崔冬瑾, 許筱雯，楊振宇，李相逸，袁 磊

1)深圳大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，廣東深圳 518060；2)深圳市建筑環(huán)境優(yōu)化設(shè)計研究重點實驗室，廣東深圳 518060

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是室內(nèi)環(huán)境與室外環(huán)境的緩沖界面，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能可以提升室內(nèi)外環(huán)境舒適度，節(jié)約能源，降低能耗. 為改進(jìn)維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，近年來，許多學(xué)者致力于研究各類建筑材料的光熱性能及其節(jié)能作用.以隔熱涂料為例，SYNNEFA等[1]發(fā)明了10種高反射率的彩色涂料，通過實驗證明高反射率的彩色涂料樣本比常規(guī)樣本表面溫度更低；胡家暉等[2]介紹了涂料降溫性能檢測方法，發(fā)現(xiàn)普通白漆反射率較高，光熱性能較好；時志洋等[3]在研究色漿對熱反射隔熱涂料熱反射性能的影響時，發(fā)現(xiàn)不同色漿的色彩及濃度對可見光和近紅外波段的反射率影響顯著；董海榮等[4]研究發(fā)現(xiàn)建筑外飾面涂料的顏色對建筑的節(jié)能影響較大.周曉宇等[5]發(fā)現(xiàn)高反射率的屋面材料比屋頂綠化降溫效果更明顯；SYNNEFA等[6]發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)瀝青相比，彩色瀝青樣品具有更好的反射性能. 以上文獻(xiàn)主要分析了涂料色彩對屋頂和路面材料性能的影響，但建筑立面材料的反射隔熱研究卻較為滯后.一方面是由于建筑外立面處于更為復(fù)雜的城市街谷環(huán)境中，容易受周圍環(huán)境影響；另一方面，外立面設(shè)計過程中較少考慮材料對建筑物理環(huán)境的影響，傾向從美學(xué)和心理學(xué)出發(fā)營造建筑氛圍和性格.近年來，一些學(xué)者以量化的心理感受值來定量描述色彩的特征，并基于色彩特征從心理學(xué)角度進(jìn)行設(shè)計[7-8]. 兒童相對容易被豐富的色彩吸引，所以幼兒建筑外立面色彩較為鮮艷、豐富. 然而，幼兒對熱環(huán)境的敏感度相對其他人群更高，外立面的隔熱性能會由于色彩而改變. 基于此，本研究利用高德地圖提取興趣點(point of interest, POI) 數(shù)據(jù)，對深圳市1 891所幼兒園的外飾面進(jìn)行統(tǒng)計分析，可視化結(jié)果如圖1，并基于POI數(shù)據(jù)提取4種高頻色彩(紅、黃、綠和藍(lán))，研究不同色彩涂料立面光熱性能的差異.

圖1 深圳市彩色立面幼兒園分布地圖Fig.1 The map of colorful coating fa?ade kindergartens

1 實驗原理

地球上接收到的太陽輻射波段主要集中在250～2 500 nm，不同波段的輻射能在太陽光總輻射能中的占比不同，其中，包括約5%的紫外線輻射(波長<400 nm)、46%的可見光輻射(波長在400～700 nm)和49%的近紅外輻射(波長在700～2 500 nm). 絕大部分的太陽輻射能來自于可見光和近紅外波段，約占總能量的95%.

SYNNEFA等[1,6,9]研究發(fā)現(xiàn)，顏填料影響涂料的光學(xué)特性，提高可見光和近紅外波段的反射率可有效提高隔熱效果[10-11]. 在近紅外光譜范圍內(nèi)，光譜反射率遵循二相流原理[9]，

(1)

其中，K是吸收系數(shù)；S是散射系數(shù)；R∞是樣品在無限厚度下的反射率；F(R)稱為緩解函數(shù).S與平均粒徑d的倒數(shù)之間存在線性關(guān)系，即涂料的平均粒徑越小，S越大，導(dǎo)致R∞增大.

ZHANG等[12-13]通過調(diào)整涂料的分子結(jié)構(gòu)來增加近紅外波段的反射率，彌補可見光波段低反射率的弊端，提升涂料總體隔熱性能. 至今，該項技術(shù)已廣泛應(yīng)用在反射性紅外無機(jī)涂料的制備中.有機(jī)涂料分子設(shè)計難度很大，通過配比或制備方式來合成新的分子或改變分子結(jié)構(gòu)較困難[13]，因此反射性有機(jī)涂料的推廣應(yīng)用遠(yuǎn)不及反射性無機(jī)涂料. 但從裝飾效果方面考慮，有機(jī)涂料相對無機(jī)涂料具有更好的著色率，且色譜范圍廣、色澤鮮艷，因此被廣泛應(yīng)用在幼兒建筑等需要鮮艷色彩立面的建筑類型中.

