熱反射涂料隔熱計算的研究

林美

（福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025）

熱反射涂料隔熱計算的研究

林美

（福建省建筑科學研究院，福建 福州 350025）

分析熱反射涂料組成和隔熱機理，通過采用熱反射涂料等效熱阻的方式對隔熱效果進行量化，同時結(jié)合具體工程實例，分別采用3種計算方法對熱反射涂料的隔熱效果進行計算，驗證了3種計算方法都是切實可行的。

熱反射涂料；隔熱機理；等效熱阻

0 前言

熱反射涂料通過高反射率涂層，可大幅減少建筑表面吸收太陽熱輻射產(chǎn)生的熱量，有效降低建筑物表面的溫度，近幾年在建筑圍護結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用。通過不同施工工藝涂覆在建筑外表面，形成粘附牢固、具有一定強度的連續(xù)涂膜，使涂膜在建筑領域發(fā)揮它應有的節(jié)能和裝飾效果。為進一步推廣熱反射涂料在建筑節(jié)能與綠色建筑領域中的應用，有必要對熱反射涂料組成、隔熱機理和隔熱量計算方法等進行研究。

1 熱反射涂料組成

熱反射涂料屬于功能性涂料，以合成樹脂為基料，與功能性顏填料及助劑等配制而成，施涂于建筑物的外表面，具有較高太陽光反射比、近紅外反射比和半球發(fā)射率的涂料。該涂料可適用于外墻和屋面。

熱反射涂料基本包括4類成分，即樹脂基料、顏填料、助劑、水和助溶劑等[1]。它與非隔熱涂料的最大區(qū)別在于使用了折射系數(shù)高的顏填料和折射系數(shù)低的基料。對樹脂的透明度要求高、透光率在80%以上（以利于顏填料反射），對輻射能吸收率低，對顏填料要求合適的粒徑搭配，確保涂膜具有良好的熱反射性能，耐沾污性等。常用的熱反射涂料顏填料有金屬氧化物（如金紅石型二氧化鈦）、超細硅灰石、空心玻璃微珠、云母粉等。

2 熱反射涂料的隔熱機理

熱反射涂料的隔熱是通過涂料中的顏填料粒子將太陽輻射中的可見光區(qū)和紅外區(qū)的太陽輻射熱反射，從而達到隔熱效果。當太陽射線照射到反射隔熱涂料外飾面時，一部分被反射，另一部分被吸收，二者的比例取決于表面粗糙度和顏色，表面愈粗糙，顏色愈深，則吸收的太陽輻射熱愈多。熱反射涂料一般為薄質(zhì)涂料，據(jù)研究[2]，淺色、平面的熱反射涂料的節(jié)能效果顯著，且已得到業(yè)界人士的認可，在建筑外圍護結(jié)構(gòu)中得到全面的推廣。但是淺色、平面的熱反射涂料無法滿足裝飾工程的需求，因此，加強對有色熱反射涂料的研究勢在必行。

3 熱反射涂料隔熱計算的研究

熱反射涂料依靠其表面的高太陽光反射率，反射太陽光的輻射熱，降低圍護結(jié)構(gòu)的表面溫度。它的應用具有很強的地域性，最近幾年在夏熱冬暖和夏熱冬冷地區(qū)得到推廣應用。

在夏季有很強的太陽輻射能，熱反射涂料能起到很好的隔熱作用，而冬季對圍護結(jié)構(gòu)傳熱是負作用，但因冬季光照時間短，太陽輻射能低，反射的能量也相對少得多，冬季對建筑能耗影響不大[3]，因此在夏熱冬暖地區(qū)熱反射涂料的隔熱作用已經(jīng)得到認可，對夏熱冬冷地區(qū)應通過綜合考慮夏、冬季的傳熱效果，保證涂料使用的熱工“安全性”。

熱反射涂料的隔熱性能可以通過計算圍護結(jié)構(gòu)的等效熱阻來量化，并以等效熱阻的形式應用于節(jié)能設計，等效熱阻指的是采用熱反射涂料時，與采用普通涂料相比，提高了圍護結(jié)構(gòu)的隔熱性能，該增強的隔熱性能依據(jù)其節(jié)能效果折算為熱反射涂料的熱阻。

3.1 熱反射涂料等效熱阻計算方法

等效熱阻值的計算方法主要有3種：采用穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算（采用GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》附錄A等效熱阻的計算方法）、采用圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算（采用Kvalue軟件計算）和年耗電指數(shù)法（采用建筑能耗模擬軟件計算）。

