隔熱涂料在建筑墻體中的應用研究

隔熱涂料在建筑墻體中的應用研究

1反射性涂層技術浙江省屬夏熱冬冷地區(qū)。夏季陽光強，外表面溫度遠高于周圍環(huán)境空氣溫度，日照時間長。冬季室內(nèi)外溫差在20℃左右,采暖能耗小于北方,但是室內(nèi)的熱量傳遞仍有40%是以輻射傳熱的形式存在,單純地進行隔熱,其節(jié)能效果不十分理想。利用反射型建筑隔熱涂料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,提高墻面的熱反射率,有效隔斷大部分輻射熱量,降低墻面的夏季得熱,減少夏季空調(diào)負荷,改善室內(nèi)熱舒適環(huán)境,成為建筑節(jié)能的另一有效途徑。此技術在美國、日本等地區(qū)的應用較為廣泛,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夏熱冬暖地區(qū)的隔熱計算以及該地區(qū)的倉儲類建筑屋面隔熱效果方面,針對反射性隔熱涂料在夏熱冬冷地區(qū)的外墻涂覆情況還缺乏較為完善的基礎性應用技術研究,對其在節(jié)能建筑中應用的有效性尚不完全掌握,市場推廣應用受到很大影響。本文以浙江杭州地區(qū)為例,在室外模擬實際房屋建造了工程測試房,通過對比性建筑的全年溫度變化連續(xù)監(jiān)測,對夏、冬兩季的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,探討熱反射隔熱涂料在實際工程應用中對建筑墻體的節(jié)能效果,并分析在使用環(huán)境中沾污后的保溫性能衰減問題,從而為今后的研究提供有效依據(jù)。2試驗房及設備本試驗在浙江建設職業(yè)技術學院西北角空曠地帶建造了兩棟獨立的相同單層磚混結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),外墻構(gòu)造為:20mm厚水泥砂漿+240mm厚的葉巖多孔磚+20mm厚水泥砂漿;屋面、地面構(gòu)造及室內(nèi)設備完全相同(參照圖1)。其中一間外墻外側(cè)涂刷反射性隔熱涂料(以下稱2#實測房),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(gòu)成,主要反射太陽輻射熱(紅外線)。另一間不涂隔熱涂料的基準房(以下稱1#實測房)。在兩測試房室內(nèi)、室外,圍護墻體及屋面墻體設置溫度傳感器,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)由安杰侖數(shù)據(jù)采集器每隔5min自動記錄。兩測試房內(nèi)均安裝掛式空調(diào)(美的KFR-26GW)一臺,用于平衡室內(nèi)溫度之用。夏季空調(diào)設定溫度為26℃,冬季為18℃。1#、2#實測房于2009年5月建成,7月16日開始測試。3結(jié)果與分析3.1年10月31日本課題統(tǒng)計的測試數(shù)據(jù)為2010年9月10日開始至2012年10月31日為止。為了便于對冬夏兩季隔熱涂料的使用效果進行比較,這里將較為典型的2011年8月1日～8月30日的夏季數(shù)據(jù)與2012年1月1日～1月31日的冬季數(shù)據(jù)進比較。3.1.1溫度含量的日平均溫度圖3為夏季1#、2#房東、南、西三面表墻溫度與氣溫時間變化。其中,Tsa為1#、2#房周圍氣溫,1ES-1、1SS-1、1WS-1和2ES-1、2SS-1、2WS-1分別代表1#房和2#房東、南、西三面表墻(圖2中測點1的位置)日平均溫度。這里所指的日平均溫度為所測1日至30日各相同時點所測溫度平均后組成的時變化溫度(下文同)。由圖3可知,1#房和2#房的東、南、西三面表墻溫度與氣溫都呈日周期性變化。1#房東、南、西三面表墻溫度的變化幅度比2#房顯著,即1#房出現(xiàn)的最高溫度比2#房要高。而且1#房各墻體的溫度均大于氣溫,但2#房各表墻溫度在白天均小于氣溫。例如,1#房出現(xiàn)最高溫度41℃的為南面外墻,而2#房南面墻出現(xiàn)最高溫度為33℃,兩者溫度相差8℃,此時的氣溫也為最高值37℃。受太陽輻射角度的影響,東、南、西三面表墻的最高溫度隨時間推移依次出現(xiàn),但2#房南面和西面溫度高溫度出現(xiàn)時間都在15:00左右,其值也大致相同。