返回顶部
返回首页
返回首页
欢迎访问  中国建材网   | 今天是   
中国建材网全新改版进行中! 我的订单 | 会员中心 | [ 登录 ] | [ 注册 ]
外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果,中国建材网,cnprofit.com
home 您现在的位置: 首页 >技术中心 > 详细信息
外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果
2020年02月05日    阅读量:539    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

0 前 言

我国幅员辽阔,各地区气候差异很大,不同地区的建筑节能设计要求不同。GB 50176-1993《民用建筑热工设计规范》对夏热冬暖地区的设计要求是:必须充分满足夏季防热要求,一般可不考虑冬季保温。一般来说,将温度降低一度所需能耗是将温度升高一度所需能耗的4倍[1],夏季制冷很昂贵,对于夏热冬暖地区,解决建筑的夏季隔热问题对建筑节能具有重大的意义中国建材网cnprofit.com


通常情况下,如果提到节能率不够,首先想到的就是增加保温层厚度。然而,对于夏热冬暖地区,简单的采用增加保温层厚度并不能有效的降低能耗,GB 50189-2005《公共建筑节能设计标准》的4.2.2条明确指出了这点。


在南方地区,室内外温差传热在整个传热中占的比例较小,太阳辐射产生的热效应是造成夏季室内过热的主要原因。隔热涂料能够反射或部分吸收太阳辐射热,从而可降低室内得热,有效减少空调制冷能耗,相比于外墙保温做法,更适合于夏热冬暖地区。


近几年,对建筑隔热涂料的研究和应用日益增多,其中对于隔热性能的研究,采取的方法绝大多数是用热源照射试验箱或试板,以试验箱内部空间或试板背面(或空间)的温度(温度差)来对比不同涂料的隔热性能[2]。部分研究将试验箱置于室外,测试太阳照射条件下涂料的降温效果[3-5],但只有对实际建筑的温度变化情况进行测试,才能获得隔热涂料的真实降温效果,对此已有相关的报道[6-8]。


然而,仅有降温数据,仍然无法得知可以节约多少空调用电,而这恰恰是用户最关心的内容。现有报道中,只有安邦等[8]的研究给出了空调用电量减少的实测数据。针对此问题,本文设计了建筑的传热模型,对隔热涂料的降温效果与节电情况进行了计算和分析,为用户了解隔热涂料在建筑节能中的应用提供参考。


1 隔热原理

从太阳辐射光谱可知,太阳能的50%左右集中在可见光范围内,近红外线占45%左右。外墙隔热涂料对可见光及红外光都有较高的反射率,从而可减少建筑表面吸收的热量。并且,涂料具有较高的发射率,表面吸收的热量能够较多地以长波辐射的方式向外散发而减少向室内的传热。由于在现有国家节能设计标准和热工设计规范中,目前都没有涉及发射率的问题,故此,本文对发射率也不进行考虑。


物体对热辐射的反射率、吸收率和透过率之和等于1。外墙隔热涂料为不透明物体,透过率为0,反射率与吸收率之和为1。按基尔霍夫定律,发射率等于吸收率,即反射率与发射率之和为1。JC/T 1040《建筑外表面用热反射隔热涂料》对太阳反射比和半球反射率的要求分别是≥0.83和≥0.85,JG/T 235-2008《建筑反射隔热涂料》是都≥0.80,似乎与基尔霍夫定律相违背。


这里需要指出的是,基尔霍夫辐射定律描述的是对于单一波长的情况,而外墙隔热涂料的太阳反射比针对的是可见光和近红外光(测试波长范围:250~2 500 nm),半球发射率针对的是远红外光,两者不是同一波长范围,实际上与基尔霍夫定律并不矛盾。外墙隔热涂料的反射光谱如图1所示。

外墙隔热涂料的反射光谱

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

玻璃隔热涂料在可见光区具有高的透过性,而在近红外光区具有高的反射率和吸收率,能够在不明显降低室内采光的情况下实现良好的隔热。由于玻璃隔热涂料会吸收一部分太阳辐射,涂刷玻璃隔热涂料后,玻璃表面温度会升高,这是在实际应用中需注意的问题。玻璃隔热涂料的透射光谱如图2所示

玻璃隔热涂料的透射光谱

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

2 外墙隔热涂料

2.1 降温效果

以无限大建筑中的一个房间为研究对象,太阳只能照射到此房间的西向墙体,墙体不开窗,外表面涂刷涂料,房间无外加制冷,研究对象与同一朝向相邻房间的室内温度相同。传热模型见图3

模拟建筑传热模型(外墙)

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

房间的热量按式(1)计算:

Q = (tsa – ti)·K·A (1)

式中:Q —— 房间的热量,W;

tsa —— 室外综合温度,℃;

ti —— 室内空气温度,℃;

K——外墙(西向)的传热系数,W/(m2·K);

A —— 外墙(西向)的面积,m2。

其中,tsa按式(2)计算:

tsa = te + (1 – s)·I / αe (2)

