內(nèi)蒙地區(qū)農(nóng)宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)研究

王文新，梁 雨,2，李金娟，汪建文

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 2.中衡設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，北京 100044; 3.中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089)

內(nèi)蒙古地區(qū)處于太陽(yáng)能富饒集中的地區(qū)，僅次于西藏的青藏高原，故應(yīng)大力開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源到建筑物中，改善室內(nèi)熱舒適性，降低建筑能耗．而太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)是圍護(hù)結(jié)構(gòu)重要的熱工參數(shù)，是指圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面吸收的太陽(yáng)輻射能量與投射到的太陽(yáng)輻射能量之比值[1]．

目前,國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)對(duì)熱物理性的影響已開(kāi)展了一系列研究工作．V. Cheng[2]等研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面顏色和熱流對(duì)室內(nèi)溫度的影響．M Ozel[3]研究了動(dòng)態(tài)熱條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面太陽(yáng)吸收率與熱特性和最佳保溫厚度的關(guān)系．H Liu[4]等采用分光光度計(jì)設(shè)計(jì)并測(cè)量了近二百個(gè)不同油漆的鋼材，以獲得其太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)．根據(jù)測(cè)試結(jié)果，分析了表面顏色，涂裝類型和涂裝厚度與吸收系數(shù)的關(guān)系．近幾年來(lái)我國(guó)圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的研究目的主要是降低建筑能耗，改善室內(nèi)熱環(huán)境．羅松欽等[5]研究了夏熱冬冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)和熱阻對(duì)內(nèi)外表面溫度的變化和建筑冷熱負(fù)荷需求特征．陳志華等[6]測(cè)定了鋼結(jié)構(gòu)常用面漆的吸收系數(shù)，不同顏色的吸收系數(shù)差距明顯．張紅嬰[7]研究了冬、夏兩季吸收系數(shù)對(duì)四個(gè)朝向的表面溫度和凈得熱量的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)降低外墻外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)可以有效減少因太陽(yáng)輻射導(dǎo)致的傳入圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量[8]．曾晰[9]通過(guò)研究夏熱冬冷地區(qū)室外空氣溫度與采取保溫措施的墻體的表面溫度和凈得熱量的關(guān)系，得出室外溫度越高，墻體表面吸收的太陽(yáng)能越多．王曉騰[10]研究分析了夏熱冬冷地區(qū)連續(xù)晴朗天時(shí)南墻凈得熱量與室內(nèi)外空氣溫度、內(nèi)外保溫形式之間的關(guān)系．董海榮[11]通過(guò)對(duì)室外綜合溫度的分析，介紹一種測(cè)試涂料外飾面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的間接方法，得到深色涂料外飾面的建筑吸收的太陽(yáng)輻射熱較顏色淺的多．部分學(xué)者基于我國(guó)相關(guān)區(qū)域的情況進(jìn)行了研究，馬超[12]對(duì)西北地區(qū)農(nóng)村住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，并對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能和建筑能耗進(jìn)行分析，提出了適宜于西北農(nóng)村住宅建筑節(jié)能及采暖策略．李崢嶸[13]根據(jù)貴州地捫侗寨傳統(tǒng)民居改造前后圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能的變化，闡述其對(duì)室內(nèi)熱濕環(huán)境的影響．以上研究未定量分析太陽(yáng)輻射下圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收系數(shù)，且針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的相關(guān)研究更少．因此，針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)從吸收系數(shù)的顏色和粗糙度兩個(gè)影響因素入手，定量分析其對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面熱物理性的影響．以便合理選用圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，取更合適的吸收系數(shù)，這樣既能達(dá)到降低冬季供暖能耗又能保障夏季室內(nèi)熱舒適性的目的．

1 太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)測(cè)定

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

基于光譜法測(cè)定太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)．通常根據(jù)是否使用標(biāo)準(zhǔn)白板，又把光譜法分為絕對(duì)法和相對(duì)法．相對(duì)法是用標(biāo)準(zhǔn)白板對(duì)基線進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)得材料在各波長(zhǎng)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的反射率，精度較高，操作簡(jiǎn)便，是目前測(cè)定材料反射率和吸收率的常用方法．