說明2#房在隔熱涂料的作用下,比起太陽輻射,表墻的升溫受周圍氣溫的影響較大。3.1.2冬季平均溫度特征圖4為冬季1#、2#房東、南、西三面表墻溫度與氣溫時間變化。其中,Twa為1#、2#房周圍氣溫,1EW-1、1SW-1、1WW-1和2EW-1、2SW-1、2WW-1分別代表1#房和2#房冬季東、南、西三面表墻(圖2中測點1的位置)時平均溫度。從圖4的結(jié)果來看,同夏季所測結(jié)果一樣,1#房各面表墻溫度也均大于氣溫,相對于2#房而言,日變化振幅較大。1#房與2#房的最高溫度均出現(xiàn)在15:00左右,分別約為23℃、13℃,兩者最高溫度的差值達到了10℃左右。值得注意的是,2#房1000～16:00之間各面表墻溫度與氣溫之間的差值相對于同時間段的1#房而言非常小,而16:00～6:00之間的各面表墻溫度要高于氣溫,因此可以推斷2#各面表墻的升溫相對于1#房而言,受太陽輻射的影響要小得多。3.2由于防護結(jié)構(gòu)的熱量差和溫度時間的變化，3.2.1圍護結(jié)構(gòu)表墻的熱傳熱量比選以外墻外表面的混合砂漿層作為外墻與外界熱傳遞的邊界層,本實測房外墻熱平衡方程可為:這里,c為外墻外表面混合砂漿的比熱容[1.05(kJ/kg·℃)];ρ為外墻外表面混合砂漿的干密度(1700kg/m3);Δx為混合砂漿的厚度(m);T為混合砂漿中心溫度(K);t為時間(s);Δt為時間間隔(s);qin為外墻混合砂漿層外表面?zhèn)鳠崃?W/m2),為圍護結(jié)構(gòu)外墻外表面換熱量與輻射量的總和;qco外墻混合砂漿層的傳熱量(W/m2)。由于2#外墻涂料層極薄,熱容量小,其影響可以忽略不計。因此1#、2#房圍護結(jié)構(gòu)外墻外表面(表墻)邊界層的熱平衡方程通過式(1)整理后,可用差分法求得:這里,下添字p1、pa分別表示外墻混合砂漿層外表面位置和內(nèi)表面位置(圖2中1、a點)。Δt取監(jiān)測時間間隔,即300s。λ為混合砂漿層熱傳導率(=0.93W/m·K)。因此,圍護結(jié)構(gòu)表墻的日累積傳熱量可用以下公式求得:其中,Qc為表墻日累積傳熱量(J/m2);為積分符,表示6:00至次日6:00期間所測傳熱量的累加。冬、夏兩季隔熱涂料的隔熱效果的評價,1#房與2#房的累積傳熱量采用以下公式:其中,Qcl,sad、Qc2,sad分別表示1#房、2#房夏季圍護結(jié)構(gòu)表墻的日累積傳熱量;Qc1,wad、Qc2,wad分別表示1#房、2#房冬季圍護結(jié)構(gòu)表墻的日累積傳熱量;Qsad和Qwad分別表示夏季和冬季的1#房與2#房日累積得熱量之差。因Qsad為隔熱涂料在夏季起到節(jié)約能耗的熱量,這里稱之為得熱量;但在冬季,Qwad反而為可能增加采暖能耗的熱量,這里稱之為失熱量。3.2.2夏季與夏季得熱量的起伏變化圖5為8月1日～8月30日的夏季圍護結(jié)構(gòu)的得熱量與氣溫的時間變化。Tsad表示日平均氣溫的變化,Qsadb和Qsads則分別表示Tsad大于與小于26℃的夏季圍護結(jié)構(gòu)的熱量差。圖5的結(jié)果表示,日平均氣溫的起伏變化與夏季得熱量的起伏變化基本存在正比關系,即在8月份內(nèi)日平均氣溫升高則夏季得熱量也隨之增加,反之日平均氣溫降低則夏季得熱量也隨之減少。眾所周知,夏季對于圍護結(jié)構(gòu)而言主要是得熱過程,其得熱的主導因素為太陽輻射所傳遞的熱量,而外墻表面的反射率則決定太陽輻射量的主因。因此可以分析得出,在夏季,氣溫越高則隔熱涂料對圍護結(jié)構(gòu)的降溫效果越明顯。但另一方面,由圖3的數(shù)據(jù)亦可看出,日平均氣溫越高并不代表夏季得熱量越多。比如日平均最高氣溫出現(xiàn)在8月19日(約為35℃),所對應的夏季得熱量約為128kJ/m2,而最高夏季得熱量出現(xiàn)在8月23日,當日的日平均氣溫約為33℃。3.2.3冬季圍護結(jié)構(gòu)失熱量的確定圖6為1月1日～1月30日的冬季圍護結(jié)構(gòu)的失熱量與氣溫的時間變化。Twad表示日平均氣溫的變化,Qwadb和Qwads則分別表示Twad大于與小于5℃的冬季圍護結(jié)構(gòu)的失熱量。由于冬季實測房室內(nèi)溫度由空調(diào)采暖控制在18℃,因此可認為冬季熱量的主要傳遞方向為室內(nèi)向室外,即圍護結(jié)構(gòu)的各表墻主要為失熱過程。