回歸反射材料對板房熱性能影響研究

齊 全李元昊殷結(jié)峰孟 曦

（1.西安熱工研究院有限公司 西安 710000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 成都 610065）

回歸反射材料對板房熱性能影響研究

齊 全1李元昊1殷結(jié)峰1孟 曦2

（1.西安熱工研究院有限公司 西安 710000；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 成都 610065）

由于板房圍護(hù)結(jié)構(gòu)低熱惰性，室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響居住者的人體健康；尤其當(dāng)高太陽輻射時，室內(nèi)空氣和墻體內(nèi)表面溫度快速上升，降低板房輻射得熱成為改善室內(nèi)熱環(huán)境一個重要途徑。建立兩個板房模型，其中一個板房復(fù)合回歸反射材料，對比分析回歸反射材料對室內(nèi)熱環(huán)境改善的影響。研究表明復(fù)合回歸反射材料使得板房內(nèi)氣溫降低超過7℃，板房內(nèi)表面最高溫度降低接近10℃，室內(nèi)作用溫度降低6～10℃，表明回歸反射材料可以顯著提高板房內(nèi)部熱環(huán)境。同時研究還表明板房頂部、南外墻和東外墻復(fù)合回歸反射材料效果最顯著。

回歸反射材料；室內(nèi)熱環(huán)境；板房

0 前言

板房是一種重量輕、搭建快捷、運輸方便的超薄圍護(hù)結(jié)構(gòu)建筑，非常適合需要經(jīng)常變換作業(yè)場所和因突發(fā)災(zāi)害導(dǎo)致暫時失去居所的人群居住[1]。在2008年汶川地震之后，全省共修建62.5萬套板房作為災(zāi)民的過度安置房。圖1給出了汶川地震中板房過渡安置點。在永久性住宅完工之前，受災(zāi)居民必須在板房中居住2～3年，但是由于板房圍護(hù)結(jié)構(gòu)的低熱惰性，室內(nèi)熱環(huán)境惡劣，受災(zāi)人民無論是身體上和心理上受到創(chuàng)生，不利于受災(zāi)群眾盡量撫平創(chuàng)傷，恢復(fù)生產(chǎn)活動[2]。王濤等[3]對2008年汶川震后災(zāi)區(qū)的救災(zāi)帳篷現(xiàn)場測試和調(diào)研。得出夏季帳篷室內(nèi)均溫可達(dá)40℃，含濕量達(dá)到18g/kg，熱舒適性非常差；且太陽輻射嚴(yán)重影響室內(nèi)熱環(huán)境，使得夏季室內(nèi)空氣溫度遠(yuǎn)高于室外溫度，因此降低太陽輻射對于改善板房內(nèi)熱環(huán)境意義重大[4]。然而，常規(guī)的反射材料可通過鏡面反射或漫反射降低目標(biāo)建筑得熱，但是其難以降低板房過渡安置點板房群得熱量，被鏡面反射或漫反射熱量會增加其他建筑得光污染。而回歸反射材料的回歸特性恰好克服該問題，回歸反射材料是一種可將入射光沿入射方向反射回去的特殊材料[5]。因此回歸反射材料不但降低目標(biāo)建筑得熱量，而且不會增加其他建筑得熱量。同時回歸反射材料厚度僅為1mm，完全不影響板房的輕質(zhì)、便利等特點。目前，對于常規(guī)反射材料研究較為成熟，Synnefa等[6,7]研究常規(guī)反射材料對城市熱環(huán)境、建筑節(jié)能以及室內(nèi)舒適度的影響，同時對常規(guī)反射材料做了很好的綜述。而關(guān)于回歸反射材料的研究目前仍然非常缺乏[8]，尤其是將回歸反射材料真正的用于建筑應(yīng)用研究[9-12]。本文建立兩個板房模型，其中一個板房復(fù)合回歸反射材料，實驗測試了室內(nèi)氣溫和內(nèi)表面溫度，對比分析回歸反射材料對室內(nèi)熱環(huán)境改善的影響。

圖1 汶川地震中板房過渡安置點Fig.1 One post-disaster transitional settlement of prefab houses in Wenchuan earthquake

