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建筑隔热保温涂料节能效果评价指标及方法综述,列举和分析了我国建筑隔热保温涂料相关标准的热工性能指标
2019年12月16日    阅读量:1077     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

随着环境问题的日益突出以及煤、石油和天然气等能源的紧缺,能源问题已经成为制约社会经济发展的一个重要因素。而建筑能耗在总能耗中占有很大的比例,据统计, 2014 年全球40%的能源消耗来源于建筑领域,而在建筑物使用期间暖通设备消耗了大量的能源,其中建筑外围护结构能耗占建筑总能耗50%以上,建筑外围护结构的热损失约占建筑全部能耗损失的70%~80%。


因此,提高建筑物外围护结构的隔热保温性能是减少建筑能耗的最有效方法中国建材网cnprofit.com。另一方面我国建筑面积巨大,而需要对围护结构进行隔热保温改建的建筑面积也十分庞大。预期到2020 年,全国住宅建设面积将达到686 亿m2,这不仅需要新建筑的高效节能设计标准,而且更要对现有400 亿m2 的旧建筑进行围护结构的节能改造,住建部统计数据显示,近1 /3 的现有老旧建筑需要进行节能改造。


为了缓解能源压力,减少建筑能源消耗,发展绿色建材,外墙隔热保温材料作为建筑围护结构隔热保温的重要组成部分发展最为迅速,而市场上各类建筑保温材料特别是建筑保温隔热涂料等一些新型材料也层出不穷。为了更好地评价隔热保温涂料的节能效果,推进隔热保温涂料在工程上的应用,我们迫切需要一种准确有效的建筑隔热保温涂料节能效果的评价方法。


本文罗列了隔热保温涂料的相关标准,提炼了隔热保温涂料标准中有关节能效果的评价指标,对隔热保温涂料的评价指标进行了总结,并分析了不同标准的特点和不足。此外对国内外隔热保温涂料节能效果评价的相关研究进行了介绍,总结了目前隔热保温涂料节能效果的评价方法以及国内外对于隔热涂料节能效果评价的一些研究成果。


1 隔热保温涂料分类及工作机理

热传递主要有导热传热、对流传热和辐射传热三种途径,隔热保温涂料的性能是由这三种热传递方式的综合效应决定的。目前,应用较为广泛的隔热保温涂料按照其隔热保温机理的差异可以分为阻隔型隔热保温涂料、反射型隔热保温涂料和辐射型保温隔热涂料。阻隔型隔热涂料是一种具有较低导热率和较高热阻抗的隔热涂料。


这种涂料一般采用具有较低导热率的骨料或者在涂膜中通过导入隔热效果较好的空气来获得优异的隔热保温性能,其导热率一般小于0. 06 W/( m·K) 。反射型隔热保温涂料是选取合适的基料、颜料和填料制备出具有高太阳反射比的涂层,实现对可见光与近红外光等特定波段的高效反射。


辐射型隔热保温涂料是一种以辐射的形式把涂料吸收的太阳辐照以一定的波长发射到空气或太空中,来达到优异的隔热保温效果的一类保温隔热涂料。因此,太阳反射率和红外发射率是建筑隔热保温涂料的两项重要评价指标,这两种性能分别意味着阻隔太阳辐射传递到外围护结构上的热量和实现围护结构吸收热量的返还。


2 隔热保温涂料评价指标

建筑隔热保温涂料的节能效果评价指标主要包括: 围护结构内、外表面温度,隔热温差,等效热阻,节电率等,同时也包括涂料本身的太阳反射率和红外发射率。

目前我国制定了一系列针对建筑隔热保温涂料的标准,主要包括: JGT235—2008《建筑反射隔热涂料》、GB /T25261—2010《建筑用反射隔热涂料》、JGJ /T359—2015《建筑反射隔热涂料应用技术规程》、JGJT287—2014《建筑反射隔热涂料节能检测标准》和JGT 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》等,其中2014 年发布的建筑工业行业标准JG /T 235—2014《建筑反射隔热涂料》代替了JGT235—2008。JGT235—2008《建筑反射隔热涂料》规定了反射隔热涂料的相关性能指标要求。其中有关热工性能的指标包括太阳反射比、半球发射率、隔热温差和隔热温差衰减等四项。