圖6的數(shù)據(jù)表明,最高冬季圍護結(jié)構(gòu)的失熱量以及最低日平均氣溫都出現(xiàn)在1月13日,分別為324kJ/m2和2℃。但整體而言,冬季圍護結(jié)構(gòu)的熱量差與日平均氣溫難以找出比例關系,可以推測在冬季影響實測房圍護結(jié)構(gòu)表墻的傳熱量除外部環(huán)境氣象因素外,室內(nèi)溫度的影響也十分明顯。3.3空調(diào)系統(tǒng)負擔的確定根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)建筑設計節(jié)能規(guī)范以及杭州居民冬夏季空調(diào)制冷、采暖設計要求,夏季空調(diào)制冷日數(shù)以日平均溫度大于26℃的日數(shù)來確定,冬季則以日平均溫度低于5℃來確定采暖日數(shù)。本課題則以8月份作為夏季代表月、1月份為冬季代表月,由此根據(jù)圖5與圖6的日平均溫度的數(shù)據(jù)得出:夏季空調(diào)制冷日數(shù)為29d、冬季采暖日數(shù)為8d,并以此來分析隔熱涂料在杭州地區(qū)全年的節(jié)能效果。如果將隔熱涂料在夏季圍護結(jié)構(gòu)的得熱量以及冬季圍護結(jié)構(gòu)的失熱量全都由空調(diào)系統(tǒng)負擔,則冬、夏兩季隔熱涂料對空調(diào)電耗的改善效果可按下式簡略計算得出,即本試驗實測房圍護結(jié)構(gòu)的單位面積可節(jié)省的電量為:其中,ΔE為節(jié)省的電量(W);S:東、南、西三面墻體表面積之和(m2);ΣQsad為夏季8月份圍護結(jié)構(gòu)的得熱量(kcal/m2);ΣQwad為冬季1月份圍護結(jié)構(gòu)的失熱量(kcal/m2);EER為空調(diào)制冷的能效比,這里取23;COP為空調(diào)采暖的能效比,這里取1.9。由此可見,在夏暖冬冷的杭州地區(qū)使用太陽熱反射隔熱涂料有一定節(jié)能效果,如果將隔熱涂料用于浙南地區(qū)的話,其節(jié)能效果預計會更加顯著。3.4性能與環(huán)境的關系由于氣候的影響,涂料在其各個階段都有可能發(fā)生變色、性能下降、開裂、剝落及粉化等,這種現(xiàn)象稱為化學老化。造成上述損害的主要原因是陽光(特別是紫外線UV)、高溫以及雨水、露水和高濕度形式出現(xiàn)的濕氣。當涂料處于光與濕氣的共同作用時,其本身的單一耐光能力或單一的抗?jié)衲芰蜁?。工程測試房采用隔熱涂料后,由于熱反射作用,墻體外表面溫度受太陽輻射熱的影響減小,受外界空氣溫度影響較大,墻體外表面溫度波幅減小。以此類推,建筑材料熱脹冷縮引起的熱應力與外保溫體系、自保溫體系相比應有所下降。目前,試驗用房經(jīng)過兩到三年的使用,墻體表面無裂紋出現(xiàn),建筑的正常使用壽命應無影響。隔熱涂料性能與時間的關系見圖7。隔熱涂料在實際使用環(huán)境中,其耐候性、耐沾污性以及使用壽命均會對隔熱涂料的隔熱保溫性能產(chǎn)生影響。此項主要檢測夏季效果,冬季沾污后隔熱性能由于涂料反射率的下降,節(jié)能效果應有所增加。圖7中Y是8月份隨著時間的遞增1#房和2#的傳熱量之比。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,夏季涂料表面沾污后隔熱性能由于涂料反射率的下降,節(jié)能效果有所降低。4實施1#房表墻溫度本課題通過室外工程測試房對熱反射隔熱涂料進行隔熱性能對比試驗研究,通過大量的試驗數(shù)據(jù)與分析,結(jié)果表明:(1)1#房圍護結(jié)構(gòu)的表墻溫度均高于所對應時間的氣溫,日溫度起伏較大,尤其南面表墻溫度起伏最為顯著。相對而言,2#房圍護結(jié)構(gòu)的各表墻溫度起伏較小,各表墻最高溫度明顯低于所對應1#房的表墻溫度。1#與2#房表墻溫度差最高可達8℃～10℃。因此,無論是夏季還是冬季,隔熱涂料能有效降低圍護結(jié)構(gòu)表墻溫度。(2)夏季的日平均氣溫的起伏變化與圍護結(jié)構(gòu)的得熱量存在正比關系,即日平均氣溫升高則圍護結(jié)構(gòu)的熱量差也隨之增加。反之,日平均氣溫降低則夏季得熱量也隨之減少。但在冬季,受室內(nèi)溫度的影響,圍護結(jié)構(gòu)的失熱量