1 實驗系統(tǒng)描述

為了研究回歸反射材料對板房室內(nèi)熱環(huán)境的影響，建立量板房模型（M1和M2），如圖2所示。其中僅M2表面復(fù)合了回歸反射材料，而M1為研究對比對象，模型尺寸均為800mm×1000mm× 1300mm（L×W×H）。同時圖2還給出了溫度測點布置示意圖，其中Tt，Tb，Te，Ts，Tw和Tn分別測試板房模型6個內(nèi)表面溫度；Tin和Tout分別測試板房模型室內(nèi)和室外空氣溫度；測試前，對熱電偶進(jìn)行校正，可保證實驗值使用的熱電偶測試誤差低于0.3℃，同時采用JTRG-II建筑熱工記錄儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行逐時記錄。圖3給出了板房模式M2的結(jié)構(gòu)示意圖，從內(nèi)到外，分別是0.5mm的彩鋼，40mm后的XPS層，0.5mm的彩鋼以及1mm厚的回歸反射材料；板房模式M1僅沒有回歸反射材料，其他結(jié)構(gòu)與M2一致。圖4給出了回歸反射材料的光路示意圖，可以看出，回歸反射材料通過玻璃微珠將入射光通過兩次折射和一次反射將光線沿入射方向被反射回去的光學(xué)特性。

圖2 熱電偶布置示意圖和板房模型Fig.2 The arrangement diagram of thermocouples and two models of prefab houses

圖3 板房模型M2的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 A schematic diagram of wall structure for M2

圖4 回歸反射材料光路示意圖Fig.4 The light paths of the retro-reflective materials

圖5 分別提出了回歸反射材料放大180倍的照片和回歸反射材料在不同波長太陽光的反射百分比，同時還給出太陽標(biāo)準(zhǔn)光（海平氣面）各波長范圍的能量分重權(quán)布?？梢钥闯?，回歸反射材料在可見光和近紅外線的反射率較高，而太陽標(biāo)準(zhǔn)光在可見光和近紅外線的能量分重權(quán)布較高，表明通過波長的合理選擇，回歸反射材料可以較好反射太陽輻射，通過對不同波長太陽光的反射百分比加權(quán)計算，回歸反射材料的總回歸反射率可高達(dá)0.543。

圖5 （a） 回歸反射材料放大180倍示意圖Fig.5(a) The magnification of retro-reflective Materials with the magnifying power of 180x

圖5 （b） 回歸反射材料的反射特性Fig.5(b) Reflectivity of retro-reflective materials

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 實驗期間室外氣象條件

實驗測試地點為四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院樓頂，實驗時間為2015年8月4～9日。圖6給出了實驗期間的室外空氣溫度和太陽輻射波動情況。由圖可以看出，實驗期間室外空氣溫度波動幅度為10℃左右，太陽輻射強(qiáng)制在14:00時達(dá)到最大，最高值可達(dá)850W/m2。

圖6 實驗期間室外氣溫和總水平太陽輻射Fig.6 Outdoor air temperature and horizontal total radiation during the test period

2.2 室內(nèi)氣溫波動對比

圖7給出了實驗期間板房模型M1和M2室內(nèi)空氣溫度波動情況，同時圖6還給出了室外氣溫做對比。可以看出，在白天，板房模型M1內(nèi)氣溫最高、M2次之、室外氣溫最低；而在夜間，三個氣溫基本相同，說明室外太陽輻射對室內(nèi)熱環(huán)境影響顯著；而模型M1和M2室內(nèi)最高氣溫對比發(fā)現(xiàn)，M2室內(nèi)最高氣溫明顯低于M1，最大溫差可達(dá)8℃，表明回歸反射材料可以降低板房室內(nèi)溫度，進(jìn)而改善室內(nèi)熱環(huán)境。

圖7 實驗期間M1和M2的室內(nèi)氣溫波動情況Fig.7 Indoor air temperature in M1 & M2 during the test period

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度波動對比

圖8給出了實驗期間板房模型M1和M2頂部內(nèi)表面溫度波動情況。可以看出，由于M2表面復(fù)合了回歸反射材料，M2頂部內(nèi)表面溫度明顯低于M1，最高溫差可達(dá)到10℃。

同時為了深入的分析回歸反射材料對板房內(nèi)表面溫度的影響，圖9給出了M1和M2墻體內(nèi)表面溫度的波動情況；可以看出，在不同朝向墻體外復(fù)合回歸反射材料，墻體內(nèi)表面溫度降低效果差異顯著，其中南墻效果最為顯著，溫降可達(dá)到7.5℃；再次為東墻，溫降可達(dá)到5℃；而北墻效果最差，無明顯的溫降；以上研究表明回歸反射材料復(fù)合在屋頂和南墻效果最優(yōu)。該現(xiàn)象的主要原因不同朝向可接受的太陽輻射強(qiáng)度不同，對于實驗地區(qū)（北緯30.33度，東經(jīng)103.59度），屋頂可接受的太陽輻射最強(qiáng)，其次南墻，再次東墻，北墻可接受的太陽輻射最低；從另一層次表明當(dāng)太陽輻射越強(qiáng)，回歸反射材料對室內(nèi)熱環(huán)境改善效果越好。

