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反射隔热涂料节能降温效果探讨,系统研究了反射隔热涂料的太阳能反射率和辐射率对建筑物表面温度和室内温度的影响,中国建材网,cnprofit.com
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反射隔热涂料节能降温效果探讨,系统研究了反射隔热涂料的太阳能反射率和辐射率对建筑物表面温度和室内温度的影响
2020年02月05日    阅读量:727    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

反射隔热涂料是近年发展起来的一种新型节能材料,它是指具有较高太阳能反射率和半球辐射率,可以达到明显隔热效果的涂料[1]。GB/T 25261-2010中规定反射隔热涂料的反射率≥80%,辐射率≥80%。众所周知,太阳光主要由紫外光、可见光和红外光组成中国建材网cnprofit.com


其中红外光占太阳辐射能量的45%,可见光占50%,紫外光占5%。反射隔热涂料中含有的高反射率和高辐射率的功能材料将太阳能通过反射和热辐射的形式隔绝在建筑体外,从而达到节能降温的目的。


实际测试证明,反射隔热涂料对于降低被晒建筑物表面温度和室内温度的效果明显[2-5]。但是反射隔热涂料的节能降温理论计算一直以来存在着较大的争议。GB/T 25261-2010《建筑用反射隔热涂料》中引入了等效涂料热阻的概念来计算隔热涂料的节能效果。


谭亮研究了反射隔热涂料反射率以及墙体传热系数对夏季室内降温与节能效果的影响[6]。但现有的节能计算中往往只研究反射率对节能降温的影响,而辐射率的影响却被忽略。此外,太阳辐射强度、风速等外界环境条件对反射隔热涂料节能降温效果的影响也鲜有报道。


本文针对以上存在的问题,建立了具体的研究模型,研究了反射隔热涂料对房屋外表面温度和室内温度的影响,探讨了两种不同外界环境条件下反射隔热涂料降温效果。


1 研究模型的建立

试验以北京夏季气候作为研究条件,具体为室外温度Ta=308 K(35 ℃),室外风速v=3 m/s,太阳辐射强度I=1 003 W/m2 [7]。由于建筑物屋顶的太阳辐射最大,反射隔热涂料的作用更加明显,更易看清变化趋势,因而我们选取无限大建筑顶层的一个房间为研究对象,屋顶与水平面夹角不大于9.2°[8],太阳只能照射到此房间的屋顶。


屋顶外表面涂刷反射隔热涂料,研究对象与相邻房间室内温度相同。屋顶的传热系数K=1.5 W/(m2·K),屋内其他墙体(包括地板)的传热系数K'=2 W/(m2·K),建筑内部温度T'=299 K(26℃),以下模拟计算如无特殊说明均按以上条件计算。

传热模型如图1所示。

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传热模型示意图

2 反射隔热涂料节能降温分析

建筑物使用反射隔热涂料后建筑物外表面具有较高的反射率和辐射率,最直接的效果就是降低房屋外表面温度和室内温度。下面从房顶外表面温度和室内温度两个方面来研究反射隔热涂料的节能降温效果。

2.1 外表面温度Tsf

在导热系数等于零的情况下(对流和辐射传热系数之和远大于导热系数时,导热系数约等于零),屋顶外表面的温度满足式(1)关系[8]:

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式(1)中:

ρ——太阳能反射系数;

I ——太阳能辐射强度, W/m2;

ε ——屋顶辐射率;

σ ——斯特潘-波兹曼常数,5.67×10-8 J/(s·m2·K4);

Tsf ——屋顶外表面温度,K;

Tsky ——天空温度,K,按ISO13790-2008中11.4.6规定取值Ta-11 K;

hc ——对流传热系数,W/(m2·K);

Ta ——室外温度,K。

对流传热系数hc按式(2)计算[10]:

hc =4 + 4v (2)

式(2)中:

v——室外风速,在本研究条件下v取3 m/s。

在给定研究条件下,屋顶外表面温度Tsf是太阳能反射系数ρ和屋顶辐射率ε的函数,如式(3):

Tsf=f(ρ,ε) (3)

由(1)式计算可得,屋顶外表面温度Tsf随太阳能反射系数ρ和屋顶辐射率ε的变化如图2所示。

屋顶外表面温度与太阳能反射率、辐射率之间的关系

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由图2可知,屋顶的反射率和辐射率与其外表面温度关系密切。当屋顶外表面的反射率和辐射率升高时可以显著降低屋顶表面温度。在设定的条件下,屋顶外表面的反射率由0变化到1(反射率和辐射率在实际情况不可能达到0或1,这里仅用来说明变化趋势,下同),辐射率等于0.9时,屋顶外表面温度由348K变化到305 K,温度下降43 K。当辐射率由0变化到1,屋顶外表面的反射率等于0.5时,屋顶温度由339 K变化到326 K,温度下降13 K。并且可以看出,反射率越小,屋顶辐射率的变化(ε1→ε2)对屋顶表面温度影响越明显;


