馬一平，朱蓓蓉，李遠(yuǎn)珊，于 賀

（同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海201804）

我國幅員遼闊，各地區(qū)氣候差異很大，不同地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計要求不同.在南方地區(qū)，夏季炎熱漫長，冬季寒冷時間很短甚至幾乎沒有冬季，長年氣溫高，太陽輻射強(qiáng)烈.一般來說，將溫度降低1 ℃所需能耗是將溫度升高1 ℃所需能耗的4 倍［1］，因此，解決炎熱地區(qū)建筑隔熱問題對建筑節(jié)能具有重大意義.

人們通常采用增加保溫層的措施來解決建筑節(jié)能問題.然而，對于夏熱冬暖地區(qū)，簡單采用增加保溫層的方法并不能有效地降低能耗，《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB 50189—2005）》的第4.2.2條明確指出了這點(diǎn).在南方地區(qū)，室內(nèi)外溫差傳熱在整個傳熱中占的比例較小，太陽輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)是造成夏季室內(nèi)過熱的主要原因.有研究表明，工業(yè)廠房、簡易廠房或臨時性建筑采用鐵皮頂越來越多，在夏季溫度為33 ℃時，鋅皮表面溫度可高達(dá)56 ℃，紅色防銹鐵皮表面溫度可達(dá)62 ℃，在面積為200 m2、高為5 m 的鐵皮廠房內(nèi)，在距地面1.5～2.0 m 處測得的溫度分別為32 ℃和35 ℃［2］.在很多情況下，無法采用空調(diào)制冷來降低室內(nèi)溫度，實(shí)踐表明，通過降低物體表面溫度的措施來降低室內(nèi)環(huán)境溫度是最行之有效的方法［3］.外墻隔熱涂料對太陽光中的可見光和近紅外光具有較高的反射能力，并且可以通過輻射的形式把建筑物吸收的熱量以一定的波長發(fā)射到空氣中，降低建筑物表面的溫度，從而可降低室內(nèi)得熱，有效減少空調(diào)制冷能耗，相比于外墻保溫措施，更適用于炎熱地區(qū)［4］.

自20世紀(jì)70年代以來，美、英、日等國家開始研究反射太陽熱量隔熱涂料，因其經(jīng)濟(jì)、方便和效果好等特點(diǎn)受到人們的青睞，前景光明［5－6］.但我國近年來的研究大多關(guān)注涂料本身的組成，如基料、顏填料等對涂料隔熱性能的影響［7－9］，其中對于隔熱性能的研究，采取的方法絕大多數(shù)是用熱源照射試驗箱或試板，以試驗箱內(nèi)部空間或試板背面（或空間）的溫度（溫度差）來對比不同涂料的隔熱性能［10］.部分研究將試驗箱置于室外，測試太陽照射條件下涂料的降溫效果［11－13］，但尚需對實(shí)際建筑的溫度變化情況進(jìn)行測試，才能獲得隔熱涂料的真實(shí)降溫效果，已有少數(shù)研究給出了實(shí)際的應(yīng)用降溫效果［14－16］.然而，僅有降溫數(shù)據(jù)仍然無法得知可以節(jié)約多少能源，而這恰恰是用戶最關(guān)心的問題.現(xiàn)有報道中，只有安邦等［16］的研究給出了空調(diào)用電量減少的實(shí)測數(shù)據(jù).

前期已探索出適用于炎熱地區(qū)建筑外表面的“曬不熱”材料，實(shí)驗室研究表明：該材料白天的曬不熱效果明顯，曝曬最大升溫比普通熱反射涂料低2～3 ℃，且該材料價格低廉，適宜用作隔熱涂料的填料［17］.本文在前述研究基礎(chǔ)上，在海南島建造了簡易試驗房，對其在實(shí)際建筑物上的降溫效果與節(jié)電情況進(jìn)行了實(shí)驗研究，以期為該涂料在炎熱地區(qū)建筑中應(yīng)用提供實(shí)際節(jié)能數(shù)據(jù).

1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原材料

“曬不熱”材料主要成分為堿土金屬碳酸鹽。丙烯酸乳液，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49%；自來水；分散劑、消泡劑、增稠劑等助劑.對比反射隔熱涂料為市售某廠家生產(chǎn)的反射隔熱涂料，涂料呈油性，價格較高，屬市面上同類材料中反射隔熱效果聲譽(yù)較好的涂料.