圖8 M1和M2的頂面內(nèi)表面溫度波動情況Fig.8 Top inner surface temperature in M1 and M2 during the test period

2.4 室內(nèi)作用溫度波動對比

為了綜合回歸反射材料對室內(nèi)氣溫和墻體內(nèi)表面溫度的影響，引入室內(nèi)作用溫度。依據(jù)ASHRAE 55-2004，當(dāng)室內(nèi)輻射溫度和空氣溫度的差值很?。?4℃）時，室內(nèi)作用溫度可以近似為室內(nèi)輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度的平均值，根據(jù)圖8和9的實驗結(jié)果可知，因此對于本文所研究的問題，完全滿足當(dāng)室內(nèi)輻射溫度和空氣溫度的差值<4℃時，室內(nèi)作用溫度可以近似為室內(nèi)輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度的平均值的假設(shè)。

圖9 M1和M2的墻體內(nèi)表面溫度波動情況Fig.9 Wall inner surface temperature in M1 and M2 during the test period

因此，室內(nèi)作用溫度計算方法如下：

其中，Tin為室內(nèi)空氣溫度，℃；Tl,in,avg是墻體內(nèi)表面溫度平均值，Tl,in,i和Si分別是第i個墻體內(nèi)表面溫度和面積。

基于以上的分析，圖10給出了驗期間板房模型M1和M2室內(nèi)作用溫度波動情況?？梢钥闯?，由于復(fù)合回歸反射材料，M2室內(nèi)作用溫度明顯低于M1，最高值可達(dá)6～10℃，120小時內(nèi)的平均差值為2.52℃，表明回歸反射材料可以顯著降低板房的輻射得熱，進(jìn)而提高板房內(nèi)部舒適度。

圖10 M1和M2室內(nèi)作用溫度波動情況Fig.10 Indoor operation temperature in M1 and M2 during the test period

3 結(jié)論

本文在成都的氣象條件下，實驗對比研究回歸反射材料對板房內(nèi)熱環(huán)境的影響，得到以下結(jié)論：

（1）在板房外側(cè)復(fù)合回歸反射材料可以顯著降低板房內(nèi)部溫度，最高溫降可達(dá)到8℃；當(dāng)太陽輻射越強(qiáng)，回歸反射材料對室內(nèi)熱環(huán)境改善效果越好；

（2）由于回歸反射材料的復(fù)合，板房內(nèi)表面溫度降低明顯；其中屋頂內(nèi)表面溫降最顯著，最大溫降可達(dá)10℃；其次是南墻，最大溫降為7.5℃；再次為東墻，最大溫降可達(dá)到5℃；北墻的效果最差，無明顯溫降；

（3）由于復(fù)合回歸反射材料，板房室內(nèi)最高作用溫度可降低6～10℃，120小時內(nèi)的平均差值為2.52℃，表明回歸反射材料可以顯著降低板房的輻射得熱，進(jìn)而提高板房內(nèi)部舒適度。

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Thermal Performance Improvement of Prefab Houses by Covering Retro-reflective Material

Qi Quan1Li Yuanhao1Yin Jiefeng1Meng Xi2
( 1.Xian Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an, 710000; 2.Sichuan Agricultural University, Chengdu, 610065 )

Owing to the small thermal inertia of prefab houses, indoor thermal environment is poor and occupants are tormented. Especially under the high solar radiation, both indoor air temperature and inner surface temperature increase rapidly and thereby, decreasing radiation heat gain is necessary for refining indoor thermal performance in prefab houses. To reveal the thermal performance improvement of prefab houses by covering retro-reflective materials, two prefab house models, one of which is covered by retro-reflective materials, are built. Results show that the indoor air temperature of the prefab house by covering retro-reflectivity materials can reduce by more than 7℃, while the reduced value is close to 10℃ for the peak radiant temperature and 7℃ for indoor average radiant temperature. It shows retro-reflective materials have a significant effect on thermal performance improvement of prefab houses. And it is found that the top, south and east walls are the better choices.

Retro-reflective Material; Indoor thermal environment; Prefab Houses

TU86

A

1671-6612（2017）01-086-05

齊 全（1981-）男，碩士，國家注冊暖通工程師，主要從事采暖通風(fēng)除塵設(shè)計及火力發(fā)電廠環(huán)保改造。

孟 曦（1986-

），男，博士研究生，講師，E-mail：mengxihvac@163.com

2016-07-20