試件的太陽(yáng)輻射反射比計(jì)算如式：

(1)

式中：ρo(λi)為在波長(zhǎng)λi處，標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比；ρ(λi)為在波長(zhǎng)λi處，試件相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比；Es(λi)為在波長(zhǎng)λi處太陽(yáng)輻射照度的光譜密集度，W/(m2·nm)；Δλi為波長(zhǎng)間隔，Δλi=(λi+1-λi-1)/2, nm；n為測(cè)點(diǎn)的數(shù)量．

對(duì)于非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，則有透過(guò)率為0，為:

α+ρr=1

(2)

1.2 測(cè)定儀器

顏色吸收系數(shù)測(cè)定采用日本島津UV3600紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)．該儀器內(nèi)置三檢測(cè)器，具有高靈敏度、高分辨率、寬測(cè)試范圍和超低雜散光．積分球規(guī)格為內(nèi)徑60 mm，內(nèi)層為硫酸鋇涂層，標(biāo)準(zhǔn)白板使用的為儀器配備的硫酸鋇白板，見(jiàn)圖1．實(shí)驗(yàn)室溫度在18±5 ℃，濕度在30%～40%之間，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)要求．

圖1 UV3600紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)Fig.1 UV 3600 UV-Vis NIR spectrophotometer

試件表面粗糙度采用德國(guó)蔡司LSM700激光共聚焦顯微鏡來(lái)測(cè)定，這為后續(xù)研究提供輪廓算術(shù)平均偏差Ra參數(shù)．LSM700具備完善的非接觸式3D輪廓分析功能，可以準(zhǔn)確快速地測(cè)定材料表面性能，圖2為儀器圖片．

圖2 LSM700激光共聚焦顯微鏡Fig.2 LSM700 laser scanning confocal microscope

1.3 試件制備

筆者根據(jù)在內(nèi)蒙古農(nóng)村地區(qū)實(shí)地調(diào)研，選取了試驗(yàn)所用六種表面顏色，紅色表征的為外露紅磚、外貼紅瓷磚等，白色表征的為蒙古包、外貼白瓷磚和外涂白色乳膠漆等，黃色表征的為土坯墻體、外涂黃色乳膠漆等，藍(lán)色及黑色通常表征的為墻體外表面裝飾所用顏色、灰色表征的為墻體外層水泥砂漿、外涂灰色乳膠漆等．而本試驗(yàn)選用黑色主要是用于與其他顏色進(jìn)行對(duì)比．農(nóng)村住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的粗糙度多種多樣，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為探究粗糙度對(duì)熱工性能的影響，參照《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法評(píng)定表面結(jié)構(gòu)的規(guī)則和方法》(GB/T 10610-2009)對(duì)粗糙度評(píng)定的簡(jiǎn)化程序中指出，當(dāng)表面粗糙度與規(guī)定值能明顯分別出優(yōu)劣，或表面有明顯缺陷時(shí)，可以不采用精密儀器來(lái)測(cè)定表面粗糙度，直接選用目視法．因此本實(shí)驗(yàn)制備了有明顯差距、肉眼可區(qū)別的不同粗糙度試件．

制備試件統(tǒng)一為水泥板材料，其表面顏色采用快干熱塑性丙烯酸氣霧漆(俗稱自噴漆)多次均勻噴涂(噴涂手法一致，且噴漆環(huán)境空氣流暢，陰涼干燥、無(wú)灰塵，滿足噴漆環(huán)境要求)．在水泥板試件(試件表面平整光滑，粗糙度一致)．為可以將試件表面顏色清晰確切地分類，采用了國(guó)際上廣泛通用的德國(guó)RAL-K7色卡，將試件表面顏色與色卡上色彩進(jìn)行對(duì)照，得到顏色編號(hào)和名稱，六種試件表面顏色的編號(hào)和名稱見(jiàn)表1．試驗(yàn)所用顏色試件規(guī)格為5 cm×9 cm左右，厚度均為1.7 cm，如圖3．經(jīng)LSM700激光共聚焦顯微鏡對(duì)試件表面粗糙度的測(cè)定，顏色試件輪廓算術(shù)平均偏差Ra平均為1.275 μm．

