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热反射外墙涂料的节能机理与效果分析,就热反射外墙涂料或隔热外墙涂料的热工性能进行了分析研究
2020年02月22日    阅读量:3487     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 引言

热反射涂料是在特种涂料树脂中填充具有强力热反射性能的填充料而形成的具有热反射能力的功能性涂料,该种涂料在澳洲、日本等国应用较为广泛,国内在石油管罐、船舶、车辆等的外防护中有所应用,在节能建筑中的应用呼声也日益高涨,但由于缺乏较为完善的基础性应用技术研究,工程技术层面对热反射在节能建筑中应用的有效性尚不完全掌握,其市场推广应用受到很大影响。


本文从建筑热工的基本理论出发,分析探讨了热反射在冬季采暖期与夏季空调期对节能建筑外墙的热工贡献,并导出在不同气候区热反射的热工设计参数,本文的续篇将详细介绍采用热反射的节能建筑的实际测试结果。

 

1 理论分析

在采暖、空调状态下,建筑物外围护墙体与外界热环境的热交换主要有对流换热与辐射换热两部分中国建材网cnprofit.com。外墙热反射涂料或隔热涂料,其外表面状态及厚度决定了它对对流换热和传导阻热的效果微乎其微。究其主要性能,主要表现为对辐射换热的影响,即对环境热负荷的辐射分量具有较好的反射作用。


概念上,由于反射作用的存在,可以反射掉相当部分的太阳辐射热,在夏季起到节约空调能耗的作用,但在冬季,则反而可能增加采暖能耗。具体理论分析如下:建筑室外热负荷可参照GB50176《民用建筑热工设计规范》的方法,用综合温度来描述

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式中:

te 为室外空气温度;

I 为太阳辐射照度;

αe 为外表面换热系数;

ρ 为太阳辐射吸收系数,热反射涂料的热工效果主要通过该系数体现。

公式(1)中的ρΙ/αe 即为热负荷的辐射分量。


1.1 夏季分析

通常,夏季空调开启的设定是按照室外空气温度来控制的,当某时刻室外空气温度tei 超过某设定控制温度to 时,空调即启动,否则空调不启动,依靠自然通风解决室内舒适度,这也是节能建筑设计标准中能耗计算的基本约定。

某时刻室外空气温度tei 可用下式表达:

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式中:

te  为室外日平均空气温度;

A 为室外日空气温度波幅;

Ci 为时刻,为0~24 时,单位h;

Co 为空气温度波动与自然时间的相位差,单位h。

当室外空气温度高于空调设定温度to 时,即

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当tei≤to 时,围护结构的温差负荷Fi=0

图1 为以南京为例的温度波动曲线。

图中,系列1 为室外空气温度te,系列2 为采用热反射涂料时的室外综合温度


系列3 为未采用热反射涂料时的室外综合温度

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系列2、3 与26℃线的距离即空调温差通过墙体的传热量。


夏季墙体温度变化曲线

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式中:

K 为墙体传热系数;

FW 为墙体面积;

W 为传热量;

为积分符,表示对整个夏季温差负荷的累加。

热反射涂料对建筑热工性能的影响用传热系数修正值———即外墙采用热反射涂料后(ρ=ρr)的传热量与采用普通饰面的传热量比例来表示。采用热反射涂料单面外墙夏季传热系数修正值εs:

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由于ρr<ρ,所以εs<1,可见在采用热反射涂料后夏季建筑能耗下降,且随着综合温度中辐射温度分量的加大,ε 相应下降,即节能效果显著。

1.2 冬季分析

采用同样的过程,分析冬季热反射的热工效果,图2 为冬季温度曲线。图中,系列1 为te,系列2 为


,系列3 为


系列2、3 曲线即为采暖温差曲线。

冬季南墙温度变化曲线

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式中:

tow 为冬季室内采暖温度;

tewi 为冬季室外空气温度;

Iwi 为冬季太阳辐射照度;

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由公式(6)可见,由于ρr<ρ,εw>1,因此,采用热反射涂料,建筑冬季采暖能耗将上升。

1.3 全年综合分析

根据公式(5)、(6)即可得到采用热反射涂料的年传热修正值。

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由公式(7)可见,在夏热冬暖地区,由于没有冬季采暖,hw=0,公式(7)转化为

ε=εs<1 (7-1)

在无空调季的严寒或寒冷地区,hs=0,公式(7)转化为

ε=εw<1 (7-2)

从公式(7-1)、(7-2)可知,对于夏热冬暖地区,即我国炎热地区,热反射涂料效果最为显著,对于严寒、寒冷地区,外墙采用热反射涂料则会增加建筑能耗;过渡地区是否有利,则视冬、夏季日照比例确定。


2 典型气候区热反射涂料传热系数修正值的计算

对于广州、南京分别代表夏热冬暖地区、夏热冬冷地区,外墙热反射涂料对墙体热工性能的影响,以传热系数修正值ε 表征。

气候计算参数按GB50176《民用建筑热工设计规范》取用。

公式(5)~(7)是采用离散数字形式表达的简化动态热工的计算式,实际计算按此原理采用数值积分方法进行。表1 为南京地区节能建筑采用热反射涂料相对于普通饰面的墙体传热系数的修正系数。

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南京地区采用热反射涂料的传热系数修正系数

以上计算中,热反射涂料太阳辐射吸收系数ρ=0.3,普通饰面太阳辐射吸收系数ρ=0.7。广州由于无冬季保温要求ε=εs。计算传热修正系数南北向在0.70,东西向在0.60 左右。


根据以上结果,可知对于夏热冬冷地区,外墙传热系数限值K=1.5W/(m2·K),如东西墙采用热反射涂料,εk=0.81,设计时K=1.5/0.81=1.85W/(m2·K)即可,可以适当减小保温层厚度。对于夏热冬暖地区,当采用K 设计值阻值K 限=2.0,采用热反射涂料,设计时K=2.0/0.7=2.8W/(m2·K),普通混凝土空心砌砖外墙即可。

 

3 自然通风条件下的隔热验算

热反射涂料用于建筑外表面,除了可以影响建筑能耗以外,其另外一项主要功能在于其隔热效果显著,可以提高建筑物的室内居住舒适度。

以南京为例,采用轻质外墙外保温系统,尽管普通外表面处理基本符合隔热要求(θi≤temax),墙体内表面温度依然烘烤强烈(θi>36℃)。采用热反射涂层,外围护墙的综合温度及其波幅将大幅度下降,墙体内表面温度基本消除烘烤感(θi<36℃)。见表2。

南京综合温度、波幅

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采用热反射涂层,使得处于夏热冬冷地区(包括夏热冬暖地区)的建筑外围护墙体在整个夏季相当于处于多云的天气(天空云量在5~6 成)里,室内舒适度大幅度提高。

 

4 结语

(1)热反射涂料适用于夏热冬暖及夏热冬冷地区,尤其适用于前者。

(2)热反射涂料对夏热冬暖及夏热冬冷地区的外墙隔热效果有明显作用。对夏热冬暖地区建筑节能效果显著,对夏热冬冷地区建筑节能效果视冬夏季日照量变化,如夏季日照强烈,则效果显著。

(3)热反射涂料可单独作为夏热冬暖地区的外墙隔热措施,也可配合适当保温系统作为夏热冬冷地区的外墙保温隔热措施使用。

(4)热反射涂料不适用于严寒或寒冷地区。


许锦峰1, 吴志敏1, 沈中标2

(1.江苏省建筑科学研究院有限公司,南京210008;2.南京市建筑安装工程质量监督站,南京210007)



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