式中:te—— 室外空气温度,℃;

ρs—— 涂料的太阳反射比;

I —— 太阳辐射照度,W/m2 (按GB 50176-93附表3.3取值);

αe—— 外表面换热系数,W/(m2·K) (按GB 50176-93附表2.3取值19.0)。

房间散热量按式(3)计算:

Q¹= (ti – t¹)·K¹·A¹ (3)

式中:Q¹—— 房间散热量,W;

t¹—— 建筑内部空气温度,℃;

K¹—— 内墙(东向)的传热系数,W/(m2·K);

A¹—— 内墙(东向)的面积,m2。

当室内温度稳定时,传热达到平衡,表示为式(4):

Q = Q¹ (4)

假定A = A¹以便于分析,综合式(1)至式(4)可得

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

涂料的太阳反射比增大时,室内温度的降低值




设定如下参数:te = 33 ℃、t¹= 28 ℃、K = 1.5 W/(m2·K)、K¹= 2.0 W/(m2·K)、I = 348.4 W/m2 (广州10:00至16:00的西向平均值),表1给出了外墙由普通涂料(ρ s = 0.5)变为隔热涂料后的降温情况。可以看出,ρs越大,降温效果越明显。进一步的计算表明,当隔热涂料的ρ s为0.64时,室内温度与室外温度相等,继续增大隔热涂料的太阳反射比,可使得室内温度低于室外温度。

外墙隔热涂料的降温情况

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

从建筑节能的角度考虑,外墙通常需增加保温措施,或采用轻质墙体材料,对应于外墙K值减小。K¹保持2.0 W/(m2·K),表2给出了不同外墙K值时的室内温度情况。可以看出,外墙的保温性能越好,ti越小。对于K = 0的极端情况,ti = t¹,意味着如果外墙不传热,无论使用什么涂料,都不会对室内温度有影响,室内温度稳定时与建筑内部温度相同。同时,Δti也随着K的降低而减小,说明了墙体的保温措施越好,隔热涂料的隔热效果越不明显,与唐鸣放等[9]给出的结论相一致。

不同外墙对应的室内温度情况

外墙K保持1.5 W/(m2·K),变化内墙的传热系数,室内温度情况列于表3。当内墙有较好的保温性能时,进入室内的太阳辐射热无法有效散失而积累在室内,导致室温较高,表3中数据与此一致。

不同内墙对应的室内温度情况

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

对于真实环境中的房间,门窗等其他部位都有向外的传热发生,再加上空气流动、渗透等产生的换热,将其等效视为K¹增大,由表3的变化趋势可知,真实环境中应用隔热涂料后的Δti会更小。


2.2 节电效果

设定K和K¹分别为1.5和1.25 W/(m2·K),此时,当ρs为0.6、0.7、0.8和0.9时,Δti分别为1、2、3和4 ℃(与 ρs= 0.5时相比)。使用空调将房间温度ti保持在26 ℃,注意到ti <t¹,表示Q¹为室内得热,此时空调的制冷量Qac需等于Q与Q¹之和。设定A =A¹=12 m2,空调制冷量的减少率η列于表3。可以看出,对于制冷房间,使用在自然状态下可使室内温度降低2 ℃的外墙隔热涂料,空调制冷量可减少20.6%,也即意味着空调用电减少了20.6%。

应用外墙隔热涂料后空调制冷量的减少率

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

3.1 降温效果

太阳照射在玻璃表面与照射在墙体表面的传热行为不同。墙体为不透明物,太阳辐射对室内不直接产生作用,是先通过加热墙体外表面使其温度升高,然后再通过热传导作用于室内。而对于玻璃,太阳光会直接透射过玻璃而影响室内温度。仍按图4所示的房间,考虑到建筑开窗多为南向,故太阳辐射为南向,外墙上开孔安装玻璃,其余情况相同。

模拟建筑传热模型(玻璃)

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

房间得热量按式(6)计算:

Qs = g · I · Ag (6)

式中:Qs—— 房间的热量,W;

g —— 玻璃的太阳能总透射比;

Ag—— 玻璃面积,m2。

Qs包含了太阳光直接透射进入室内的热量以及玻璃温度升高引起的二次传热。

由玻璃遮蔽系数(Se)的计算公式Se = g / 0.889,可得式(7):

Qs = 0.889 × Se·I·Ag (7)

Qg按式(8)计算:

Qg = (ti – te)·Kg·Ag (8)

式中:Qg—— 房间通过玻璃的散热量,W;

Kg —— 玻璃的传热系数,W/(m2·K)。

Qw按式(9)计算:

Qw = (ti – te)·K·(A – Ag) (9)

式中:Qw—— 房间通过外墙的散热量,W。

当室内温度稳定时,传热达到平衡,表示为式(10):

Qs = Qg + Qw + Q¹ (10)