在不改變分子結(jié)構(gòu)的前提下，涂料的顏色可一定程度影響反射率[9]，涂料反射率R為

(2)

其中，Φp(λ)是反射光束光通量；Φi(λ)為入射光束光通量.

2 實 驗

2.1 實驗簡介

選取晴朗無云的天氣進(jìn)行實驗. 實測時間為2019-09-28，最高氣溫35 ℃，平均相對濕度68%，平均風(fēng)速2.6 m/s. 實測地點位于中國深圳市設(shè)計產(chǎn)業(yè)園廠區(qū)，該街區(qū)呈典型行列式布局，如圖2. 選取紅、黃、綠和藍(lán)4種外立面顏色的4棟建筑作為實測對象，研究西立面和南立面(街谷寬度W=10 m，建筑高度H=20 m)不同色彩涂料立面的光熱性能差異，見圖3. 該街區(qū)內(nèi)建筑群統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建造，采取相同的建筑表面材料，可以認(rèn)為表面粗糙度和導(dǎo)熱系數(shù)相近.

圖2 街區(qū)衛(wèi)星圖及立面現(xiàn)狀Fig.2 Satellite imagery of site and coating fa?ade

圖3 二維街谷示意圖Fig.3 Two-dimensional image of street canyon

2.2 實驗設(shè)置

觀測時段為12∶00—15∶00，測量間隔為1 h.采用GSAT 280熱成像儀和SPIC-300光譜儀同時采集立面溫度數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)，確保光譜儀測點位于熱成像儀測量范圍內(nèi).每個樣品選取3個角度測量，得出平均值，記錄數(shù)據(jù).研究不同朝向立面的表面溫度變化，分別采集建筑群沿街西立面和街谷內(nèi)部南立面的數(shù)據(jù).研究同一朝向不同色彩、明度的表面溫度差異：同種顏色的墻體按照明度差異區(qū)分為淺、中和深3組數(shù)據(jù)，通過紅外熱成像圖分區(qū)讀取溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4，分別記錄最大值、最小值和平均值.

圖4 紅外熱成像圖Fig.4 Infrared thermal images

3 彩色涂料光熱性能實測分析

3.1 不同色彩的光熱性能差異分析

為了研究色彩影響下的立面光熱性能差異，選取相同朝向，同一高度的各色測點為觀測對象，每隔1 h記錄測點溫度. 結(jié)果顯示，不同色彩的涂料立面壁溫差異很大.以南立面白色測點表面溫度為基準(zhǔn)，計算南立面各彩色涂料的相對溫差(圖5). 由圖5可見，13∶00時綠色立面與白色立面的相對溫差達(dá)到最大值，高達(dá)14.47 ℃，藍(lán)色和紅色的相對溫差分別為10.80 ℃和10.02 ℃，黃色立面的相對溫差較小，為5.42 ℃. 不同色彩平均表面溫度差異并不符合色彩心理學(xué)中“冷色調(diào)溫度更低、暖色調(diào)溫度更高”的認(rèn)知，相反，藍(lán)色和綠色涂料立面表面溫度總體比紅色和黃色更高.

圖5 南立面相對溫差示意圖Fig.5 Relative surface temperature of south fa?ade

3.2 不同朝向的光熱性能差異

本實驗分為2組，同時記錄建筑群南立面和西立面測點表面溫度，見圖6和圖7. 由圖6和圖7可知，不同朝向立面溫度變化趨勢有較大差異，南立面平均表面溫度變化趨勢比西立面更平緩，于12∶00時起整體呈上升趨勢，14∶00時后開始下降. 各色涂料立面的溫度變化趨勢大致相同，綠色立面的表面溫度最高，其次是藍(lán)色立面和紅色立面，黃色立面的表面溫度最低. 西立面藍(lán)色測點于14∶00時受街道對面建筑物的遮蔽影響，出現(xiàn)反常下降現(xiàn)象，其余測點受西曬影響，溫度從13∶00開始大幅上升. 總體來說，南立面表面溫度整體較西立面更高，但溫差較??；西立面表面溫度較低，但逐時溫差變化較大.

