建筑反射隔熱涂料對(duì)冬季室溫影響實(shí)測(cè)分析

龐華宇 馬 立

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

建筑反射隔熱涂料(以下簡(jiǎn)稱隔熱涂料)作為一種新的功能型建筑涂料，涂敷在建筑物外墻和屋面時(shí)，可以有效降低太陽(yáng)輻射熱在建筑物外墻或屋面的累積，減少夏季通過(guò)建筑墻體或屋面?zhèn)魅氲绞覂?nèi)的熱量，從而降低空調(diào)能耗，改善室內(nèi)環(huán)境舒適度[1]。早在20世紀(jì)70年代美國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始研究反射隔熱涂料，將其投入使用后，城市熱島效應(yīng)明顯改善，取得顯著成果[2]。為了推動(dòng)此類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展，國(guó)外推出了一系列的政策、法規(guī)、認(rèn)證、檢測(cè)等服務(wù)[3]。我國(guó)學(xué)者對(duì)隔熱涂料理論研究方面有隔熱涂料在夏熱冬冷地區(qū)建筑的應(yīng)用技術(shù)研究[4-5]，隔熱涂料的應(yīng)用與發(fā)展[6-7]等。實(shí)際應(yīng)用方面有舊建筑的節(jié)能改造[8]，長(zhǎng)沙市某地居民樓節(jié)能改造[9]，降低新建廠房的室溫[10]等?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究有隔熱涂料傳熱系數(shù)檢測(cè)[11]、隔熱效果現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[12]、對(duì)隔熱涂料的等效熱阻進(jìn)行實(shí)測(cè)[13]、對(duì)隔熱涂料自然老化進(jìn)行研究[14]、將反射隔熱涂料與墻體內(nèi)外保溫結(jié)合的方式進(jìn)行研究[15]等?？v觀目前的研究，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)多為研究夏季涂料的隔熱能力，對(duì)于隔熱涂料冬天所產(chǎn)生的效果研究較少。

近年來(lái)，隔熱涂料在建筑外墻上使用變得較為廣泛。但在某些關(guān)于隔熱涂料推廣的宣傳報(bào)道中夸大其保溫功能，宣稱其可以替代傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫，對(duì)公眾有一定的誤導(dǎo)，嚴(yán)重影響了圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫技術(shù)的推廣。鑒于此，本文以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)隔熱涂料進(jìn)行冬季效果實(shí)測(cè)，先對(duì)無(wú)內(nèi)熱源的兩樣板間進(jìn)行不同天氣時(shí)室溫的比較，并全程逐時(shí)記錄太陽(yáng)輻射強(qiáng)度[16-17]。接下來(lái)在兩樣板間設(shè)置內(nèi)熱源，在控制室溫為定值22 ℃ 的前提下進(jìn)行發(fā)熱設(shè)備耗電量實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩種形式的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行隔熱涂料冬季所產(chǎn)生效果的研究與分析。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算等效熱阻[18]，對(duì)規(guī)范中等效熱阻的計(jì)算方法提出了改進(jìn)建議。

1 實(shí)驗(yàn)方法及建筑概況

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)所用隔熱涂料的主要性能參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

表1 隔熱涂料主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of thermal insulation coating

