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热反射屋顶冬季能耗实测研究,为研究热反射屋顶涂料的冬季能耗水平,中国建材网,cnprofit.com
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热反射屋顶冬季能耗实测研究,为研究热反射屋顶涂料的冬季能耗水平
2020年02月24日    阅读量:79425    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

屋顶外表面直接受到周期性变化的大气温度和太阳辐射等自然环境因素的作用,室内温度会产生较大的温度波动,这不仅影响室内热舒适度,而且对建筑能耗也有一定影响。冷屋顶技术通过涂装高反射涂料增加屋顶对太阳辐射的反射,进而影响室内外热环境,实现降低建筑能耗和改善城市微气候的目标。


美国能源部已在美国多个州制定标准推广应用冷屋顶技术,取得了良好的节能减排效果中国建材网cnprofit.com。2006 年,Levinson等在美国加州地区测试表明,热反射涂料可以降低屋面温度5 ~ 14 ℃,减小峰值屋面热流13% ~ 21%。


目前我国在此方面的研究也多限于涂料各类工艺研究; 对热反射屋顶隔热节能的研究则多针对夏季进行实测和全年能耗模拟分析,缺乏对冬季热反射屋顶对建筑能耗影响的研究。


因此,本研究以重庆市某栋涂装高反射涂料的办公建筑屋顶为对象,进行热反射屋顶冬季能耗实测分析,为下一步测试全年热反射屋顶的节能效果提供支撑。

 

1 实验概况

为测试热反射屋顶的冬季耗能水平,对重庆地区某办公建筑屋顶进行实测,测试选取重庆某办公建筑顶层2 间面积均为28. 8 m2 的房间作为对比测试房,两房间朝向、围护结构构造均相同。


其中,1#房间在原屋顶外表面涂覆热反射隔热涂料( 冷屋顶) ,太阳反射率0. 81,热发射率0. 85,屋顶效果如图1; 2# 房间屋面不做改变( 普通屋顶) ,太阳反射率0. 2,热发射率0. 85。空调工况测试期间,房间空调均保持24 h 开启,室内空调温度设置为20 ℃,房间空调器参数见表1。

冷屋顶效果

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房间空调器相关参数

实测参数包括屋顶外表面温度、屋顶内表面温度、吊顶下表面温度、室内空气温度、房间空调能耗、太阳辐射强度和室外空气温度,具体测点布置及测量仪器见图2、表2。

房间测点布置图


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测量参数及测试仪器

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根据《公共建筑节能检测标准》( JGJ /T 177—2009) 和《地面气象观测规范》对温度测试的规定与要求,分别在普通房间和冷屋顶房间中距地板1. 5 m 高度悬挂玻璃水银温度计,测量室内空气温度; 在室外无太阳直射、通风、距楼顶屋面1. 5 m 设置温湿度自记仪,记录室外环境温度; 屋面及吊顶表面温度均由雷泰Raytek ST 手持式红外测温仪测量,每1 h 测量记录各点对应的温度。


由于围护结构存在蓄热和放热过程,必须待围护结构蓄热和放热达到周期性稳定后,对围护结构隔热性能的检测才是合理的。因此,实测连续晴好天气的数据才能真实反映围护结构的热工性能。测试时间为2013 年1 月22 日至2 月2 日,共计12 d。其中,1月22—29 日期间对房间进行全天24 h空调制热,1月30 日至2 月2 日期间,房间为非空调工况。

测试期间太阳辐射水平变化曲线如图3 所示。

太阳辐射强度变化曲线

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2 屋面隔热性能实测

空调工况下,24 h 室内外温度变化曲线如图4 所示。

空调工况下房间室内外温度变化曲线

由图4 可知,随室外空气温度周期性波动,屋顶内外表面温度也周期性变化,屋顶外表面温度于下午15: 00 ~ 16: 00 达到当日峰值,但由于冷屋顶表面涂料对太阳辐射的高反射,减少了屋面辐射的热量,故冷屋顶外表面温度始终低于室外空气温度,而普通屋顶反射的太阳辐射较少,使得普通屋顶外表面温度在12: 00 ~ 17: 00 间始终高于室外空气温度,同时,冷屋顶外表面温度与普通屋顶外表面最大温差达8. 7 ℃;由于屋顶热惯性的存在,屋顶内表面在夜间20: 00 ~21: 00 时达到当日最大值。