表1 試件顏色編號(hào)和名稱Tab.1 Specimen color number and name

圖3 不同表面顏色的試件Fig.3 Specimens of different surface colors

制備四種表面粗糙度不同的水泥板試件，如圖4所示．試件制作方法分別為：(a)為水泥板原本的表面，未做過(guò)處理；(b)是用120目砂紙多次均勻摩擦過(guò)后的表面；(c)是用尖銳器物反復(fù)打磨過(guò)的表面；(d)是用錘子和螺絲刀在表面鑿出大小近似、較為均勻凹陷的表面，試件大小為8 cm×9 cm×1.7 cm，采用LSM700激光共聚焦顯微鏡對(duì)試件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)定，表2列出了四種試件的具體情況．表面有凹槽試件在有凹槽的地方Ra平均為22.235 μm，平整地方Ra平均為4.612 μm，試件整體粗糙度取Ra為13.423 μm．

圖4 不同表面粗糙度的試件Fig.4 Specimens of different surface roughness

表2 試驗(yàn)所用粗糙度試件的具體情況Tab.2 The specific conditions of the roughness test piece used in the test

1.4 測(cè)定過(guò)程

基于光譜法，使用UV3600紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì)測(cè)定試件在設(shè)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比，根據(jù)權(quán)重系數(shù)計(jì)算出試件表面的反射率，因?yàn)樵嚰榉峭该鹘Y(jié)構(gòu)，透射率為零，從而間接得到試件表面的吸收系數(shù)，進(jìn)而分析顏色和粗糙度與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)之間的關(guān)系．圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面接受的太陽(yáng)輻射由直射、散射和地面反射三部分組成，所以測(cè)定太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)時(shí)采用總輻射光譜，本次試驗(yàn)波長(zhǎng)范圍設(shè)定為280～2 500 nm．

依據(jù)測(cè)定結(jié)果，取顏色試件中吸收系數(shù)最大、最小的兩種工況和粗糙度試件中吸收系數(shù)最大、最小兩種工況，顏色和粗糙度共同考慮，再次制備試件并進(jìn)行吸收系數(shù)的測(cè)定，方差分析其結(jié)果．

1.5 測(cè)定結(jié)果分析

對(duì)六種不同表面顏色和四種不同表面粗糙度試件的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行處理分析，計(jì)算式(1)時(shí)太陽(yáng)輻射照度的光譜密集度和波長(zhǎng)間隔都取自美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTM G173-03(2012)[14]．

(1)表面顏色對(duì)吸收系數(shù)的影響

在太陽(yáng)總輻射光譜中，波長(zhǎng)200～380 nm為紫外線區(qū)，波長(zhǎng)380～780 nm為可見(jiàn)光區(qū)，780～2500 nm為近紅外線區(qū)．太陽(yáng)輻射能量有一半左右都集中在可見(jiàn)光區(qū)，有43%分布在紅外區(qū)，只有很少部分能量分布在紫外線區(qū)[15]．六種不同表面顏色試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3和圖5．

表3 不同表面顏色試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果Tab.3 Measurement results of absorption coefficient of different surface color test pieces

圖5 不同表面顏色試件的反射率和吸收系數(shù)Fig.5 Reflectance and absorption coefficient of different surface color test pieces

從圖表5中可以看出，六種試件中墨黑色的吸收系數(shù)最大為0.953 0，信號(hào)白的吸收系數(shù)最小為0.168 3，相差0.784 7，差距較大，其他試件表面吸收系數(shù)從大到小依次為交通灰B、交通藍(lán)、交通紅、硫磺色，不同表面顏色的六種試件的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)變化較大，可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面顏色對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收有強(qiáng)烈的選擇性．