(1)隔熱涂料冬季對(duì)無(wú)內(nèi)熱源的房間室內(nèi)溫度影響測(cè)試；

(2)隔熱涂料冬季使用時(shí)，采用內(nèi)熱源(電加熱器)使室內(nèi)溫度恒定時(shí)，內(nèi)熱源耗電量測(cè)試；

(3)不同天氣下的建筑室內(nèi)溫度變化規(guī)律分析；

(4)隔熱涂料是否具有保溫效果檢測(cè)；

(5)綜合國(guó)家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)討論隔熱涂料冬季等效熱阻的計(jì)算方法。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的普通裝飾性涂料，其顏色同隔熱涂料，皆為灰色，普通裝飾性涂料太陽(yáng)輻射吸收率As=0.75，反射率(400～1 800 nm)為69%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)在樓頂搭建的兩間樣板房，對(duì)其中一間涂抹隔熱涂料，對(duì)另一間涂抹普通裝飾涂料，在無(wú)內(nèi)熱源時(shí)對(duì)兩間樣板房的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度(北墻于夏天測(cè)試時(shí)溫差較小，本次實(shí)驗(yàn)不做記錄)與室內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)試，并同時(shí)記錄太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外空氣溫度。最后在兩間樣板房?jī)?nèi)設(shè)置內(nèi)熱源(發(fā)熱設(shè)備)，并控制室溫處于恒定值22 ℃(滿足冬季采暖室內(nèi)外溫差至少大于10 ℃ 的規(guī)范要求)，進(jìn)行發(fā)熱設(shè)備在不同天氣下的耗電量測(cè)試。此處耗電量為發(fā)熱設(shè)備工作時(shí)消耗的電量。當(dāng)室內(nèi)溫度≤22 ℃ 時(shí)發(fā)熱設(shè)備工作，電表記錄發(fā)熱設(shè)備耗電量；當(dāng)室內(nèi)溫度>22 ℃ 時(shí)發(fā)熱設(shè)備停止工作，此時(shí)待室內(nèi)溫度降低為≤22 ℃ 后發(fā)熱設(shè)備繼續(xù)工作，內(nèi)熱源實(shí)驗(yàn)全程由PID溫度控制器控制。其中T型熱電偶在使用前已放于冰水混合物中標(biāo)定，標(biāo)定后將T型熱電偶與水銀溫度計(jì)一起放入無(wú)人室內(nèi)并從早上9點(diǎn)至晚上9點(diǎn)間隔5 min記錄一次室內(nèi)溫度。T型熱電偶各時(shí)刻溫度由安捷倫采集，水銀溫度計(jì)各時(shí)刻溫度由人工采集(采集方式是通過(guò)預(yù)先調(diào)好角度的錄像設(shè)備拍攝后由人工讀數(shù)得出，人員不會(huì)進(jìn)入室內(nèi)，因此不存在人員影響)。通過(guò)水銀溫度計(jì)與T型熱電偶的溫度變化曲線得出此次實(shí)驗(yàn)測(cè)溫最大誤差為 ±0.5 ℃。測(cè)試用儀器設(shè)備如表2所示。此外，參考天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)選定的測(cè)試日程安排如表3所示，表中記錄天氣為實(shí)際天氣狀況。

表2 測(cè)試用儀器及參數(shù)Table 2 Test instruments and parameters

表3 測(cè)試日程表Table 3 Test schedule

樣板房底部為2 m×2 m，房高為2.35 m，為固定樣板房，設(shè)置底座(4個(gè)腳)高0.15 m，樣板房材料(包括地板)為擠塑聚苯乙烯泡沫板，厚度為5 cm，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W·m-1·K-1，為保溫材料。兩間樣板房間距3.5 m(經(jīng)計(jì)算符合互不遮擋距離要求)且完全相同。測(cè)試地點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖1與圖2所示，內(nèi)熱源所用儀器及現(xiàn)場(chǎng)布置圖略。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)布置圖Fig.1 Site layout

圖2 北外墻正視圖Fig.2 Front view of north outer wall

2 數(shù)據(jù)處理及分析

樣板房所使用材料為保溫材料，因此，本次測(cè)試的結(jié)果對(duì)同一部位的內(nèi)外溫度不做比較，只對(duì)兩間樣板房相同的室外部位溫度、室內(nèi)中心溫度進(jìn)行比較。測(cè)試日早9點(diǎn)至晚8點(diǎn)(晚8點(diǎn)開(kāi)始太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為0)的同一時(shí)刻4個(gè)朝向中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的最大值。如表4所示。

表4 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度表(單位：W·m-2)Table 4 Solar radiation intensity table (unit：W·m-2)

2.1 外墻及屋頂分析

(1)圖3中數(shù)據(jù)為7 d實(shí)驗(yàn)東外墻溫差值(用普通涂料房間外墻體溫度減去隔熱涂料外墻體溫度所得)，因測(cè)試數(shù)據(jù)表明各朝向墻體規(guī)律一致，此處不贅述，外墻中選擇東墻進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖3 東外墻溫差Fig.3 Temperature difference of east outer wall

存在太陽(yáng)輻射時(shí)，普通涂料房東外墻溫度高于隔熱涂料房，且隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化而變化。因朝向?yàn)闁|，冬季主要受太陽(yáng)強(qiáng)光直射，時(shí)間為早上9點(diǎn)至11點(diǎn)30分左右，故此段時(shí)間溫差應(yīng)處于上升趨勢(shì)，自11點(diǎn)30分后會(huì)處于下降趨勢(shì)。此外，第二天夜晚小雨，所以第三天在太陽(yáng)直射東外墻的時(shí)間段內(nèi)，兩墻體最大溫差低于第二天且溫差增長(zhǎng)速率也慢于第二天。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為零后(具體時(shí)間如表4所示)，普通涂料房東外墻溫度低于隔熱涂料房。這是因?yàn)樵撏苛蠈?duì)熱量的雙向反射作用阻礙室內(nèi)的熱量朝室外傳遞，導(dǎo)致夜晚與白天相反的溫度情況。因此，隔熱涂料起到了一定的保溫作用。