1.2 材料吸收率和法向發(fā)射率測定

將“曬不熱”材料充分研磨后與丙烯酸乳液、助劑和水按適當(dāng)比例混合研磨制成實(shí)驗用“曬不熱”涂料.將其涂覆在長、寬都為40mm、厚為1mm 的鋁板基材上，涂層厚度1 mm 左右，晾干，所制成樣品簡稱涂層A.采用同樣方法將對比反射隔熱涂料涂于鋁板上，所制成的樣品簡稱涂層B.為與前期探索工作銜接，采用前期探索研究期間的“曬不熱”材料樣品制備、測試方法，將研磨好的“曬不熱”材料與少量丙烯酸乳液和水拌和后涂于鋁板上［17］，制成“曬不熱”材料樣品，簡稱材料A.采用同濟(jì)大學(xué)與北京南奇星有限公司共同研制的FXL－1型吸收率和法向發(fā)射率測量裝置進(jìn)行吸收率、法向發(fā)射率的測量.

1.3 日間曝曬模擬試驗

按上述涂覆方法將材料A、涂層A 與涂層B 所用涂料涂覆在長、寬都為300mm、厚度為1 mm 的鋁板上，涂覆后置于無塵、陰涼處1晝夜，晾干.將鋁板試樣覆蓋于曝曬模擬試驗裝置（圖1）上方，并用硅膠粘接密封.

圖1 日間曝曬模擬試驗裝置Fig.1 Simulation experimental device used for daytime insolation

試驗前先將所有日間曝曬模擬試驗裝置置于室內(nèi)1晝夜，使其與環(huán)境達(dá)到熱平衡.試驗時，將曝曬裝置置于晴朗無風(fēng)或微風(fēng)天氣室外日光下，每隔0.5 h測量各裝置內(nèi)的溫度及環(huán)境溫度.測試數(shù)據(jù)經(jīng)校正后，以曝曬箱內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的最大差值計算出與環(huán)境最大溫差ΔTmax.

本文中所有溫度測試數(shù)據(jù)都已修正，修正方法見文獻(xiàn)［18］.

1.4 簡易房試驗

圖2 海南省博鰲市的簡易試驗房Fig.2 Simple test house in Bo’ao，Hainan Province of China

為測試“曬不熱”涂料在炎熱地區(qū)實(shí)際建筑中的隔熱效果，在海南島博鰲搭建了5間簡易房（圖2），自東向西分別編號為1～5號，屋頂皆為藍(lán)色的彩鋼瓦楞板，所有房間墻壁均為相同的彩鋼夾芯板，簡易試驗房均無窗戶，門規(guī)格統(tǒng)一、開于北墻；測試涂料隔熱效果時為避免東曬、西曬影響，采用中間的2～4號房間進(jìn)行試驗，屋面、地面構(gòu)造及室內(nèi)設(shè)備完全相同，且3個房間中安裝了相同的奧克斯（AUX）KFR－25GW／SD－1的1匹分體掛壁空調(diào)機(jī)，每部空調(diào)均接相同的電表分別進(jìn)行耗電計量.

于2010年6～9 月選取晴朗天氣（最高氣溫均超過30 ℃）進(jìn)行試驗.每次測試前夜將所有房屋門打開，使其與環(huán)境溫度達(dá)到熱平衡.試驗時，將每個房間門關(guān)閉，讀取溫度時人進(jìn)入后立即關(guān)門.采用已校正過的溫度計懸掛于每個房間正中央，試驗期間每0.5h測一次房間溫度，采用自制簡易百葉箱測試環(huán)境溫度.試驗過程中每種試驗均進(jìn)行2次以上，試驗結(jié)果表明同種試驗多次試驗規(guī)律基本一致，本文中僅選取每種試驗中的1組數(shù)據(jù)進(jìn)行描述.所進(jìn)行試驗包括以下2種.

（1）曝曬對比試驗：目的是分別考察未開啟空調(diào)時涂與不涂“曬不熱”涂料以及涂“曬不熱”涂料與涂市售隔熱涂料的隔熱效果.并于涂涂料前先進(jìn)行了中間3間房間的空白曝曬試驗，結(jié)果表明：3間房間室內(nèi)溫度與環(huán)境溫度最大溫差相互間差異小于0.5 ℃，故可將3間房間視為基本無差異.將2號房間屋頂涂刷涂層A，4號房間屋頂涂刷對比涂層B，3號房間屋頂不涂刷涂料.