(2)表面粗糙度對(duì)吸收系數(shù)的影響

粗糙度表征了表面的平整度，與反射率直接相關(guān)，進(jìn)而影響吸收系數(shù)，四種不同表面粗糙度試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4和圖6．

表4 不同表面粗糙度試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果Tab.4 Measurement results of absorption coefficient of different surface roughness test pieces

圖6 不同表面粗糙度試件的反射率和吸收系數(shù)Fig.6 Reflectivity and absorption coefficient of different surface roughness specimens

從表4和圖6中可以看出，四種粗糙度對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)總體介于0.64～0.70之間，粗糙度為10.032 μm的吸收系數(shù)最大，為0.692 7；4.504 μm的吸收系數(shù)最小，為0.648 4，相差0.044 3，其他試件表面吸收系數(shù)從大到小粗糙度依次是8.326 μm、13.423 μm．表面有凹槽的試件粗糙度最大，但吸收系數(shù)小于其他兩種表面處理過(guò)的試件，分析原因是試件只是局部有凹槽，剩余部分完整未被破壞，而其他兩種表面處理過(guò)的試件，試件整體都被破壞，所以對(duì)光譜的選擇性增強(qiáng)．

(3)表面顏色和粗糙度共同作用時(shí)對(duì)吸收系數(shù)的影響

根據(jù)顏色和粗糙度試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果可知，墨黑色和粗糙度為10.032 μm的吸收系數(shù)最大，信號(hào)白和粗糙度為4.504 μm的吸收系數(shù)最小，為探究表面顏色和粗糙度共同作用時(shí)對(duì)吸收系數(shù)的影響，制備四種試件，分別為墨黑色表面有劃痕、墨黑色表面未處理、信號(hào)白表面有劃痕、信號(hào)白表面未處理，并進(jìn)行粗糙度和吸收系數(shù)的測(cè)定，測(cè)試結(jié)果采用方差分析．制備的四種試件見(jiàn)圖7，吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5，方差分析表見(jiàn)表6．

圖7 表面顏色和粗糙度共同作用的試件Fig.7 Test piece with surface color and roughness interaction

表5 表面顏色和粗糙度共同作用試件的吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果Tab.5 Measurement results of absorption coefficient of test pieces of surface color and roughness interaction

表6 吸收系數(shù)測(cè)定結(jié)果方差分析Tab.6 Analysis of variance of measurement results of absorption coefficient

從測(cè)定結(jié)果和方差分析可知，表面顏色與粗糙度相比對(duì)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的影響程度更顯著．

2 表面溫度實(shí)測(cè)

2.1 試驗(yàn)方案

太陽(yáng)輻射照射下，影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱物理性的因素很多，如空氣溫度、室外風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面材料(顏色和粗糙度)、朝向、空氣質(zhì)量、地理緯度等，較為復(fù)雜．本節(jié)采用控制變量、組間對(duì)照的實(shí)驗(yàn)方法，重點(diǎn)研究表面顏色和粗糙度這兩個(gè)與太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)有關(guān)的因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度、單位面積凈得熱量的影響．

測(cè)試時(shí)間為2018年12月13日～18日，地點(diǎn)選在內(nèi)蒙古呼和浩特市(北緯40.50°，東經(jīng)111.40°)，是在內(nèi)蒙古嚴(yán)寒地區(qū)冬季典型氣候條件下進(jìn)行的，測(cè)試期間天氣晴朗無(wú)云，室外空氣溫度在-16.83～3.17℃之間，西北風(fēng)1～2級(jí)．測(cè)試試驗(yàn)選取上述介紹的六種表面顏色的試件和三種表面粗糙度的試件(表2中(a)、(c)和(d))，試件規(guī)格均為30 cm×30 cm×1.7 cm．分別測(cè)試表面顏色和粗糙度對(duì)水泥板試件表面溫度變化的影響．測(cè)試時(shí)間均為兩天，測(cè)試期間，試件被測(cè)表面朝南．