同时,冷屋顶内表面温度与普通屋顶内表面最大温差达2. 1 ℃。而房间空调的连续运行,保证了2 个房间室内平均空气温度维持在0. 5 ℃温差范围内,但1#房间全天的室内空气温度基本一致,减少室气温度的波动,提高人体热舒适感。

非空调工况下, 24 h 室内外温度变化如图5 所示。

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非空调工况下房间室内外温度变化曲线

非空调工况下,室内空气温度主要受墙体内表面温度和室内各种热扰共同影响。而对于2 间朝向和围护结构构造相同,具有相同热扰的房间而言,屋面内表面温度将直接影响室内温度。由图5 可知,冷屋顶内表面温度与普通房间相比,最大温降达2. 0 ℃,平均降低1. 2 ℃。


从而,冷屋顶具有较低的内表面温度,因此冷屋顶房间室内温度始终低于普通房间的室内温度,两者平均相差约0. 7 ℃。与室外空气温度波动曲线相比,屋顶墙体热阻的作用使得屋顶内表面温度存在一定的衰减和延迟,房间室内空气温度曲线于20: 00 ~ 21: 00 达到当日峰值。而屋顶采用热反射涂料后,屋顶辐射的热量明显减少,从而更有利于室内温度维持昼间稳定,增加室内热舒适度。

 

3 空调用能分析

在空调工况下,由于两房间空调器能效比不同,为分析热反射屋顶能耗水平,将每天空调能耗折算到相同空调制热能效比下进行能耗分析,2#房间空调等效能耗值按式( 1) 计算。

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其中: Q2折算—2#房间空调等效能耗值; Q2实测—2#房间空调实测能耗值; EER2—2# 房间空调制热能效比; EER1—1#房间空调制热能效比。根据式( 1) ,将热反射屋顶与普通屋顶每天房间空调能耗汇总,如表3 所示。

房间空调能耗对比

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注: 1#空调能耗为考虑人员及设备后空调耗电量。

测试期间,1# 房间的人员及设备使用超过2# 房间,致使1#房间人员及设备散热量大,降低1#房间的采暖负荷,进而减少1# 房间的空调耗电量。查找相关文献可知,处于20 ℃的办公室时,每个成年男子散热量为489 kJ /h; 人体散热量通过式( 2) 计算。

Q = φnq 式( 2)

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其中: Q—人体散热量,kJ /h; φ—不同性质的工作场所、成年男子、成年女子和儿童的比例不同的群集系数,办公室取0. 93; n—人数,个; q—每个成年男子的散热量,kJ /h。同理,利用式( 3) 及表4 数据可得室内电脑和显示器的发热量对房间空调能耗的影响,最终1# 空调能耗见表3。


其中: Q—设备散热量,W; si—第i 类设备台数,台; qsi—第i 类单台设备散热量,W。

办公设备散热量

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综上可得,在空调工况下,热反射涂料将太阳辐射热反射回大气,减少了屋顶的热量。同时,为了维持相同的室内空气温度,空调器需要消耗更多的电能。1#房间平均每天空调耗能8. 09 kWh,而2# 房间平均每天空调耗能7. 7 kWh,通过以上对两房间空调能耗对比分析可知,冬季热反射屋顶将增加0. 014 kWh /( d·m2 ) 电耗。

 

4 结语

( 1) 热反射屋顶在冬季的保温性能较差。相比普通屋面,在太阳辐射强烈和室外空气温度较高的下午15: 00 ~ 16: 00 时,热反射屋面外表面温度降低达8. 7 ℃。

( 2) 冬季非空调工况下,热反射屋顶房间内空气温度有所降低,但降幅在2 ℃之内; 而空调工况下,由于热反射屋顶房间全天室内空气温度基本一致,人体室内热舒适得到提高,但平均每1 m2 建筑面积空调多耗电能约0. 014 kWh /d。


高亚锋,王志强,徐江民,汤小敏,赵凯

( 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)


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