熱反射隔熱涂料應用于建筑墻體的節(jié)能效果研究

熱反射隔熱涂料應用于建筑墻體的節(jié)能效果研究

能源消耗是世界上的一個主要問題。中國的現(xiàn)有建筑和新建筑數(shù)量眾多，人口眾多。建筑能耗占全國總能耗的140%以上。據(jù)原建設部統(tǒng)計數(shù)字顯示,我國有400億m2既有建筑,近1/3需要節(jié)能改造。而對于住宅、商務樓、工廠等建筑物內的各種能量消耗中,空調占很大比重。因此,如何更加有效地提高空調的運行效能,從而達到減少二氧化碳的排放量,響應國家節(jié)能減排的要求,是建筑業(yè)亟待解決的問題之一。浙江地處沿海,夏季臺風頻頻光顧,往往在同一天內溫度波動較大,甚至存在雙向傳熱現(xiàn)象,單純的保溫隔熱節(jié)能效果不十分理想。反射型建筑隔熱涂料利用涂膜對光和熱的高反射作用使太陽照射到涂膜上的大部分能量得到反射,以達到隔熱的目的。因此,通過涂覆隔熱涂料提高墻面的熱反射率,有效隔斷大部分輻射熱量,降低墻面得熱,減少空調負荷,改善室內熱舒適環(huán)境,成為夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能的另一有效途徑。此技術在美國、日本等應用較為廣泛,近年來在我國亦開始研究推廣,取得了一些成效。但大多研究都局限于屋面隔熱方面,針對反射性隔熱涂料涂施在立面圍護結構的情況還缺乏較為完善的基礎性應用技術研究,對節(jié)能建筑中應用的有效性尚不完全掌握,其市場推廣應用受到很大影響。本文以杭州為例,通過對比性建筑的溫度監(jiān)測,對夏季進行數(shù)據(jù)分析,探討反射性隔熱涂料在實際應用中對建筑墻體的節(jié)能效果,從而為今后的研究提供有效依據(jù)。1試驗房屋面本試驗在浙江建設職業(yè)技術學院西北角空曠地帶建造兩棟獨立的相同單層磚混結構測試房,兩測試房朝向南偏西15°,尺寸均為4m×4m×3.8m,無外窗,在北墻處設2.1m×0.9m保溫外門,建筑凈間距6.8m,周圍無影響性遮擋,綠化較好。建筑為框架結構,墻體構造為:20mm厚水泥砂漿+240mm厚葉巖多孔磚+20mm厚水泥砂漿;屋面、地面構造及室內設備完全相同(見圖1)。其中2號房外墻外側涂刷反射性隔熱涂料,隔熱涂料為白色均勻液體,太陽反射比為0.84,由空心玻璃微珠、丙烯酸樹脂和金紅石鈦白粉構成,主要反射太陽輻射熱(紅外線)。1號房為不涂隔熱涂料的基準房。在兩測試房室內、室外圍護墻體及屋面墻體設置溫度傳感器,室外測溫點在溫度傳感器上安裝防輻射罩,避免日光直射。具體設置方法如圖2所示。其中圍護墻體測東、南、西向三面墻體。所有溫度數(shù)據(jù)每隔5min自動記錄。兩測試房內均安裝掛式空調(美的KFR-26GW)1臺,用于平衡室內溫度,在本試驗期間(夏季)室內的設定溫度為26℃。1、2號測試房于2009年7月16日建成并開始測試。2試驗結果與分析2.1測試房內部溫度分布本試驗期間所測各點溫度的日變化規(guī)律基本一致,為便于比較只將2009年8月21日6:00開始到8月22日6:00之間圍護結構溫度的數(shù)據(jù)進行說明。另外,由于1、2號測試房屋面與北面墻體的各測試點溫度值基本相同,在此省略。1)測試房東面溫度測試結果圖3為1、2號測試房東面室外氣溫、外墻面與內墻面內外溫度變化測試結果。1EP-1、1EP-3代表1號測試房東面測點1、3的溫度;2EP-1、2EP-3代表2號測試房東面測點1、3的溫度;1E-W代表東面室外氣溫。1EP-1的溫度從6:00開始迅速上升,10:00達到一天中最高45℃,此后逐漸減小。2EP-1的溫度同1EP-1一樣從6:00開始上升,但上升幅度與1EP-1要小得多,在10:00溫度上升到約35℃,兩者相差10℃。而且2EP-1溫度從10:00到16:00之間的溫度基本保持一致。而從1EP-3與2EP-3的溫度變化來看,由于室內空調的溫控作用,兩者日變化幅度極小,溫度都在30℃前后,溫度差值也不大。另外,1EP-1的溫度基本大于1E-W溫度;2EP-1白天的溫度要低于1E-W溫度,但約18:00之后兩者的溫度值大致相同。上述結果表明,1號測試房的東墻面受到太陽輻射后,墻面溫度較之周圍空氣溫度上升迅速,吸熱效果明顯。而2號測試房墻面由于隔熱涂料的反射效果,致使墻面溫度值變化幅度較小,遠小于周圍空氣溫度的變化幅度。由此說明針對圍護結構東面墻體而言,2號測試房所涂的隔熱涂料使得墻面有明顯降溫效果。2)測試房南面溫度測試結果圖4為1、2號測試房南面內外溫度變化測試結果。1SP-1、1SP-3代表1號測試房南面測點1、3的溫度;2SP-1、2SP-3代表2號測試房南面測點1、3的溫度;1S-W代表南面室外氣溫。1SP-1與2SP-1溫度的最大值出現(xiàn)在16:00,分別約為45、36℃,兩者相差9℃左右。