面與照射在墻體表面的傳熱行為不同。墻體為不透明物,太陽輻射對室內不直接產生作用,是先通過加熱墻體外表面使其溫度升高,然后再通過熱傳導作用于室內。而對于玻璃,太陽光會直接透射過玻璃而影響室內溫度。仍按圖4所示的房間,考慮到建筑開窗多為南向,故太陽輻射為南向,外墻上開孔安裝玻璃,其余情況相同。

模擬建筑傳熱模型(玻璃)

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房間得熱量按式(6)計算:

Qs = g · I · Ag (6)

式中:Qs—— 房間的熱量,W;

g —— 玻璃的太陽能總透射比;

Ag—— 玻璃面積,m2。

Qs包含了太陽光直接透射進入室內的熱量以及玻璃溫度升高引起的二次傳熱。

由玻璃遮蔽系數(Se)的計算公式Se = g / 0.889,可得式(7):

Qs = 0.889 × Se·I·Ag (7)

Qg按式(8)計算:

Qg = (ti – te)·Kg·Ag (8)

式中:Qg—— 房間通過玻璃的散熱量,W;

Kg —— 玻璃的傳熱系數,W/(m2·K)。

Qw按式(9)計算:

Qw = (ti – te)·K·(A – Ag) (9)

式中:Qw—— 房間通過外墻的散熱量,W。

當室內溫度穩定時,傳熱達到平衡,表示為式(10):

Qs = Qg + Qw + Q1 (10)

綜合式(3)、式(7)至式(10),可得:

ti = [0.889 × Se·I·Ag + te·Kg·Ag + te·K·(A –Ag) + t1·K1·A] / [Kg·Ag + K·(A – Ag) + K1·A] (11)

玻璃的遮蔽系數減小時,室內溫度的降低值Δti= 0.889 × ΔSe·I·Ag / [Kg·Ag + K·(A – Ag) + K1·A]。


6 mm厚透明玻璃的Se = 0.93、Kg = 5.7 W/(m2·K),設定te = 33 ℃、t1= 28 ℃、K = 1.5 W/(m2·K)、K1=2.0 W/(m2·K)、A = 12 m2、Ag = 6 m2、I = 151.4 W/m2(廣州10:00至16:00的南向平均值),玻璃隔熱涂料對玻璃的傳熱系數幾乎無影響,為簡便起見忽略窗框對傳熱的影響以及不考慮西向外墻太陽輻射的影響,表4給出了涂刷玻璃隔熱涂料后的降溫情況。可以看出,Se越小,降溫效果越明顯。

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玻璃隔熱涂料的降溫情況

注意到表中ti始終大于te,主要是由于太陽輻射可直接透過玻璃進入室內,玻璃隔熱涂料的遮蔽系數再小,也難以抵消太陽輻射引起的室內溫度升高。以JGJ/T 151-2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》附錄C中遮蔽系數最小的“6低透光熱反射+12空氣+6透明”中空玻璃的參數,Se = 0.18、K = 2.3 W/(m2·K),得到的ti為33.5 ℃,也高于te。而此中空玻璃的可見光透射比僅僅為0.16,需要增加室內照明,對于整個建筑的節能是不利的。


由于設計方面的因素,建筑很多采用大面積玻璃門窗,針對此情況,對不同玻璃面積的情況進行了計算,結果列于表5。可以看出,增加玻璃面積,室內溫度明顯升高,但此時玻璃隔熱涂料針對太陽輻射熱的降溫作用愈發明顯。

玻璃面積對室內溫度的影響

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3.2 節電效果

設定Ag為3.725 m2,此時,當Se為0.815、0.7、0.585和0.47時,Δti分別為1、2、3和4 ℃ (與Se = 0.93時相比)。使用空調將房間溫度ti保持在26 ℃,由于ti < t1和te,Qg、Qw與Q1均為室內得熱,此時空調的制冷量Qac需等于Qs、Qg、Qw與Q1之和。


空調制冷量的減少率η列于表6。可以看出,對于制冷房間,使用在自然狀態下可使室內溫度降低2℃的玻璃隔熱涂料,空調制冷量可減少15.4%,也即意味著空調用電減少了15.4%。

應用玻璃隔熱涂料后空調制冷量的減少率

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4 結 論

外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料能夠減少因太陽輻射產生的室內的熱,應用于夏熱冬暖地區可以有效減少空調用電,促進此地區的建筑節能工作。

(1) 對于自然狀態下的房間,外墻隔熱涂料可使室溫降低2~3 ℃,并且當涂料的太陽反射比增大到一定值時,室內溫度可低于室外溫度。對于保溫性能較好的墻體,外墻隔熱涂料的降溫效果不明顯。

(2) 對于自然狀態下的房間,玻璃隔熱涂料可使室溫降低3~5 ℃,但由于透過玻璃進入室內的太陽輻射熱過大,玻璃隔熱涂料很難使得室內溫度低于室外溫度。

(3)當使用空調降低室溫時,外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料的應用能夠顯著節約空調用電,對于可使自然狀態房間的室溫降低2 ℃的涂料,分別節約用電20.6%和15.4%。

真實建筑的能耗分析涉及眾多因素,傳熱情況遠比本文設計的模型復雜。應用外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料所實現的確切節電情況還需長期的實測,文中只是進行理想化的分析和計算,以粗略地了解外墻隔熱涂料和玻璃隔熱涂料的降溫和節電效果。


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