2.2 測(cè)試內(nèi)容與儀器

測(cè)試內(nèi)容主要包括室外空氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和試件表面溫度．室外氣象參數(shù)采用PC-3型便攜式自動(dòng)氣象站，試件表面溫度測(cè)量采用JTNT-C多通道溫度熱流測(cè)試儀，每15分鐘記錄一組數(shù)據(jù)．溫度傳感器布置在試件正中心，溫度傳感器用凡士林與試件被測(cè)面完全接觸，不留空隙，且溫度傳感器探頭用錫紙包裹，以減輕太陽(yáng)輻射對(duì)探頭的溫升效應(yīng)．

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 顏色對(duì)試件表面溫度的影響

六種顏色試件表面溫度實(shí)測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖8，測(cè)試架高0.46 m，測(cè)試時(shí)試件能完全接受到太陽(yáng)輻射，無(wú)高大建筑和樹(shù)木的遮擋．測(cè)試時(shí)間為2018年12月13日10:00～19:30和14日9:00～19:30．依據(jù)測(cè)試出的試件表面溫度、室外氣象參數(shù)對(duì)吸收系數(shù)的影響，分析表面顏色對(duì)試件表面溫度和表面單位面積凈得熱量的影響規(guī)律．

圖8 表面顏色不同時(shí)試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程圖片F(xiàn)ig.8 Test process picture when the surface color is different

(1)試件表面溫度變化規(guī)律

圖9給出了12月14日試件表面溫度的變化曲線．從圖9中可以看出，測(cè)試期間，在白天9:00～17:00時(shí)，六種試件表面溫度有明顯差距，在17:00之后基本重合，這是因?yàn)槿章鋾r(shí)間在17:00左右，日落之后沒(méi)有太陽(yáng)輻射，試件表面只有對(duì)流換熱和長(zhǎng)波輻射換熱，由此可得出，表面顏色主要影響白天太陽(yáng)輻射作用時(shí)試件表面溫度，對(duì)夜間長(zhǎng)波輻射換熱作用下的試件表面溫度影響不大．

白天時(shí)六種表面顏色對(duì)試件表面溫度有不同程度的影響，墨黑色試件表面溫度最高，9:00～17:00間兩日試件表面溫度平均為22.28 ℃，信號(hào)白試件表面溫度最低，日平均溫度為7.08 ℃，二者溫差為15.198 ℃．其他試件表面溫度從大到小依次為交通灰B、交通藍(lán)、交通紅、硫磺色，顏色對(duì)表面溫度的影響規(guī)律正好和顏色對(duì)太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)的影響規(guī)律吻合，可見(jiàn)表面顏色對(duì)溫度的影響根本是其吸收系數(shù)的不同．

(2)試件表面單位面積凈得熱量變化規(guī)律

依據(jù)表面溫度的測(cè)試結(jié)果和六種顏色試件的吸收系數(shù)，分別計(jì)算出各試件的室外空氣綜合溫度和表面單位面積凈得熱量，分析其相應(yīng)的變化規(guī)律．經(jīng)分析測(cè)試期間12月13日和14日表面單位面積凈得熱量的變化規(guī)律基本一致，以下是以14日的數(shù)據(jù)來(lái)具體探究，圖10為各顏色試件表面單位面積凈得熱量的變化情況．

從圖10中可以看出，顏色對(duì)試件表面凈得熱量影響很大，在16:30之后各顏色試件表面單位面積凈得熱量差距不大，而在白天9:00～16:30內(nèi)各顏色試件有明顯差距，交通灰B試件和墨黑色試件在白天9:00～16:00外表面得熱，信號(hào)白試件和硫磺色試件全天外表面散熱，交通紅試件和交通藍(lán)試件在11:30～16:00外表面得熱，其他時(shí)間散熱，觀察16:30左右這個(gè)時(shí)刻，因?yàn)闆](méi)有了太陽(yáng)輻射直射，試件表面凈得熱量驟減，其中交通灰B試件和墨黑色試件凈得熱量衰減的最大，表明深顏色試件受太陽(yáng)輻射影響波動(dòng)較大，淺顏色試件相比波動(dòng)較?。c顏色對(duì)試件表面溫度影響規(guī)律不同的是，交通灰B試件全天凈得熱量最大，這是由于交通灰B試件室外空氣綜合溫度與試件表面溫度的溫差最大．14日全天平均單位面積凈得熱量交通灰B試件最大，為75.45 W/m2，信號(hào)白試件最小，為-96.39 W/m2，兩個(gè)試件相差171.84 W/m2，差距較大．

