麻建鎖 董海榮

河北建筑工程學(xué)院

0 引 言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),為了解決可能出現(xiàn)的能源資源短缺問(wèn)題,一方面除了積極探索太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能等可再生能源,另一方面要大力提倡節(jié)約能源.建筑行業(yè)是一個(gè)耗能大戶,新建建筑的節(jié)能和既有建筑的節(jié)能改造勢(shì)在必行.

傳統(tǒng)建筑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱設(shè)計(jì)時(shí)的“室外綜合溫度”計(jì)算式明確表明,飾面層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)對(duì)其影響很大[1],所以增加飾面層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收對(duì)隔熱是極其不利的.但在圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計(jì)時(shí),由于建筑外飾面材料很薄,它對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的總熱阻的貢獻(xiàn)很小,因此,在保溫設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視它的熱工性能,主要考慮其熱傳導(dǎo)特性,不考慮外飾面層對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和吸收特性.但它是圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵御外界氣候影響的第一道防線,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最終要通過(guò)它完成與外界氣候的交換.事實(shí)上,建筑的耗熱與太陽(yáng)輻射得熱有直接的關(guān)系,而太陽(yáng)輻射得熱與墻體表面對(duì)太陽(yáng)輻射熱的反射和吸收等性質(zhì)有著直接的關(guān)系.

建筑外飾面材料的材質(zhì)、顏色、表面粗糙度等所表現(xiàn)出的熱工性能都直接影響到建筑物的保溫、防熱、能耗、室內(nèi)熱舒適度以及室外生態(tài)熱環(huán)境.建筑外飾面材料的選擇既要考慮冬季的保溫得熱,又要考慮夏季防熱散熱,既要考慮室內(nèi)的熱舒適度,又要考慮對(duì)建筑的節(jié)能.因此,研究建筑外飾面材料對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和吸收等特性,利用外飾面層的太陽(yáng)輻射性能來(lái)爭(zhēng)取或者避免太陽(yáng)輻射得熱,研究其對(duì)建筑節(jié)能的影響,從而降低建筑能耗達(dá)到建筑節(jié)能具有重大的意義,也具有廣闊的應(yīng)用前景.本文通過(guò)分析建筑外表面的太陽(yáng)輻射性能、建筑外表面得失熱的情況以及建筑耗熱計(jì)算原理,對(duì)建筑外飾面材料的選擇以及耗熱的計(jì)算修正提供理論依據(jù),并提出一些建議,具有良好的理論指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值,供相關(guān)人員參考.

1 國(guó)內(nèi)外研究概況

國(guó)內(nèi)對(duì)建筑外飾面材料的太陽(yáng)輻射性能對(duì)建筑的能耗影響有一定的研究,墻體飾面材料受材質(zhì)、顏色、粗糙程度的影響會(huì)在太陽(yáng)輻射下不同程度的吸收熱量.例如,甘肅天水地區(qū),雜石子屋面就比白石子屋面溫度高13℃,又如廣州地區(qū),紅磚墻面的溫度比石灰粉刷磚墻表面溫度高6℃,對(duì)于浮石混凝土砌塊或磚砌的西墻(厚度30 cm),在無(wú)云的夏季,白色墻面溫度稍高于氣溫,但黑色墻面溫度卻高達(dá)60℃以上.20世紀(jì)80年代,中國(guó)建筑科學(xué)研究院的沈韞元先生深入研究了淺色屋面面層的降溫效果[2],并研制了一種新型的太陽(yáng)熱反射涂料.西安交通大學(xué)的陳志等人通過(guò)針對(duì)城市建筑物外墻面反照率變化,建立兩個(gè)建筑物理模型,在不同反照率墻面材料的條件下,驗(yàn)證了采用高反照率的墻面材料時(shí)一種有效的隔熱節(jié)能方式[3].

材質(zhì)表面粗糙程度也會(huì)影響它對(duì)太陽(yáng)光的吸收.劉文燕[4]等人從熱工角度研究了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面顏色越深、越粗糙,太陽(yáng)輻射吸收率越大.

近年來(lái),國(guó)外都將淺色處理作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱的有效方法.英國(guó)的建筑熱工計(jì)算,已考慮顏色的作用,對(duì)房屋建筑進(jìn)行淺色處理以防御太陽(yáng)的輻射熱,從而降低空調(diào)費(fèi)用.日本亦將淺色作為墻體隔熱的一種主要色調(diào).美國(guó)能源部研究也指出改善夏季城市熱環(huán)境,減少空調(diào)耗能的措施主要有兩種,其中之一就是使建筑物外表面的顏色淺化[5].2003年,美國(guó)學(xué)者Samir F.Moujeas和Richard Brickman在美國(guó)西南部的干旱炎熱地區(qū)建造了一幢模擬住宅,外墻和屋頂采用高發(fā)射的材料,通過(guò)模擬顯示:使用了反射材料的外墻和屋頂?shù)耐獗砻姹葲](méi)有使用的降低33.6%的冷負(fù)荷[6].

2 建筑外表面的太陽(yáng)輻射性能

當(dāng)太陽(yáng)光照射建筑外表面時(shí),一部分被物體表面吸收,一部分被物體表面反射,還有一部分透過(guò)物體.如圖1所示.