隔热性能指标要求

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本标准也给出了隔热温差、太阳辐射得热、外表面与外界换热等相关热工参数的计算公式。相比于JGT235—2008《建筑反射隔热涂料》, JGT 235—2014《建筑反射隔热涂料》将反射隔热涂料按照明暗度进行划分,将原标准中有关隔热温差以及隔热温差衰减这两项指标的条款删除,增加了污染和人工气候老化后太阳光反射比变化率和近红外反射比这几项指标。此标准之前提出的隔热温差评价指标能够有效地表征隔热保温涂料的隔热效果,但其温差检测的设计方法还不完善,因此在修订之后将其删除。


GB /T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》规定了太阳反射比、半球发射率和反射隔热涂料等效热阻的测试计算方法以及相关限值。此项标准给出了反射隔热涂料等效热阻的计算公式:

建筑隔热保温涂料节能效果评价指标及方法综述,列举和分析了我国建筑隔热保温涂料相关标准的热工性能指标 中国建材网,cnprofit.com

式中: Re为外墙或屋面使用建筑反射隔热涂料的等效热阻,m2·K /W;ε 为外墙或屋面使用建筑反射隔热涂料的年传热系数折减系数;R 为外墙或屋面未使用建筑反射隔热涂料的传热阻,m2·K /W。

《建筑用反射隔热涂料》提出了等效热阻这一指标,将反射隔热涂料增加的隔热性能折算为等效热阻,引入这一热工性能为节能效果的计算提供依据;但标准中仅规定了太阳反射比、半球发射率这两次光学指标,这两项指标并不是节能效果的有效评价指标,因为隔热涂料在不同波段内的反射比和发射率对其节能效果有很大的影响,因此单纯依据太阳反射比、半球发射率并不能准确地评价反射隔热涂料的节能效果。


JGT 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》提出了17 项建筑热反射涂料的相关技术指标,其中有关隔热性能的指标主要包括太阳反射比和半球发射率这两项指标。


JGJ /T 359—2015《建筑反射隔热涂料应用技术规程》规定了污染后的外墙及屋面太阳辐射吸收系数范围,也规定了外墙或屋面的传热系数应该采用的等效热阻的取值方法和传热系数计算公式,其中等效热阻可以采用综合温度法或年耗电指数法等方法来确定。

建筑隔热保温涂料节能效果评价指标及方法综述,列举和分析了我国建筑隔热保温涂料相关标准的热工性能指标 中国建材网,cnprofit.com

式中: K'为外墙或屋面使用建筑反射隔热涂料的传热系数,W/( m2·K) ;K 为外墙或屋面未使用建筑反射隔热涂料的传热系数,W/( m2·K) ;Req为外墙或屋面使用反射隔热涂料的等效热阻,m2·K /W。

JGJT287—2014《建筑反射隔热涂料节能检测标准》将建筑反射隔热涂料节能检测分为实验室检测和现场检测。实验室检测中,太阳反射比测试采用绝对光谱法、相对光谱法和辐射积分法; 半球发射率可采用辐射计或红外分光光度计检测。现场检测只规定了太阳反射比的现场检测方法,其中包括相对光谱法和辐射积分法。


通过对我国目前隔热保温涂料相关标准的总结,可以看出我国隔热保温涂料的评价指标主要是太阳反射比和半球发射率; 这两项指标虽然是衡量隔热保温涂料光学性能的重要指标,但仅依据这两项指标并不能准确地评价隔热保温涂料的节能效果,特别是对于阻隔型隔热保温涂料、辐射型隔热保温涂料和复合型隔热保温涂料等。隔热保温涂料不同波段的反射比和发射率对于其隔热性能有较大影响,其等效热阻或者是隔热温差也是衡量隔热保温涂料的节能效果的比较直观的评价指标。


对于太阳反射比和半球发射率这两项指标,其在不同波段的发射率对于隔热保温涂料特别是外墙用隔热保温涂料有较大的影响。这是因为太阳辐射能量主要集中在可见的近红外波段,因此在这个波段内太阳反射比越高,对于节能效果越有利。而在8~13. 5 μm存在一个大气窗口,这个波段内对于大气中的CO2和水蒸气等对这些光谱几乎是不吸收的,它们会无阻碍地通过大气,直接向太空辐射,且这个波段受太阳辐射较小,因此在这个波段内涂料的发射率越高其节能效果越好。