（2）空調(diào)對比試驗：目的是分別考察開啟空調(diào)下涂與不涂“曬不熱”涂料以及涂“曬不熱”涂料與涂市售隔熱涂料的節(jié)電效果.并于未涂涂料時先進(jìn)行了3間房間開空調(diào)時的空白耗能試驗（空調(diào)設(shè)置溫度為26 ℃，試驗時間為9：00～17：00），結(jié)果表明3間房間的耗能分別為5.80，5.60，5.70kWh，基本可認(rèn)為無差異.在此基礎(chǔ)上，屋頂涂涂料方式與曝曬對比試驗相同，試驗開始時3個房間同時開啟空調(diào)，將空調(diào)設(shè)置成相同的溫度，測試3個房間試驗過程中的耗電量，每隔0.5h讀一次電表.試驗時間段分為2種，日間試驗為9：00 至17：00，24h 循環(huán)試驗為9：00至次日9：00.

為考察“曬不熱”涂料1晝夜的耗電情況，考慮到天氣和工作量因素，于2010年9月17日9：00至9月18日9：00進(jìn)行了有代表性的空調(diào)設(shè)置溫度為24 ℃時的24h空調(diào)耗能對比試驗.各房間的累計耗電量以2010年9月17日9：00 開啟空調(diào)時電表數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，以其后每0.5h 讀數(shù)減去前述基準(zhǔn)數(shù)據(jù)得到.在2010年9 月17 日 試 驗 過 程 中18：30 太 陽落山、19：00天色變黑.

由于空調(diào)設(shè)置成不同溫度時房間的耗電量存在一定的差別，因此進(jìn)行了5種不同空調(diào)設(shè)置溫度的日間空調(diào)耗能對比試驗.于2010年8～9月中選取多個晴朗天氣進(jìn)行了空調(diào)設(shè)置溫度分別為22，24，26，28，30 ℃情況下的日間空調(diào)耗能對比試驗.

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 日間曝曬模擬試驗結(jié)果

采用日間曝曬模擬試驗箱進(jìn)行了材料A、涂層A、涂層B日間曝曬試驗，結(jié)果如圖3，表1列出了材料A、涂層A、涂層B的吸收率、發(fā)射率、吸收發(fā)射比及與環(huán)境最大溫差ΔTmax，℃.

蛋白定量采用Bradford法，波長595 nm測定蛋白濃度，用標(biāo)準(zhǔn)牛血清白蛋白繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，對制備樣品蛋白溶液定量。

圖3 幾種材料的日間曝曬模擬試驗Fig.3 Thermal effects of daytime insolution of several materials

表1 幾種材料的性能Tab.1 Properties of several materials

由圖3可以看出，3個試驗箱的初始溫度相差1℃左右，可認(rèn)為已接近熱平衡狀態(tài).曝曬過程中環(huán)境溫度總體變化平緩，3個試驗箱內(nèi)溫度不斷上升，在14：30時箱內(nèi)溫度與環(huán)境的溫差達(dá)到最大值.涂層A升溫曲線在最下方，升溫速率最小，與環(huán)境最大溫差最低，僅為2.7 ℃.涂層B 的升溫曲線在最上方，升溫速率最大，與環(huán)境溫差達(dá)5.7 ℃，明顯高于涂層A.由表1可見涂層A 的吸收率、發(fā)射率與其填料材料A 相同，涂層B 的吸收率相對較高、發(fā)射率較低，可能主要是由于涂層A 吸收率較低造成以上試驗結(jié)果.

以上試驗結(jié)果表明，涂層A 的“曬不熱”效果優(yōu)于市售隔熱涂層B，是一種較好的炎熱地區(qū)用“曬不熱”涂料，有必要對其進(jìn)行實(shí)際房屋中隔熱效果的研究.

2.2 簡易房試驗結(jié)果

2.2.1 降溫效果對比

于2010年8月18日對涂層A 和涂層B進(jìn)行了曝曬對比試驗，結(jié)果如圖4.