3.1.1 穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算法：

當圍護結(jié)構(gòu)受到恒定的熱作用時，即處于一種穩(wěn)定傳熱狀態(tài)。當然，在實際生活中，由于室內(nèi)外空氣溫度的經(jīng)常變化，標準的穩(wěn)定狀態(tài)下建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱并不存在，但在實際建筑傳熱過程中，由于不穩(wěn)定傳熱的計算非常復雜，考慮到室內(nèi)外空氣溫度變化對圍護結(jié)構(gòu)傳熱影響較小時，在工程上可以作為穩(wěn)態(tài)傳熱處理。穩(wěn)定傳熱是一種最簡單和最基本的傳熱過程，而且計算簡便，在建筑熱工計算和工程設計估算中是最基本的計算方式。

GB/T 25261—2010《建筑用反射隔熱涂料》附錄A等效熱阻的計算方法其原理就是穩(wěn)態(tài)傳熱[4]。等效熱阻計算見式（1）。

式中：Re——熱反射涂料等效熱阻，（m2·K）/W；

R——熱反射涂料基層墻體熱阻，（m2·K）/W；

e——熱反射涂料的年傳熱修正值。

3.1.2 圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱計算法

采用中國建筑科學研究院編制的圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱計算軟件（Kvalue 1.0版）計算圍護結(jié)構(gòu)的傳熱[5]。

以涂料作為一層熱阻時，圍護結(jié)構(gòu)的總熱阻可按式（2）計算。

式中：Rx——附加熱阻，（m2·K）/W；

這可以認為給墻體增加了一層保溫層：

Rout——外表面熱阻，（m2·K）/W；

Rwall——墻體熱阻，（m2·K）/W；

Rnm——內(nèi)外表熱阻，（m2·K）/W；

d——涂料層厚度，m；

λ——涂料層導熱系數(shù)，（W/m·K）；

夏季，在普通圍護結(jié)構(gòu)上增加一涂料層，并不斷調(diào)整厚度，直至其傳熱量與采用熱反射涂料的圍護結(jié)構(gòu)傳熱量相等。此時的保溫層熱阻即為等效熱阻（見圖1）。

圖1 夏季圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式

冬季，則在反射隔熱涂料的圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)增加一層保溫層，不斷調(diào)整厚度，直至其傳熱量與普通圍護結(jié)構(gòu)傳熱量相等。此時的保溫層熱阻即為等效熱阻（見圖2）。

圖2 冬季圍護結(jié)構(gòu)傳熱方式

3.1.3 年耗電指數(shù)法計算

建筑能耗模擬計算可采用美國能源部開發(fā)的DOE-2程序[6]。DOE-2是一個功能很強的建筑能耗模擬軟件，在美國已經(jīng)得到成功應用，并且還應用于若干個國家的建筑節(jié)能標準編制工作，可以分析不同建筑的能耗情況，分析建筑圍護結(jié)構(gòu)對建筑能耗的影響。據(jù)試驗證明，DOE-2程序用于分析計算我國建筑物的全年采暖空調(diào)能耗是可行的。

年耗電指數(shù)法[7]即通過采用DOE全年動態(tài)模擬計算典型建筑能耗隨外墻傳熱系數(shù)和外墻表面吸收率變化的關系并進行擬合計算，確定能耗與傳熱系數(shù)、太陽輻射吸收系數(shù)的變化關系，即可求出在能耗不變時太陽輻射吸收系數(shù)變化量與傳熱系數(shù)變化量之間的等量關系，即得到了傳熱系數(shù)折減系數(shù)Cd。