比室外溫度1S-W的波峰出現(xiàn)時間推后2h左右。2SP-1從14:00~16:00的溫度值基本無變化。1SP-3與2SP-3內墻壁溫度變化同東面墻結果相似。因此,同樣可以推斷出,涂有隔熱涂料的2號測試房隔熱效果明顯。圖5為1、2號測試房西面內外溫度變化測試結果。1WP-1、1WP-3代表1號測試房西面測點1、3的溫度;2WP-1、2WP-3代表2號測試房西面測點1、3的溫度;1W-W代表西面室外氣溫。1、2號測試房西面內外各點的溫度變化與南面墻的溫度變化相似,1WP-1與2WP-1溫度的最大值亦出現(xiàn)在16:00,只是溫度波幅在峰頂?shù)霓D折較之南面更加顯著。同樣反映出2號房在隔熱涂料的影響下降溫效果明顯。綜上所述,從1號與2號測試房的東、南、西三面墻體溫度變化來看,隔熱涂料的外墻面較之未涂有隔熱涂料的降溫幅度可達9~10℃,降溫效果極為顯著。理論上,從周圍氣溫與墻體溫度變化情況可分析判斷,影響墻面溫度上升的主要因素為太陽輻射,這是因為周圍氣溫越高代表墻體溫度上升得越高,反之,周圍氣溫下降并不一定使得墻面溫度降低。2.2累積導熱量c由于建筑物的得熱主要受太陽輻射的影響,因此只列出對東、南、西三面墻體的導熱量,另考慮到1、2號測試用房建成后與周圍環(huán)境有一個適應過程,這里取1號和2號實測系統(tǒng)運行半月后的8月1日至8月31日的數(shù)據(jù)進行墻體導熱量分析。根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳導理論以及歐姆法則,本實測用房圍護結構墻體的熱傳導公式為:式中:q為墻體導熱量(W/m2);λ為墻體熱傳導率(W/(m·K));K為熱通過率(m2·K/W);δ1、λ1分別為墻體混合砂漿厚度(m)、熱傳導率(W/(m·K));δ2、λ2分別為墻體頁巖多孔磚厚度(m)、熱傳導率(W/(m·K))。式中:Qc為累積導熱量(kcal);表示8月1日至8月31日期間的累加;Δt為時間間隔(h)。圖6a、b分別為以上公式計算得出的1、2號測試房東、南、西三面墻體結構8月1日~8月31日的累積導熱量變化。其中:qE、qS、qW分別表示東、南、西三面墻體的導熱量,其中下標1、2表示1、2號測試房。圖6a的結果表明,東面墻體的導熱量要高于南面和西面墻體的導熱量,南、西面墻體累積導熱量基本相同。到8月31日時,東面墻體的累積導熱量為0.99×105kcal,南、西面墻體累積導熱量分別為0.71×105kcal和0.69×105kcal。說明東面墻體受太陽輻射的影響所產(chǎn)生的熱量是南、西面的1.4倍。而且,隨著時間推移此倍數(shù)有增大的趨勢。由此可見,在考慮建筑物節(jié)能措施時,采取東面墻體的隔熱措施尤為重要。從圖6b的結果來看,南、西面墻體的累積導熱量變化量亦基本相同,但與1號測試房相反,其數(shù)值要大于東面墻體的累積導熱量。在8月31日時,東、南、西三面墻體的累積導熱量分別約為0.27×105、0.42×105、0.4×105kcal,南、西面墻體累積導熱量約為東面墻體的1.5倍。這是由于東面墻表面的隔熱涂料有效反射了太陽輻射,加之東面墻所受太陽輻射集中在早上6:00~12:00,此時周圍氣溫處于由低向高的升溫過程,從而使得東面墻體的熱量要遠小于南、西面墻。從測試結果來看,隔熱涂料可有效減少墻體導熱量,其中東面墻體的效果最佳,1號測試房累積導熱量是2號測試房的3.6倍。針對南、西兩面墻,1、2號測試房累積導熱量的比值分別為1.68、1.73倍。因此可以看出,與無隔熱涂料的1號測試房相比,有隔熱涂料的2號測試房的隔熱效果十分明顯。由于1、2號測試房的北面墻、屋面以及地表面的導熱量近似相等,從累積導熱量平均值的比值2.18來看,此數(shù)值說明有隔熱涂料的2號測試房的節(jié)能效果約是無隔熱涂料1號測試房的2.18倍。3墻體導熱總能耗的計算如果忽略西面墻、屋頂以及室內地面的導熱影響,隔熱涂料提高東、南、西三面墻面反射率而減小的墻體導熱量全都由空調系統(tǒng)負擔,則可推算出隔熱涂料對空調電耗的改善效果?？砂凑障率胶喡杂嬎愠?月節(jié)省的電量:式中:ΔE為節(jié)省的電量;Δq為1、2號測試房東、南、西三面墻體的導熱總量之差;COP為制冷機組的效率,這里取3.0。4和無隔膜涂料的墻體導熱量的比較1)隔熱涂料的外墻面較之未涂有隔熱涂料的最大降溫幅度可達9~10℃,降溫效果極為顯著。2)針對無隔熱涂料的墻體而言,東面墻體的累積導熱量約大于南、西面墻體1.4倍,南、西面墻體的累積導熱量基本相同;而有隔熱涂料的南、西面墻體的累積導熱量亦基本相同,但東面墻體的累積導熱量比南、西面小1.5倍。3)隔熱涂料可有效減少墻體導熱量,其中東面墻體的效