圖11給出了各顏色試件與自身全天平均單位面積凈得熱量的差值，以此來(lái)看全天試件表面的熱穩(wěn)定性，可以看出交通灰B的日波動(dòng)性最大，與平均凈得熱量最大相差347.18 W/m2，硫磺色的日波動(dòng)性最小，與平均凈得熱量最大相差73.16 W/m2，整體來(lái)看深顏色表面熱穩(wěn)定性較差，淺顏色表面相對(duì)熱穩(wěn)定性較好．

圖9 試件表面溫度變化曲線Fig.9 Test piece surface temperature curve

圖10 試件表面單位面積凈得熱量變化曲線Fig.10 The net heat gain curve per unit area of the test piece surface

圖11 各顏色試件與平均凈得熱量的差值Fig.11 Difference between each color test piece and the average net heat gain

2.3.2 粗糙度對(duì)試件表面溫度的影響

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面并非都是光滑平整的，有的是凹凸不平的，存在一定的表面粗糙度，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面粗糙度不同的原因可能是原本圍護(hù)結(jié)構(gòu)材質(zhì)不同決定的或風(fēng)沙侵蝕等的影響．通過(guò)對(duì)三種粗糙度試件表面溫度的實(shí)測(cè)來(lái)探究表面粗糙度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱環(huán)境的影響．測(cè)試時(shí)間為2018年12月16日10:00～18日6:00，測(cè)試過(guò)程圖片見(jiàn)圖12，依據(jù)測(cè)試出的試件表面溫度、室外氣象參數(shù)對(duì)吸收系數(shù)的測(cè)定，分析表面粗糙度對(duì)試件表面溫度和表面單位面積凈得熱量的影響規(guī)律．

圖12 表面粗糙度不同時(shí)試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程圖片F(xiàn)ig.12 Picture of testtest process when surface roughness is different

(1)試件表面溫度變化規(guī)律

圖13給出了12月16日～18日試件表面溫度的變化情況．從圖13中可以看出，三種表面粗糙度不同的試件表面溫度差距不大，用表面溫度日平均值來(lái)比較，12月16日至18日9:00～17:00的兩日平均溫度分別是，10.032 μm為15.29 ℃、13.423 μm為14.76 ℃、4.504 μm為12.82 ℃，最大與最小的溫差為2.46 ℃；夜間17:00～次日9:00的平均溫度分別是，10.032 μm為-9.13 ℃、13.423 μm為-9.48 ℃、4.504 μm為-9.71 ℃，最大溫差為0.57 ℃，可見(jiàn)表面粗糙度對(duì)太陽(yáng)輻射作用下的試件表面溫度也有不同程度的影響，但影響程度比顏色對(duì)表面溫度的影響程度小，表面粗糙度對(duì)夜間長(zhǎng)波輻射換熱影響不大．

粗糙度對(duì)試件表面溫度的影響是因?yàn)榇植诙仍酱?，表面反射出去的熱量減少，同時(shí)吸收能力增強(qiáng)，表面熱量聚集，溫度升高；光滑表面反射出去的熱量多，同時(shí)吸收能力弱，表面熱量聚集的慢，溫升也緩慢．

(2)試件表面單位面積凈得熱量變化規(guī)律

依據(jù)表面溫度的測(cè)試結(jié)果和三種粗糙度試件的吸收系數(shù)，分別計(jì)算出各試件的室外空氣綜合溫度和表面單位面積凈得熱量，分析其相應(yīng)的變化規(guī)律，以下是以17日的數(shù)據(jù)來(lái)具體探究．圖14為各粗糙度試件表面單位面積凈得熱量的變化曲線．