3 隔热保温涂料节能效果研究

目前针对隔热保温涂料节能效果的研究主要包括现场实测研究和能耗软件模拟研究两种方法。隔热保温涂料节能效果的现场实测研究一般通过研究围护结构内外表面以及室内的温度变化情况和应用隔热保温涂料后耗电量的变化来体现。其中围护结构内外表面以及室内的温度变化情况主要是指使用隔热保温涂料后的内外表面的温度与未使用隔热保温涂料内外表面温度的差值,以及室内温度的变化情况等。

3. 1 隔热保温涂料节能效果实测研究方法

隔热保温涂料节能效果的实测研究是通过将隔热保温涂料涂覆在建筑物的外墙或屋面来测试建筑物相关的热工参数的变化情况。目前,国内外一般采用对比的方法,即在两间相同房间的围护结构内外表面和室内布置温度传感器,分别在两个房间外涂覆隔热保温涂料和普通涂料,一般通过测量房间中一天内围护结构内外表面的温度以及室内的温度来评价隔热保温涂料的隔热效果。


最直观的隔热效果一般体现在围护结构外表面温度的变化情况,Synnefa 等人研究了14 种反射涂层的热工性能,通过对比使用隔热涂层后外表面的温度情况,结果表明隔热涂层可以有效地降低建筑混凝土表面的温度,其中白天降低4 ℃,夜晚降低2 ℃。这种方法主要适用于反射隔热涂料,这种方法能够较为直观的表征涂料的隔热效果。但这种方法并不能够得出使用隔热涂料后其传热量的变化情况和节能效果,且一般用于评价夏季的隔热效果。


其次,通过对比使用涂料建筑后用电量的变化情况也是判定隔热保温涂料节能效果的主要方式。Guo等人研究了反射隔热涂料应用在夏热冬冷地区建筑空调的能耗情况,室外建立了两个相同的试验房,其中一个试验房东、西和南面墙涂刷隔热反射涂料,另一个试验房做空白对照。实验证明,热反射隔热涂料能有效降低外墙表面温度达8~10 ℃,夏季月平均用电量节约5. 8 kW·h /( m2·month) 。江飞飞对于夏热冬暖地区热反射涂料使用在屋面上的夏季隔热和节能效果进行了测试。


结果表明,屋面使用热反射涂料后,夏季晴天午后屋面外表面温度降低了10~15 ℃,隔热效果比较明显,典型夏季日平均单位面积降低空调能耗0. 073 kW·h。Ronnen Levinson 等人对于建筑屋面使用反射隔热涂料的节能效果进行了研究,结果表明采用反射隔热涂料后夏季空调能耗降低了10%~30%,而对于之前未作保温施工的老旧建筑来说,其节能效果更加明显。通过评价使用隔热涂料后的空调能耗情况是评价隔热涂料的节能效果最直观有效的一种评价方法,并且这种方法对于绝大多数隔热保温涂料均适用,但这种方法的测量周期比较长。


采用对比空调能耗的方法也可以评价隔热保温涂料全年的节能效果。Androutsopoulos 等人在希腊一所学校的教学楼屋面上涂覆了隔热保温涂料,并与附近另一所相似的教学楼进行了对比,测试了隔热保温涂料对于屋面节能的作用。结果表明: 应用隔热涂料后10 天,屋内空气的平均气温降低了1. 3~2. 3 ℃,在全年的评估中,夏季制冷能量需求降低了30%,冬季取暖能量消耗则增加了12%。


对于辐射型隔热保温涂料等其他一些隔热保温涂料,采用测量外表面温度的方法并不能评价其隔热保温效果,目前一般采用测量其传热系数、等效热阻或者测量空调能耗的方法来评价。黄兴等人针对一种高红外发射率隔热涂料进行了保温节能效果的实测研究,实验表明当墙体外侧涂刷这种保温隔热涂料后,墙体的传热系数由1. 32 W/( m2·K ) 下降到0. 65 W/( m2·K) ,建筑墙体的散热量降低了46. 15%。Meng 等人以等效热阻作为评价指标,通过设计四个热箱对隔热保温涂料的隔热性能进行了研究,并与XPS、EPS 材料以及空白组进行对比。


分别研究了不同材料的蓄热能力和节能效果。结果表明,相比于其他两种材料反射隔热涂料具有最好的蓄热能力; XPS、EPS 和隔热保温涂料分别降低能耗46. 05%,31. 49%, 59. 16%。