(2)圖4為兩樣板間屋頂溫差圖。有太陽(yáng)輻射時(shí)，屋頂全天受太陽(yáng)直射，兩屋頂溫差隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增大而持續(xù)增加，最大溫差為 14.7 ℃。由于第二天夜晚小雨，所以第三天屋頂最大溫差也低于第二天。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為零后，兩樣板間屋頂溫差變化規(guī)律和外墻一致。

圖4 屋頂溫差Fig.4 Roof temperature difference

2.2 室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)分析

兩樣板房室內(nèi)溫差如圖5所示。從圖5可以看出,從9點(diǎn)至19點(diǎn)，除去第六天陰天外其余溫差都大于零，即普通涂料房間溫度高于隔熱涂料房間溫度，屬于正常情況。但當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為零后，也就是從20點(diǎn)開(kāi)始，普通涂料房間溫度開(kāi)始低于隔熱涂料房間溫度，且最大溫差達(dá)到1.1 ℃。此處值得注意的是，因熱電偶存在誤差，所以將進(jìn)行內(nèi)熱源實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證隔熱涂料是否會(huì)起到一定的保溫作用。

圖5 兩樣板房室內(nèi)溫差圖Fig.5 Indoor temperature difference of two sample rooms

2.3 內(nèi)熱源實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證2.1節(jié)中分析,內(nèi)熱源實(shí)驗(yàn)分為晴天與陰雨天兩組試驗(yàn),并且晴天時(shí)將有太陽(yáng)輻射與沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)間段分開(kāi)記錄，目的是測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在時(shí)與不存在或較小時(shí)內(nèi)熱源耗電高低，從而檢測(cè)隔熱涂料是否具有保溫功能[19]。該實(shí)驗(yàn)全程將室溫控制在22 ℃，由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試耗電量，因此，此處不再列出太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。晴天測(cè)試時(shí)間為2021年1月11日11點(diǎn)至2021年1月15日11點(diǎn)，共計(jì)4 d，皆為晴天，耗電量如圖6-圖8所示。

陰天測(cè)試時(shí)間為2021年1月16日10點(diǎn)至2021年1月18日10點(diǎn)，共計(jì)兩天，為陰天，但存在少量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，數(shù)據(jù)如表5所示。

從圖6-圖8及表5可知，晴天中存在太陽(yáng)輻射時(shí)隔熱涂料房間耗電高于普通涂料房間，不存在太陽(yáng)輻射時(shí)兩房間耗電量近似相等，若隔熱涂料不存在保溫功能，那么兩者的耗電量差距應(yīng)維持有太陽(yáng)輻射的耗電量差值，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知耗電量差值在縮小甚至隔熱涂料房間有時(shí)小于普通涂料房間，所以隔熱涂料存在保溫功能。再通過(guò)陰天(有少量的太陽(yáng)輻射)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，隔熱涂料房間耗電量小于普通涂料房間。

圖6 晴天有太陽(yáng)輻射時(shí)兩房間耗電量Fig.6 Power consumption of two rooms in sunny day with solar radiation

圖7 晴天無(wú)太陽(yáng)輻射時(shí)兩房間耗電量Fig.7 Power consumption of two rooms on sunny day without solar radiation

圖8 晴天兩房間總耗電量Fig.8 Total power consumption of two rooms on sunny days

表5 內(nèi)熱源實(shí)驗(yàn)耗電量表(單位：kWh)Table 5 Power consumption scale of internal heat source experiment (unit：kWh)

2.4 保溫效果定量分析

因隔熱涂料具有保溫作用且通過(guò)數(shù)據(jù)可知夜間隔熱涂料房間溫度與普通涂料房間溫度相差最大，達(dá)到1.1 ℃，平均溫差為0.4 ℃。通過(guò)計(jì)算隔熱涂料的等效熱阻值，可得出該涂料是否具有保溫作用。值得注意的是，隔熱涂料的等效熱阻夏季與冬季應(yīng)分別計(jì)算，不能采用產(chǎn)品給定熱阻值，因其測(cè)試是在模擬光源的條件下進(jìn)行，與太陽(yáng)光光譜相差較大。計(jì)算分為兩部分：一為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度存在時(shí)；二為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不存在后且兩室內(nèi)溫度達(dá)到一致時(shí)至第二天清晨計(jì)算得出的熱阻值。計(jì)算結(jié)果如表6所示(無(wú)內(nèi)熱源)。

表6 等效熱阻值(單位：m2·K·W-1)Table 6 Equivalent thermal resistance value (unit：m2·K·W-1)