圖1 輻射能分配及轉(zhuǎn)換示意圖

圖1中ρ、α、τ分別代表墻體外層的表面總反射率、吸收率和透過(guò)率,另外ε代表介質(zhì)吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為一定波段內(nèi)的紅外輻射率[1].則有ρ+α+τ=1,對(duì)于不透明介質(zhì),可近似認(rèn)為透過(guò)率τ=0,從而ρ +α=1.各種物體對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射熱的吸收、反射及透射性能不同,這不僅取決于材質(zhì)、材料的分子結(jié)構(gòu)、表面光潔度等因素,對(duì)于短波輻射熱還與物體表面的顏色有關(guān).只有被表層吸收的熱量才會(huì)向墻體內(nèi)部傳導(dǎo),因此表層對(duì)太陽(yáng)輻射反射率越高,吸收率越低,紅外輻射率越高,隔熱效果越好.

3 建筑外飾面材料對(duì)建筑能耗的影響

3.1 建筑外飾面材料的太陽(yáng)輻射對(duì)其表面得失熱的影響

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)得失熱量中包括由室內(nèi)傳出的熱量、室外太陽(yáng)輻射直接得熱量、太陽(yáng)輻射散射得熱量、圍護(hù)結(jié)構(gòu)再輻射失熱量、地面物體反射吸收的輻射量以及外表面與室外空氣對(duì)流換熱量.建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮太陽(yáng)輻射作用得失熱量q為[7]:

式中:q1——圍護(hù)結(jié)構(gòu)由室內(nèi)傳出的熱量,W/m2;

q2——外表面吸收的太陽(yáng)輻射量,W/m2;

q3——由于輻射從外表面散出的熱量,W/m2;

q4——外表面吸收的大氣輻射熱量,W/m2;

q5——外表面從地面物體吸收的輻射熱量,W/m2;

q6——外表面與室外空氣對(duì)流換熱量,W/m2

其中,外表面吸收的太陽(yáng)輻射量q2為:q2=I·ρs(式中:I為太陽(yáng)輻射照度,W/m2;ρs為圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù).)

從太陽(yáng)輻射得熱量的公式中可以明顯看出,外飾面材料的太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)ρs起著關(guān)鍵性的作用.對(duì)于夏季需要隔熱的炎熱地區(qū),選擇太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)小的材料,例如淺色光滑表面的材料,可以減少夏季空調(diào)耗電量;而在需要冬季保溫的寒冷地區(qū),宜選擇太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)大的材料,例如深色粗糙表面的材料,可以降低采暖能耗.

3.2 建筑物耗熱量指標(biāo)的計(jì)算原理

根據(jù)《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95),單位建筑面積通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量按下式計(jì)算:

式中 qH·T——單位建筑面積通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量,W/m2;

ti——全部房間平均室內(nèi)計(jì)算溫度,一般住宅建筑,取16℃;

te——采暖期室外平均溫度,℃;

Ki——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù),W/(m2·K);

Fi——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積,m2;

A0——建筑面積,m2.

從(2)式中可以看出,在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱耗熱量時(shí),對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K進(jìn)行了修正,修正系數(shù)為εi.其意義是:考慮由于太陽(yáng)輻射得熱的影響,實(shí)際傳出的熱量比按照傳熱系數(shù)K理論計(jì)算的要少,所以對(duì)K值乘以小于1的修正系數(shù)εi.對(duì)于同一地區(qū),各朝向由于太陽(yáng)輻射照度值的不同,所以,各朝向圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的修正系數(shù)εi取值不同.

在《節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中,εi是根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的朝向來(lái)取值的.但是,建筑外飾面材料的種類很多,對(duì)于同一類型的建筑外飾面材料來(lái)說(shuō),從表面機(jī)理來(lái)分析,粗糙度有所不同;從色彩上區(qū)分,色彩深淺有所差別.建筑外飾面材料的色彩、材質(zhì)、粗糙程度等對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射以及再輻射的性能有很大的差異,這勢(shì)必造成同一朝向選擇了不同外飾面材料,得到的太陽(yáng)輻射量會(huì)有所不同.也就是說(shuō),圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)的修正不僅與朝向有關(guān),還與建筑所選外裝飾材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能有關(guān),應(yīng)對(duì)建筑外飾面材料對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收性能進(jìn)行分析研究,這樣才能夠更符合實(shí)際.

4 結(jié)論和建議

建筑外飾面材料的太陽(yáng)輻射性能對(duì)建筑的能耗有著直接的關(guān)系.對(duì)于夏季需要隔熱的炎熱地區(qū),選擇太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)小的材料,例如淺色光滑表面的材料,可以減少夏季空調(diào)耗電量;而在需要冬季保溫的寒冷地區(qū),宜選擇太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)大的材料,例如深色粗糙表面的材料,可以降低采暖能耗.建議在進(jìn)行建筑能耗計(jì)算時(shí),考慮外飾面材料的太陽(yáng)輻射性能.

[1]劉加平,建筑物理.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000

[2]沈韞元,屋面面層淺色降溫性能的研究.1986年第五屆建筑物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986

[3]陳志,俞炳豐等,反照率影響建筑熱環(huán)境的實(shí)驗(yàn).太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005(12)

[4]劉文燕,耿耀明.混凝土表面太陽(yáng)輻射吸收率試驗(yàn)研究.混凝土與水泥制品,2004(04)8:11

[5]Arthur H Rosenfeld,為城市涂上白色和綠色.中國(guó)環(huán)境管理,1999,2(01):31～33

[6]Samir F.Moujeas and Richard Brickman,Thermal performance analysis of highly reflective coating on residences in hot and arid climates,Energy engineering,2003(08)

[7]楊昭,郁文紅等,建筑物冬季太陽(yáng)輻射得熱分析.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2005.2.26(01):104～109