圖4 曝曬對比試驗中簡易房的溫度Fig.4 Temperature－time graphs of daytime insolution comparative test of the experimental houses

由圖4可見，在開始試驗時3間房間初始溫度相差3～4 ℃，這是由于此時太陽已升起并斜照房頂約3h造成的，但試驗發(fā)現(xiàn)黎明前3間房間的室內(nèi)溫度相差僅為1 ℃左右，可認(rèn)為已基本達(dá)到熱平衡，鑒于本試驗以與環(huán)境最大溫差作為考察指標(biāo)且考慮到工作方便，大量試驗均選擇在太陽升起不久進(jìn)行，這樣不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生大的影響.試驗中，環(huán)境溫度變化比較平緩，3個房間內(nèi)的溫度先上升，至13：30時3個房間內(nèi)溫度均達(dá)到最大值，此后室內(nèi)溫度開始下降.未涂刷涂料的3號房間內(nèi)溫度上升速率最大，與環(huán)境溫差最大，達(dá)12.6 ℃；4號房間與2號房間由于屋頂涂料的反射隔熱效果，室內(nèi)溫度上升幅度較為平緩，2號房間的溫度始終低于4號房間的溫度，4號房間的ΔTmax為4.2 ℃，2號房間的ΔTmax僅為2.2 ℃，比4號房間低2 ℃.

上述曝曬對比試驗結(jié)果表明，屋頂涂刷“曬不熱”涂料比不涂者室內(nèi)溫度低10 ℃左右；涂“曬不熱”涂料比涂市售隔熱涂料的降溫效果更好，其曝曬最大升溫可低2 ℃.經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)彩鋼板的太陽吸收率約為0.85，發(fā)射率約為0.84，結(jié)合表2可知，屋頂涂刷“曬不熱”涂料室內(nèi)溫度明顯低于不涂者的原因在于“曬不熱”涂料的太陽吸收率明顯低于彩鋼板的太陽吸收率，而發(fā)射率高于彩鋼板的發(fā)射率；涂“曬不熱”涂料比涂市售隔熱涂料的降溫效果更好一些的原因在于其太陽吸收率略低于后者，而發(fā)射率略高于后者.

2.2.2 空調(diào)設(shè)置為24℃時24 h空調(diào)耗電量及節(jié)電率對比

考慮到天氣和工作量因素，選擇具有一定代表性的24 ℃空調(diào)設(shè)置溫度進(jìn)行了24h空調(diào)耗能對比試驗，圖5為各房間累計耗電量曲線.

圖5 空調(diào)溫度為24 ℃時簡易試驗房24h循環(huán)試驗各房間累計耗電量Fig.5 Cumulative electricity consumptions of the houses in 24hexperiment when air conditioning temperatures of three houses are all at 24 ℃

2.2.3 不同空調(diào)設(shè)置溫度時耗電量及節(jié)電率對比不同空調(diào)設(shè)置溫度日間耗電量對比試驗結(jié)果示于圖6.表2為不同空調(diào)設(shè)置溫度下所測得的各房間平均溫度.

圖6 不同空調(diào)設(shè)置溫度下簡易試驗房的日間耗電量Fig.6 Electricity consumptions of the experimental houses at different temperatures set by air－conditioner

表2 不同空調(diào)設(shè)置溫度下簡易房室內(nèi)平均溫度Tab.2 Average temperatures of the experimental houses at different temperatures set by air－conditioner℃

由圖6結(jié)合表2可見，當(dāng)空調(diào)設(shè)置溫度較低時，由于房間內(nèi)外溫差較大，熱傳遞總量也大，空調(diào)耗電量也隨之增大.空調(diào)設(shè)置為22 ℃和24 ℃時，內(nèi)外溫差大，空調(diào)功率有限，幾個房間內(nèi)的實(shí)際溫度均高于設(shè)置溫度；3號房間由于屋頂為彩鋼瓦楞板，表面溫度最高，導(dǎo)致屋面溫度與室內(nèi)溫差最大，空調(diào)功率有限，持續(xù)作用仍不足以使房間溫度降低至設(shè)置溫度，其溫度比設(shè)置溫度高3～4 ℃；涂刷隔熱涂料的2號、4號房間由于涂料對太陽的反射作用，屋面溫度較彩鋼瓦楞板屋頂?shù)?，房間內(nèi)外溫差相對較小，在空調(diào)制冷作用下房間溫度較3號低；此外，由表2可發(fā)現(xiàn)2號房間的溫度略低于4號房間溫度，且空調(diào)耗電量更低，可見，“曬不熱”涂料比市售隔熱涂料對太陽光的反射作用更強(qiáng)，隔熱效果更好.由于空調(diào)功率有限，空調(diào)設(shè)置為22 ℃和24 ℃時3個房間的空調(diào)持續(xù)作用時間較長，并且房間溫度存在較大差異，測得的耗電量差值較小，預(yù)計若使用功率足夠大的空調(diào)進(jìn)行制冷使各房間溫度均達(dá)到設(shè)置溫度則3個房間的耗電量差異將更加明顯.