由實(shí)驗(yàn)室光源模擬實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的等效熱阻值為0.28 m2·K·W-1，而通過(guò)夏季實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的夏季熱阻計(jì)算值為0.2 m2·K·W-1。由上述數(shù)據(jù)對(duì)比可知，夏季與冬季的等效熱阻值的確不同，且實(shí)驗(yàn)室光源模擬實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所測(cè)等效熱阻值也存在差異。表中負(fù)值表明隔熱涂料不節(jié)能，即對(duì)室溫會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。從第一部分與第二部分的數(shù)據(jù)可以看出，存在太陽(yáng)輻射時(shí)，隔熱涂料確有副作用，這與其原理符合；太陽(yáng)輻射不存在時(shí)，數(shù)值為正，說(shuō)明起保溫作用。

2.5 規(guī)范中等效熱阻計(jì)算方法討論與分析

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 25261—2010建筑用反射隔熱涂料》中的等效熱阻計(jì)算見(jiàn)公式(1)：

(1)

式中：ε為全年傳熱修正值；R為涂料基層墻體熱阻，單位為m2·K·W-1。

(2)

式中：εs為夏季傳熱系數(shù)修正值；εw為冬季傳熱系數(shù)修正值；分母為夏季制冷與冬季采暖度時(shí)數(shù)之和。

由公式(1)可知等效熱阻的正負(fù)大小與全年傳熱修正值密切相關(guān)，而全年傳熱修正值(見(jiàn)式(2))與夏季和冬季的修正值、度時(shí)數(shù)有關(guān)，若按上述公式計(jì)算隔熱涂料的等效熱阻值將全年相同。

GB/T 25261—2018已將GB/T 25261—2010中等效熱阻計(jì)算方式刪除，說(shuō)明其存在部分問(wèn)題。中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 359—2015中等效熱阻是按照氣候分區(qū)直接選?。徊糠值貐^(qū)如江蘇省出臺(tái)的DGJ32/TJ 165—2014規(guī)范，采用的計(jì)算方法同上述公式，但其規(guī)定若計(jì)算困難則直接將外墻等效熱阻取0.26 m2·K·W-1，屋頂取0.3 m2·K·W-1。按照四川省地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 51/T 021—2013中等效熱阻計(jì)算方法所得到的等效熱阻全年為定值，并且計(jì)算等效熱阻附加系數(shù)時(shí)已默認(rèn)夏季為正，冬季為負(fù)。其余地區(qū)計(jì)算等效熱阻也是全年為定值，這樣的計(jì)算方式不夠精確，應(yīng)對(duì)隔熱涂料等效熱阻的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。隔熱涂料等效熱阻值的計(jì)算應(yīng)將冬季與夏季分開(kāi)，不得明確夏季附加正值或冬季附加負(fù)值。隔熱涂料節(jié)能效果評(píng)估各地應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)條件進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，最終取均值給出評(píng)估結(jié)論。

3 結(jié)論

通過(guò)綜合有無(wú)內(nèi)熱源的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析計(jì)算后得出如下結(jié)論：(1)實(shí)驗(yàn)所用隔熱涂料在無(wú)內(nèi)熱源、晴天的情況下，在太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度的上升存在阻礙作用，最不利溫差為3.4 ℃；當(dāng)太陽(yáng)輻射接近于0后，即從傍晚進(jìn)入深夜兩者差值逐漸變小，最大反差值為1.1 ℃。(2)實(shí)驗(yàn)所用隔熱涂料在有內(nèi)熱源、室溫控制在22 ℃，晴天、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈時(shí)耗電量高于普通涂料房間，太陽(yáng)輻射接近于0后耗電量?jī)烧叱制?；在存在少量太?yáng)輻射的陰天時(shí)，耗電量略小于普通涂料房間。結(jié)合等效熱阻計(jì)算值，白天為負(fù)值表明不節(jié)能，夜晚為正值表明節(jié)能，全天綜合后為負(fù)值的天數(shù)大于為正值的天數(shù)，說(shuō)明隔熱涂料在整個(gè)冬季會(huì)增加采暖能耗，但根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)與內(nèi)熱源耗電量情況可知增加采暖能耗幅度較小，因此可忽略隔熱涂料冬季存在的不節(jié)能作用。此外，建議將隔熱涂料與自保溫系統(tǒng)復(fù)合使用。(3)應(yīng)對(duì)目前隔熱涂料的節(jié)能效果評(píng)估方式進(jìn)行改進(jìn)。地區(qū)不同效果不同，因此各地使用隔熱涂料時(shí)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厥彝鈿庀髤?shù)條件對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，最終取均值給出評(píng)估結(jié)論。(4)因?qū)嶒?yàn)室的模擬光源與太陽(yáng)光光譜有著較大區(qū)別，所以對(duì)隔熱涂料等效熱阻值的檢測(cè)應(yīng)主要采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方式。