圖6 南立面平均溫度變化趨勢圖Fig.6 Mean surface temperature trend of south fa?ade

圖7 西立面平均溫度變化趨勢圖Fig.7 Mean surface temperature trend of west fa?ade

3.3 不同明度的光熱性能差異分析

明度是表達(dá)表面顏色明亮程度的指數(shù). XIE等[9]研究指出，在近紅外波段，顏料的明度變化不影響反射率，但在可見光波段，明度會影響反射率. 實測對象同一色彩有多種明度差異，因此將樣本劃分為淺、中和深3個明度區(qū)間，測量表面溫度并記錄.保證各個測點位于同一朝向、同一高度，結(jié)果如圖8. 由圖8可知，測點的表面溫度隨明度的降低而增加，明度的差異會造成樣本表面溫度的差異，相同色彩涂料的明度越低，平均表面溫度越高. 15∶00時西立面綠色測點呈現(xiàn)最大溫度差，深綠和淺綠涂料立面溫度差高達(dá)6.38 ℃，深紅和淺紅涂料立面溫度差次之，為4.52 ℃，深藍(lán)和淺藍(lán)涂料立面溫度差為2.17 ℃. 黃色立面?zhèn)€別數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常是由于周圍建筑物遮擋所致.

圖8 不同明度立面溫差示意圖Fig.8 Mean surface temperature of different brightness of fa?ade

3.4 可見光譜反射率與表面溫度的相關(guān)性分析

人眼之所以能產(chǎn)生不同的顏色感覺即顏色視覺，是由于外界刺激輻射光譜的組成不同造成的. 人眼能感知到不同的立面色彩，是由于墻面反射了太陽光譜中不同波段的可見光[14]. 紅色墻面之所以呈現(xiàn)紅色，是因為其反射了太陽光中大部分780～622 nm波段的可見光，因此紅色立面光譜曲線在780～622 nm波段區(qū)間出現(xiàn)峰值. 同一色彩由于明度不同，光譜曲線也會呈現(xiàn)差異，如淺紅立面相對中紅立面780～622 nm波段區(qū)間具有更高的峰值. 對于建筑外立面來說，不同色彩的涂料主要是通過反射來自太陽的短波輻射，降低建筑物表面溫度，以減少建筑得熱. 不同色彩涂料可見光波段的反射率可根據(jù)太陽輻射光譜的能量分布在可見光范圍內(nèi)積分求得. 將幾種彩色涂料可見光波段的反射率和建筑外立面平均表面溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖9. 由圖9可見，兩者呈負(fù)相關(guān)， 可見光波段的反射率越高，平均表面溫度越低.

圖9 平均表面溫度和可見光波段反射率相關(guān)性分析Fig.9 Correlation between mean surface temperature and VIS reflection

由此可知，即使是在復(fù)雜的現(xiàn)實街區(qū)環(huán)境中，色彩的選擇依然對涂料光熱性能影響較大. 提高彩色涂料可見光波段的反射率，可有效提高建筑立面光熱性能，從而降低建筑得熱，達(dá)到節(jié)能目的.

結(jié) 語

通過POI數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，提取深圳幼兒建筑涂料外立面典型的色彩種類，在行列式布局的街區(qū)中進(jìn)行了實測研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)色彩的差異會對涂料立面的光熱性能產(chǎn)生影響.黃色立面測點表面溫度最低，與紅色立面的溫度差最高可達(dá)5.67 ℃，與藍(lán)色立面的溫度差最高可達(dá)7.44 ℃. 綠色立面測點表面溫度最高，與黃色立面的溫度差最高可達(dá)10.87 ℃.

2)同種色彩的明度不同，光熱性能也不同.在可見光波段，明度越高，反射性能越好，平均表面溫度越低.

3)在行列式布局的街區(qū)中，改變涂料色彩能有效提高建筑外立面的隔熱性能. 無論在街區(qū)沿街面還是高寬比為2∶1的街谷內(nèi)部，可見光波段反射率較高的樣本都呈現(xiàn)出較低的平均表面溫度.

4)色彩心理學(xué)中顏色的冷暖感知與色彩光熱性能導(dǎo)致的溫度差有較大差異. 色彩心理學(xué)上感覺偏冷的顏色(如藍(lán)色和綠色涂料)，反射率較低，平均表面溫度較高；色彩心理學(xué)上感覺偏暖的顏色(如黃色和紅色涂料)，反射率較高，平均表面溫度較低.

幼兒建筑是使用彩色涂料較為頻繁的建筑類型，然而在外墻涂料的色彩選擇上往往忽略色彩帶來的光熱性能差異. 在今后的幼兒建筑設(shè)計中，設(shè)計師應(yīng)兼顧裝飾效果與光熱性能進(jìn)行立面設(shè)計.