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高反射涂料应用于建筑屋顶的节能效果研究Energy Saving Effect of Solar Reflective Paints Application on Roofs同济大学 沈辉 谭洪卫 刘晓宇 事務所 三木 勝夫摘要： 本文对比分析了应用高反射涂料降低建筑物屋顶表面温度的效果，并结合实测数据和模拟分析进一步探讨了高反射涂料对建筑节能的作用。实测数据表明，屋顶涂刷高反射涂料后，其外表面的温度最大可降低6.8，内表面温度最大可降低4.3。同时，通过对测试厂房进行CFD模拟得知涂装高反射涂料对室内温度场有积极改善作用。关键词：节能；太阳辐射热；高反射涂料；实测；CFD模拟0 前言将对太阳辐射热具有高反射性能的涂料（本文简称高反射涂料）应用于建筑屋顶，以达到减少屋顶对太阳辐射热量的吸收，从而降低夏季空调通风能耗的技术在国内外已有一些应用，但结合实测及模拟的研究尚不多见。本文通过对位于广州地区的某厂房进行实测及CFD模拟，研究高反射涂料在降低建筑屋顶表面温度及其室内温度场的改善作用。1 高反射涂料的作用原理太阳辐射热是造成建筑室内空调负荷的主要构成之一，对屋面涂刷高反射涂料将减少对太阳辐射热量的吸收，降低通过屋面传入室内的热量。文献1将反射率定义为根据太阳辐射波谱的能量分布，在全波长范围进行积分的积分值。在各种波长辐射中，能转化为热能的主要是可见光和红外线，到达地面的太阳辐射能量中两者能量约各占一半。如图1所示。本文研究的高反射涂料，对于可见光区域的反射率与普通材料相差不多，但是在红外线区域，其对辐射的反射率与普通材料相比有显著提高。见图2。研究中所选高反射涂料在红外线区域的反射率很高，通过积分计算得到其在达到地面的主要波段上的平均反射率为74%，而未涂高反射涂料，即涂刷相同颜色普通对比涂料屋面的反射率为44%。图1 太阳热能分布图2 高反射涂料的分光反射率2 测试概况本研究于2007年7月对广州地区某厂房实施涂料有无时的效果测试（连续测试），测试内容包括屋顶内测表面温度、外侧表面温度及室内温度。广州市属于南亚热带海洋性气候，夏季盛吹东南风。根据气象局的统计数据，夏季平均风速约为1.86m/s，根据下式2计算得屋面与周围空气对流换热系数为13.92。数据处理过程用到的气象数据为逐时室外温度、太阳直接辐射量和散射辐射量，采用广东省气候中心提供的实测数据。上述气象及测试数据情况汇总如图3所示。图3 厂房室外气象参数（2007年7月份数据）图4 厂房测试数据（2007年7月份数据）3 实测数据及分析采取简易传热计算，基本原理如图5所示。以7月22日12点数据为例，计算比较此时涂装涂料前后进入室内热流量的变化（图6）。按照如上计算方法对数据进行整理，结果如图7、8所示。图5 建筑屋面传热计算原理图图6 7月22日12时热收支计算（图中数据单位：W/m2）（上段：一般涂料。下段：高反射涂料）图7 未涂高反射涂料的屋面温度和热流量图8 有高反射涂料屋面温度和热流量通过以上分析可以得知：涂刷高反射涂料后，屋面外侧及内侧温度都有所降低，日间平均温度降幅分别为1.7和1，最大温度降幅分别为6.8和4.3。涂装高反射涂料后，经屋面的传热量有较大的减少，日间平均减少约48.8 ，夜间变化较小。可见涂装高反射涂料降低了屋面的温度并且较大的减少了传入室内的热流量，从而减轻了空调通风负荷，达到节能的目的。目前本测试仍在进行中，今后将进一步研究高反射涂料的全年节能效果。4 高反射涂料对室内温度场的影响为了进一步探讨屋面的高反射涂料对室内温度场的影响，对测试厂房内温度场作CFD模拟分析。该厂房长100m,宽50m，高5m，朝向东南，平时主要用于储藏物品因此其中并无空调设施，平时没有人员出入。屋面及墙体材料均为0.5mm钢板加5mm保温玻璃棉。分析的重点在于涂刷高反射涂料前后引起室内温度场的改变，因此简化设定条件。以7月22日12点数据为例，主要边界条件见表1。 表1 室内温度场模拟主要边界条件项目无涂料有涂料室外空气温度（）34.6屋面总辐射量（W/m2）500屋面内侧温度（）41.639.7钢板（）53保温玻璃棉（）0.0372室外风速（m/s）1.86模拟结果见厂房长度方向上的中间截面温度分布图9、10。对比图9、10可以看出，虽然屋面内侧温度有无高反射涂料仅相差1.9，但是室内的温度场仍有所改善。图9 无涂料室内温度图10 有涂料室内温度由于围护结构的蓄热性能，屋面内侧温降和外侧温降存在一定时间延迟，并且都滞后于太阳辐射量的变化。屋顶涂装高反射涂料后改善了室内温度场，对室内热舒适性的改善也有积极效果。高反射涂料的应用还需进一步研究，其降低表面温度的效果受室外气象资料的影响很大，一般说来适用于以夏季空调为主，太阳辐射量较大的地区。5 结论综上所述，屋顶涂装高反射涂料后，屋面外侧及内侧表面温度都有所降低，最大降幅分别为6.8和4.3，显示实施高反射涂料将有利于减小空调通风负荷，实现建筑物的节能减排。参考文献：1 J.L. Monteith, M.H. Unsworth. Principles of Environmental Physics, Edward Arnold, New York, 2nd edn., 1990; 2陆亚俊,马最良,邹平华. 暖通空调. 北京：中国建筑工业出版社,20023Hashem Akbari, Sarah Bretz, Dan M. Kurn, James Hanford. Peak power and cooling energy savings of high-albedo roofs. Energy and Buildings 25 (1997) 117-1264 J.R.Simpson, E.G. McPherson. The effects of roof albedo modification on cooling loads of scale model residences in Tucson, Arizona. Energy and Buildings 25 (1997) 127-137