當(dāng)空調(diào)設(shè)置溫度較高時，室內(nèi)外溫差相對較小，熱傳遞總量隨之減小，因此3個房間的空調(diào)耗電量也有所減少.當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)置為26，28，30 ℃時，由于隔熱涂料對太陽光的反射作用，屋頂表面與屋內(nèi)溫差減小，空調(diào)的制冷功率足以使房間內(nèi)溫度降低至設(shè)置范圍.由表2可見，此時2號、4號房間的實(shí)際溫度均低于設(shè)置溫度，而3號房間由于內(nèi)外溫差較大，其房間內(nèi)實(shí)際溫度仍略高于設(shè)置溫度，這說明圖6所測得的節(jié)電率偏低，若換大功率空調(diào)測試，則節(jié)電率還可進(jìn)一步提高.

由圖6可見，在不同空調(diào)設(shè)置溫度下，2號房間的總耗電量始終最低，3號房間總耗電量始終最高，4號房間居于兩者中間.以未涂刷涂料的3號房間為對照間，當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)置為22 ℃時，2號房間可節(jié)電0.68kWh，4號房間可節(jié)電0.47kWh，2號房間可比4號房間多省電0.21kWh；而當(dāng)空調(diào)溫度設(shè)置為30 ℃時，2號房間可節(jié)電2.13kWh，4號房間可節(jié)電1.28kWh，2 號房間比4 號房間多省電0.85 kWh.

由上述結(jié)果可見，涂刷“曬不熱”涂料的房間耗電量最低，節(jié)省的電量最多.隨著空調(diào)設(shè)置溫度提高，3個房間總耗電量均下降，涂“曬不熱”涂料和市售涂料房間節(jié)電量均提高，涂“曬不熱”涂料的房間節(jié)省的電量提高的速率比涂市售隔熱涂料的大.以3號房間為對照間，涂涂料房間節(jié)電率示于圖7.

圖7 不同空調(diào)溫度下簡易試驗房的節(jié)電率Fig.7 Electricity saving rates of the experimental houses at different temperatures set by air－conditioner

由圖7 可見，在不同空調(diào)設(shè)置溫度下涂“曬不熱”涂料的2號房間節(jié)電率始終高于涂市售涂料的4號房間.空調(diào)溫度設(shè)置越高，2號、4號房間的節(jié)電率呈升高趨勢.空調(diào)溫度設(shè)置為26 ℃及以上時，涂“曬不熱”涂料的2號房間的節(jié)電率都高于40%，并且比涂市售涂料的4號房間節(jié)電率高15.6～20.8個百分點(diǎn).

上述試驗研究表明，“曬不熱”建筑涂料在炎熱地區(qū)實(shí)際建筑上具有顯著的空調(diào)節(jié)能效果，其空調(diào)節(jié)能效果明顯優(yōu)于市售反射隔熱涂料，考慮到其原材料價格低廉、來源廣泛，可望為我國炎熱地區(qū)建筑節(jié)能發(fā)揮巨大作用.

3 結(jié)論

（1）在本試驗條件下，屋頂涂“曬不熱”建筑涂料房間溫度比未涂者低10 ℃，比涂市售反射隔熱涂料者低2 ℃.

（2）在本試驗條件下，空調(diào)設(shè)置溫度為24℃時，涂“曬不熱”建筑涂料房間24h耗電量比未涂者少1.72kWh，比涂市售反射隔熱涂料者少0.85kWh；其節(jié)電率為19.3%，明顯高于涂市售反射隔熱涂料者.

（3）在本試驗條件下，屋頂涂反射隔熱涂料的空調(diào)耗電量隨著空調(diào)設(shè)置溫度的升高而降低，節(jié)電率隨空調(diào)設(shè)置溫度的升高而升高；空調(diào)設(shè)置溫度為26 ℃及以上時，涂“曬不熱”建筑涂料房間的節(jié)電率大于40%，比涂市售反射隔熱涂料者高15.6～20.8個百分點(diǎn).

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