3. 2 隔热保温涂料节能效果软件模拟方法

近些年来,随着能耗模拟软件的不断发展和完善,对于建筑物能耗的模拟结果也越来越精确。目前,较为成熟且应用比较广泛的能耗模拟软件主要有EnergyPlus、DOE - 2、DeST 等几种。因此,一些学者也采用能耗模拟软件或者通过理论计算来模拟使用隔热保温涂料后建筑物的节能效果。这种方法能够针对具体的建筑建立建筑模型,通过软件改变围护结构表面太阳反射比和热阻等参数,模拟使用隔热涂料后建筑的节能效果。


J. H. Jo 等人根据施工图建立了建筑模型,采用Energyplus软件对这栋建筑全年的运行能耗进行了模拟,结果表明如果整个屋面全部涂刷反射隔热涂料,平均每个月能耗可以降低2. 6%~3. 8%,每年可以节约10 600 美元。Synnefa 等人对屋面使用反射隔热涂料后的冷负荷和热环境的舒适度进行了模拟和评估,研究结果表明,在屋面使用反射隔热涂料后,当屋面的太阳反射率达到0. 65 时: 冷荷载降低了8~48 kW·h /m2 ; 不舒适温度的小时数减少了9%~100%;峰值温度降低了1. 2 ~ 3. 7 ℃。罗庆等人采用EnergyPlus软件模拟了反射隔热涂料涂覆在屋面后对重庆地区建筑全年能耗的影响,结合重庆地区的气候特点并根据该地区建筑屋顶反射率的测试结果,分析了冷屋顶在重庆地区的节能效果。


模拟的结果表明,平均屋顶反射率每升高0. 1,每平方米建筑平均节约能量0. 326 kW·h。采用能耗模拟的方法能够针对具体建筑,对于建筑设计具有一定帮助,但这种方法一般用于评价隔热机理相对简单,应用较为成熟的隔热保温涂料; 对于隔热机理较为复杂等一些新型的隔热保温涂料,这种方法很难有效地进行评估。


4 结论

目前中国有关隔热保温涂料的标准主要是针对反射型隔热保温涂料,对于辐射型等一些其他类型的隔热保温涂料相关标准较少。虽然不同标准对于相关指标测试方法和限值略有差异,但基本都将太阳光反射比和半球反射率作为各热反射涂料的主要评价指标和技术参数。


但是,目前无论是通过年传热系数的修正系数计算等效热阻还是通过实测计算等效热阻,都是采用室外综合温度来计算。而目前,对于室外综合计算温度的计算,目前的公式只考虑到太阳辐射吸收系数对于围护结构外表面的影响,而没有考虑隔热保温涂料的辐射性能,特别是红外辐射性能的影响。此外,目前隔热保温涂料的相关标准提出的热工参数并不能直接反映出涂料的节能效果,并且不同波段的太阳反射比和发射率对于节能效果有很大的影响。


综上所述,隔热涂料的评价指标应该包括太阳反射比、近红外反射比、全波段发射率、8~13. 5 μm 特征波段的发射率,以及隔热保温涂料的等效热阻。隔热保温涂料在工程中节能效果的评价目前主要包括实测研究和软件计算或模拟两种方法。实测方法主要是采用对比的方法,测量使用隔热涂料后围护结构内外表面以及室内温度的变化情况和空调的能耗情况。


通过介绍国内外对于隔热涂料节能效果的评价研究,上述方法能够证明隔热保温涂料对于夏季围护结构表面温度降低和空调的节能具有一定的作用。但是单纯通过围护结构表面温度的变化不能得出围护结构传热的变化情况,因此并不能说明其对建筑节能效果的影响,且这种方法的适用范围较窄。通过软件的能耗模拟,能够证明建筑隔热保温涂料在夏季工况下具有较好的节能效果,这种方法对于评价隔热保温机理较为清晰简单的涂料具有很好的效果。


此外,目前有关建筑隔热保温涂料节能效果的研究主要集中在反射隔热涂料节能效果的研究和夏季节能效果的研究,对于辐射型隔热保温涂料等一些新型的隔热保温涂料和隔热保温涂料全年节能效果的研究将会是今后建筑隔热保温涂料节能效果评价的重点研究对象。测量使用隔热保温涂料后,围护结构传热的变化情况及空调全年的能耗情况是评价隔热保温涂料节能效果的较好方法。

建筑隔热保温涂料节能效果评价指标及方法综述*

姜硕1,2, 蒋荃1,2, 孙飞龙1,2( 1. 中国建筑材料科学研究总院有限公司绿色建材国家重点实验室,北京100024;2. 中国建材检验认证集团股份有限公司,北京100024)


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