式中：E——年耗電指數(shù)，kW·h/m2；

K——外墻傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

ρc——太陽輻射吸收系數(shù)；

C0——基準因子；

C1——傳熱系數(shù)影響因子；

C2——太陽得熱與傳熱綜合影響因子；

C3——太陽得熱影響因子。

通過式（4）計算，當E不變時，即可得到式（5）計算傳熱系數(shù)折減系數(shù)Cd。

式中：Cd——全年傳熱系數(shù)折減系數(shù)；

K——熱反射涂料外墻傳熱系數(shù)基準值，W/（m2·K）；

K'——采用熱反射涂料外墻傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

E——年耗電指數(shù)，（kW·h/m2；

C0——基準因子；

C1——傳熱系數(shù)影響因子；

C2——傳熱與太陽得熱綜合影響因子；

C3——太陽得熱影響因子；

ρc——隔熱涂料污染后的太陽輻射吸收系數(shù)；

ρro——普通涂料太陽輻射吸收系數(shù)。

不同反射比隔熱涂層等效熱阻值按式（6）計算。

式中：Reg——等效熱阻值，（m2·K）/W；

Cd——全年傳熱系數(shù)折減系數(shù)；

R——基墻傳熱阻值，（m2·K）/W。

3.2 3 種計算方法的比較分析

采用穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算等效熱阻比較直觀，影響因素表達明顯，但依靠人工計算較繁雜；采用圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算等效熱阻用在模擬單個墻體和屋頂，可作較深入分析，但應用較單一；年耗電指數(shù)法計算等效熱阻應用面較廣，應用較靈活，但模擬計算量大。

選取福州地區(qū)某小高層住宅進行屋面等效熱阻的計算：（1）該工程為重質(zhì)結(jié)構(gòu)，基層墻體的傳熱系數(shù)經(jīng)計算為0.92 W/（m2·K）；（2）熱反射涂料污染后的太陽輻射吸收系數(shù)為0.5；（3）氣象參數(shù)：采用JGJ 35—1987《建筑氣象參數(shù)標準》進行計算。

用3種計算方法對熱反射涂料的等效熱阻進行計算，結(jié)果見表1。

表1 3種方法計算的熱反射涂料等效熱阻

從表1可見，不論是用穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)或動態(tài)能耗計算建筑反射隔熱涂料的等效熱阻值，計算結(jié)果相差不大，關鍵是計算參數(shù)取值，即圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能計算參數(shù)、室內(nèi)外氣候計算參數(shù)和計算時間。特定的外圍護結(jié)構(gòu)，如果圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能取值和室內(nèi)外氣候計算參數(shù)和計算時間取值基本相同，就會得出相近的傳熱量計算結(jié)果。

4 結(jié)語

（1）通過對反射涂料組成和隔熱機理的分析，可以得出它與非隔熱涂料的最大區(qū)別在于顏填料組成上，通過涂料中的顏填料粒子將太陽輻射中的可見光區(qū)和紅外區(qū)的太陽輻射熱反射，從而達到隔熱效果，但是國內(nèi)對顏填料的開發(fā)研制仍需大量的人力和物力的投入。

（2）采用等效熱阻對反射涂料的隔熱效果進行量化，通過對等效熱阻3種計算方法的比較分析，得出采用穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算等效熱阻比較直觀，影響因素表達明顯，但人工計算比較繁雜；采用圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱原理計算等效熱阻用在模擬單個墻體和屋頂，可作較深入分析，但應用較單一；年耗電指數(shù)法計算等效熱阻應用面較廣，應用較靈活，但要做大量模擬計算。綜合比較這3種計算方法，年耗電指數(shù)法為等效熱阻計算的最佳方法。

[1] 涂料工藝編委會.涂料工藝[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000.

[2] 陸洪彬，陳建華.隔熱涂料的隔熱機理及其研究進展[J].材料導報，2005，19（4）71-73.

[3] 徐峰.關于建筑反射隔熱涂料應用中的幾個問題[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2011，14（8）：32-34.

[4] GB/T 25261—2010，建筑用反射隔熱涂料[S].

[5] GB 50176—93，民用建筑熱工設計規(guī)范[S].

[6] H Akbari.Measured energy savings from the application of reflective roofs in two small non-residential buildings[J].Energy，2003（28）：953-967.

[7] 邱童.建筑用隔熱涂料熱工性能評價方法分析 [J].建筑節(jié)能，2012，10（40）：42-45.

Research on the calculation of heat insulation of solar reflectance coating

LIN Mei
（Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025，F(xiàn)ujian，China）

This paper analyzed the composition and insulating mechanism of solar reflectance coating，proposed that insulating performance of solar reflectance coating is quantified with equivalent thermal resistance or heat transfer diminution coefficient，at the same time，three kinds of calculation methods of equivalent thermal resistance were compared and combined with the specific engineering calculation，this paper obtains that three kinds of calculation methods are feasible.

solar reflectance coating，insulating mechanism，equivalent thermal resistance

TU55+1.1

A

1001－702X（2015）04－0030-03

2014-09-29；

2015-03-25

林美，女，1977年生，福建福州人，高級工程師。