從圖14中可以看出，三塊粗糙度試件在白天9:00～16:00基本處于得熱狀態(tài)，在6:00～9:00和16:00～23:00之間時(shí)，試件表面散熱，但差距較小，表明粗糙度對(duì)夜間表面凈得熱量影響較小．三塊試件17日全天平均單位面積凈得熱量粗糙度為4.504 μm時(shí)最大，為12.20 W/m2，13.423 μm時(shí)最小，為-16.55 W/m2，兩個(gè)試件相差32.75 W/m2．

圖15給出了各粗糙度試件與自身全天平均單位面積凈得熱量的差值，從試件表面熱穩(wěn)定性來(lái)看，粗糙度為4.504 μm時(shí)表面熱量全天波動(dòng)較大，最大與平均凈得熱量相差262.56 W/m2，13.423 μm時(shí)日波動(dòng)最小，最大與平均凈得熱量相差130.97 W/m2，可見(jiàn)粗糙度越小，表面熱穩(wěn)定性越差，這是由于光滑的表面得到的熱量又迅速反射出去，而粗糙的表面反射出去的熱量較少，都聚集在表面．

圖13 試件表面溫度變化曲線Fig.13 Test piece surface temperature curve

圖14 試件表面單位面積凈得熱量變化曲線Fig.14 The net heat gain curve per unit area of the test piece surface

圖15 各粗糙度試件與平均凈得熱量的差值Fig.15 The difference between each roughness test piece and the average net heat gain

3 結(jié)論

(1)通過(guò)測(cè)定常用表面顏色和粗糙度的吸收系數(shù)，得出墨黑色的吸收系數(shù)最大，為0.953 0，信號(hào)白的吸收系數(shù)最小，為0.168 3，這兩種試件的吸收系數(shù)相差0.784 7．粗糙度為10.032 μm時(shí)吸收系數(shù)最大，為0.692 7，4.504 μm時(shí)的吸收系數(shù)最小，為0.648 4，這兩種試件的吸收系數(shù)相差0.044 3．通過(guò)對(duì)四種顏色和粗糙度共同作用的試件吸收系數(shù)的測(cè)定，方差分析出顏色對(duì)吸收系數(shù)的影響程度高于粗糙度對(duì)其的影響．測(cè)定結(jié)果為后續(xù)溫度實(shí)測(cè)分析和能耗分析提供參數(shù)．

(2)通過(guò)溫度實(shí)測(cè)，分析出表面顏色和粗糙度主要影響白天太陽(yáng)輻射作用時(shí)試件表面溫度，對(duì)夜間表面溫度影響不大，在實(shí)測(cè)期間，夜間各粗糙度試件平均溫度最大偏差為0.57 ℃．

(3)墨黑色試件的表面溫度最高，信號(hào)白試件的表面溫度最低，二者在白天9:00～17:00平均溫度相差15.198 ℃，粗糙度為10.032 μm時(shí)的表面溫度最高，4.504 μm時(shí)的表面溫度最低，二者在白天9:00～17:00平均溫度相差2.46 ℃，可見(jiàn)粗糙度對(duì)表面溫度的影響程度比顏色對(duì)表面溫度的影響程度?。?/p>

(4)全天平均單位面積凈得熱量交通灰B最大，為75.45 W/m2，信號(hào)白最小，為-96.39 W/m2，交通灰B全天表面熱量波動(dòng)最大，硫磺色的最小，可見(jiàn)深顏色表面熱穩(wěn)定性較差，淺顏色表面相對(duì)較好．全天平均單位面積凈得熱量粗糙度為4.504 μm最大，為12.20 W/m2，13.423 μm時(shí)最小，為-16.55 W/m2，粗糙度為4.504 μm時(shí)的表面熱量全天波動(dòng)較大，13.423 μm時(shí)的波動(dòng)最小，可見(jiàn)粗糙度越小，表面熱穩(wěn)定性越差．