综合式(3)、式(7)至式(10),可得:

ti = [0.889 × Se·I·Ag + te·Kg·Ag + te·K·(A –Ag) + t¹·K¹·A] / [Kg·Ag + K·(A – Ag) + K¹·A] (11)

玻璃的遮蔽系数减小时,室内温度的降低值Δti= 0.889 × ΔSe·I·Ag / [Kg·Ag + K·(A – Ag) + K¹·A]。


6 mm厚透明玻璃的Se = 0.93、Kg = 5.7 W/(m2·K),设定te = 33 ℃、t¹= 28 ℃、K = 1.5 W/(m2·K)、K¹=2.0 W/(m2·K)、A = 12 m2、Ag = 6 m2、I = 151.4 W/m2(广州10:00至16:00的南向平均值),玻璃隔热涂料对玻璃的传热系数几乎无影响,为简便起见忽略窗框对传热的影响以及不考虑西向外墙太阳辐射的影响,表4给出了涂刷玻璃隔热涂料后的降温情况。可以看出,Se越小,降温效果越明显。

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

玻璃隔热涂料的降温情况

注意到表中ti始终大于te,主要是由于太阳辐射可直接透过玻璃进入室内,玻璃隔热涂料的遮蔽系数再小,也难以抵消太阳辐射引起的室内温度升高。以JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》附录C中遮蔽系数最小的“6低透光热反射+12空气+6透明”中空玻璃的参数,Se = 0.18、K = 2.3 W/(m2·K),得到的ti为33.5 ℃,也高于te。而此中空玻璃的可见光透射比仅仅为0.16,需要增加室内照明,对于整个建筑的节能是不利的。


由于设计方面的因素,建筑很多采用大面积玻璃门窗,针对此情况,对不同玻璃面积的情况进行了计算,结果列于表5。可以看出,增加玻璃面积,室内温度明显升高,但此时玻璃隔热涂料针对太阳辐射热的降温作用愈发明显。

玻璃面积对室内温度的影响

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

3.2 节电效果

设定Ag为3.725 m2,此时,当Se为0.815、0.7、0.585和0.47时,Δti分别为1、2、3和4 ℃ (与Se = 0.93时相比)。使用空调将房间温度ti保持在26 ℃,由于ti < t¹和te,Qg、Qw与Q¹均为室内得热,此时空调的制冷量Qac需等于Qs、Qg、Qw与Q¹之和。


空调制冷量的减少率η列于表6。可以看出,对于制冷房间,使用在自然状态下可使室内温度降低2℃的玻璃隔热涂料,空调制冷量可减少15.4%,也即意味着空调用电减少了15.4%。

应用玻璃隔热涂料后空调制冷量的减少率

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的节能分析,设计建筑的简化传热模型,分析和计算了夏热冬暖地区外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料对夏季室内的降温与节电效果 中国建材网,cnprofit.com

4 结 论

外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料能够减少因太阳辐射产生的室内的热,应用于夏热冬暖地区可以有效减少空调用电,促进此地区的建筑节能工作。

(1) 对于自然状态下的房间,外墙隔热涂料可使室温降低2~3 ℃,并且当涂料的太阳反射比增大到一定值时,室内温度可低于室外温度。对于保温性能较好的墙体,外墙隔热涂料的降温效果不明显。

(2) 对于自然状态下的房间,玻璃隔热涂料可使室温降低3~5 ℃,但由于透过玻璃进入室内的太阳辐射热过大,玻璃隔热涂料很难使得室内温度低于室外温度。

(3)当使用空调降低室温时,外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的应用能够显著节约空调用电,对于可使自然状态房间的室温降低2 ℃的涂料,分别节约用电20.6%和15.4%。

真实建筑的能耗分析涉及众多因素,传热情况远比本文设计的模型复杂。应用外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料所实现的确切节电情况还需长期的实测,文中只是进行理想化的分析和计算,以粗略地了解外墙隔热涂料和玻璃隔热涂料的降温和节电效果。


标签:行业资讯原料动态建材百科产品资讯建材应用市场评论技术中心成品材料建筑基材建筑施工涂料油漆墙体幕墙建筑材料
免责声明: 本文仅代表作者本人观点,与中国建材网无关。本网对文中陈述、观点判断保持中立,不对所包含内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。请读者仅作参考,并请自行承担全部责任。本网转载自其它媒体的信息,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一周内进行,以便我们及时处理。客服邮箱:service@cnso360.com | 客服QQ:23341571
门户手机版WeChat
扫描二维码,获取手机版最新资讯 手机版:中国建材网 您还可以直接微信扫描打开
全站地图

深圳网络警察报警平台 深圳网络警
察报警平台

公共信息安全网络监察 公共信息安
全网络监察

经营性网站备案信息 经营性网站
备案信息

中国互联网举报中心 中国互联网
举报中心

中国文明网传播文明 中国文明网
传播文明

深圳市市场监督管理局企业主体身份公示 工商网监
电子标识