辐射率越小,屋顶反射率的变化(ρ1→ρ2)对屋顶表面温度影响越明显。在设定条件下水泥基底(ρ=0.3, ε=0.95)对应的表面温度约为335.5 K;普通涂料(ρ=0.5, ε=0.9)[7]对应表面温度328.4 K,而反射隔热涂料(ρ≥0.8, ε≥0.8)对应表面温度不高于314.8K。可见屋顶使用反射隔热涂料后表面温度相对于水泥基底下降20.7 ℃,相对于普通涂料下降13.6 ℃。



2.2 室内温度Ti

在传热模型图1描述的研究对象中,进入房间的热量Q为:

Q = (Tsa - Ti)· K· A (4)

式(4)中:

Q ——进入房间的热量,W;

Tsa ——室外综合温度,K;

Ti ——室内温度,K;

K ——屋顶传热系数,W/(m2·K);

A ——屋顶面积,m2。

房间散失的热量Q' 为:

Q' = (Ti - T ')· K'· A (5)

式(5)中:

Q' ——房间散失的热量,W;

Ti ——室内温度,K;

T' ——建筑内部空气温度,K;

K' ——内墙(楼板)的传热系数,W/(m2·K);

A ——内墙(楼板)的传热面积(假设楼板面积与房顶面积相等),m2;

当室内外传热达到平衡状态时,Q=Q'即:

(Tsa - Ti)·K·A = (Ti - T ')·K'·A (6)

得:

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由式(7)可知,在设定屋顶传热系数K,楼板传热系数K',建筑内部温度T '的情况下,只要确定室外综合温度Tsa就可以计算出室内温度。

室外综合温度Tsa按式(8)计算[9]:

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式(8)中:

Ta ——室外温度,K;

α ——太阳能吸收系数;

I ——太阳能辐射强度,W/m2;

αe ——外表面换热系数,W/(m2·K);

ΔQir ——由于室外温度与天空温度不同所产生的红外辐射;

Fr ——形状因子,按ISO13790-2008中11.4.6规定对于非遮盖的平面屋顶取值 ——1;

hr ——辐射传热系数,W/(m2·K);

Δ Ta-sky ——室外温度与天空温度之差,按ISO13790-2008中11.4.6规定取值11 K;

外表面换热系数αe按式(9)计算[10]:

αe = hr (9)

即外表面换热系数等于对流传热系数与辐射传热系数之和。需要特别指出,在GB50176-93附表2.3中规定夏季外墙、屋顶外表面换热系数αe取值19 W/(m2·K),但对于计算屋面反射率、辐射率特别是外界风速等因素对室外综合温度的影响时,对流传热系数和辐射传热系数变化较大,表面换热系数不能取定值而应根据实际参数进行计算。

辐射传热系数hr按式(10)计算[10]:

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式(10)中Tm为天空温度与室外表面温度的算术平均值,即:

Tm = 0.5(Tsky + Tsf) (11)

综合以上(7)、(8)、(9)、(10)、(11)式可得:

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在设定的条件下,室内温度Ti是屋顶太阳能反射率ρ和辐射率ε的函数。

Ti=f(ρ, ε ) (13)

由(12)式计算可得,室内温度Ti随太阳能反射系数ρ和屋顶辐射率ε的变化如图3所示。

室内温度与太阳能反射率、辐射率之间的关系

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由图3可以看出,屋顶外表面的反射率和辐射率与室内温度关系密切,与对屋顶外表面温度影响趋势基本一致,但变化绝对值相比屋顶表面温度较小。在设定的条件下,辐射率等于0.9时,反射率由0变化到1,顶层室内温度由320.2 K变化到301.6 K,温度下降18.6 K;


当反射率等于0.5时,辐射率由0变化到1,屋顶温度由316.3 K变化到310.8 K,温度下降5.5 K,可见屋顶外表面反射率和辐射率升高都可以显著降低建筑物的室内温度,并且反射率的升高对降低室内温度的效果更显著。在设定条件下,水泥基底建筑物(ρ=0.3,ε=0.95)对应的室内温度为314.7 K;


普通涂料建筑物(ρ=0.5,ε=0.9)对应室内温度为311.2 K,而反射隔热涂料建筑物(ρ≥0.8,ε≥0.8)对应室内温度不高于305.8 K。可见屋顶使用反射隔热涂料后室内温度相对于水泥基底下降8.9 ℃,相对于普通涂料下降5.4 ℃。


在图3中,反射率较小时,辐射率变化对降温贡献较大,但当墙体反射率接近1时辐射率的变化对室内温度的影响很小。在GB/T 25261-2010中对白色反射隔热涂料的太阳能反射率要求≥80%,此时辐射率从0.5变到1,相应的室内温度只降低1 ℃左右。


而对于深色的反射隔热涂料其太阳能反射率一般只有50%左右,此时辐射率从0.5变到1,相应的室内温度降低达到3 ℃左右。由此可以看出,对于浅色反射隔热涂料应首先强调其反射率,反射率较高时辐射率变化引起的室内降温幅度很小;而对于深色的反射隔热涂料不仅要尽量提高其太阳能反射率,高的辐射率也是非常必要的。


2.3 不同室外条件对反射隔热涂料降低室内温度的影响

上面讨论了在室外风速为v=3 m/s,太阳辐射强度I=1 003 W/m2的特定条件下,屋顶外表面的太阳能反射率和辐射率对室内温度的影响。在实际情况中室外风速和太阳能辐射强度都差别很大,必然影响反射隔热涂料降低室内温度的效果。

2.3.1 太阳辐射强度对室内温度的影响

我们设定屋顶外表面的辐射率为0.9,太阳辐射强度从100 W/m2变化到1 100 W/m2,其他条件与传热模型设定条件相同。由(12)式计算可得室内温度与太阳能反射率和太阳能辐射强度的关系,如图4所示。

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在图4中,太阳能反射率一定时,室内温度随着太阳能辐射强度的增强逐渐升高。当太阳辐射强度为1 100 W/m2时,屋顶的反射率从0变化到1时相应的室内温差降低约20 ℃;当太阳辐射强度为100 W/m2时,屋顶的反射率从0变化到1时相应的室内温差降低仅2 ℃。由此可见,太阳辐射强度越强,反射率变化对室内温度的影响越显著。由于建筑外墙立面的太阳辐射强度低于屋顶,因此外墙立面使用反射隔热涂料的降温效果要比屋顶使用效果差。同理,在太阳辐射强度越高的地区使用反射隔热涂料的室内降温效果会越好。


2.3.2 室外风速对室内温度的影响

我们设定屋顶外表面的辐射率为0.9,室外风速从0 m/s变化到10 m/s,其他条件与传热模型设定条件相同。由(12)式计算可得室内温度与太阳能反射率和室外风速的关系,如图5所示。

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在图5中,太阳能反射率一定时,室内温度随着室外风速的增大,而逐渐降低。当屋顶外表面的太阳能反射率较低时,室内温度对风速的变化很敏感;当反射率较高时,室内温度对风速的变化不再敏感。我们分析,这主要是由于当反射率较高时,屋顶吸收的太阳能量很少,此时加快室外对流速度,但通过对流所散失热量的绝对值较小,从而对室内温度的影响也较小。因此,建筑外表面太阳能反射率较高时,室内温度对室外风速变化存在惰性,也就是说反射隔热涂料的降温效果基本不受外界风速的影响。


3 结 语

反射隔热涂料具有较高的太阳能反射率(ρ≥80%)和较高的辐射率(ε≥80%),它可以将80%以上的太阳能直接反射掉,同时将吸收的不到20%的太阳能以热辐射的形式散失掉大部分,因而可以有效降低室内温度,达到节能的目的。通过研究反射隔热涂料对房屋外表面温度和室内温度的影响,以及不同室外条件下其降温效果的探讨,我们得到以下结论:

(1) 反射隔热涂料对降低建筑物外表面温度效果明显。在设定条件下,屋顶使用反射隔热涂料其表面温度比水泥基底低20.7 ℃,比使用普通涂料低13.6 ℃。

(2) 反射隔热涂料可以有效降低被涂屋面的室内温度。在设定条件下,屋顶使用反射隔热涂料其室内温度比水泥基底低8.9 ℃,比使用普通涂料低5.4℃。涂料的太阳能反射率对辐射率降温效果有制约作用,当太阳能反射率较低时,辐射率对降低室内温度的作用较大;当太阳能反射率较高时,辐射率对降低室内温度的作用较小。

(3) 太阳辐射强度越大,太阳能反射率对室内温度的影响越显著,反射隔热涂料的降温效果越明显;室外风速变化对反射隔热涂料降低室内温度效果影响不大。


张仁哲, 刘东华, 赵雅文, 周静静

(富思特制漆(北京)有限公司,北京 100023)


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