隔热涂料在建筑墙体中的应用研究

隔热涂料在建筑墙体中的应用研究

1反射性涂层技术浙江省属夏热冬冷地区。夏季阳光强，外表面温度远高于周围环境空气温度，日照时间长。冬季室内外温差在20℃左右,采暖能耗小于北方,但是室内的热量传递仍有40%是以辐射传热的形式存在,单纯地进行隔热,其节能效果不十分理想。利用反射型建筑隔热涂料对光和热的高反射作用,使太阳照射到涂膜上的大部分能量得到反射,提高墙面的热反射率,有效隔断大部分辐射热量,降低墙面的夏季得热,减少夏季空调负荷,改善室内热舒适环境,成为建筑节能的另一有效途径。此技术在美国、日本等地区的应用较为广泛,近年来在我国亦开始研究推广,取得了一些成效。但大多研究都局限于夏热冬暖地区的隔热计算以及该地区的仓储类建筑屋面隔热效果方面,针对反射性隔热涂料在夏热冬冷地区的外墙涂覆情况还缺乏较为完善的基础性应用技术研究,对其在节能建筑中应用的有效性尚不完全掌握,市场推广应用受到很大影响。本文以浙江杭州地区为例,在室外模拟实际房屋建造了工程测试房,通过对比性建筑的全年温度变化连续监测,对夏、冬两季的监测数据进行统计分析,探讨热反射隔热涂料在实际工程应用中对建筑墙体的节能效果,并分析在使用环境中沾污后的保温性能衰减问题,从而为今后的研究提供有效依据。2试验房及设备本试验在浙江建设职业技术学院西北角空旷地带建造了两栋独立的相同单层砖混结构测试房,两测试房朝向南偏西15°,尺寸均为4m×4m×3.8m,无外窗,在北墙处设2.1m×0.9m保温外门,建筑净间距6.8m,周围无影响性遮挡,绿化较好。建筑为框架结构,外墙构造为:20mm厚水泥砂浆+240mm厚的叶岩多孔砖+20mm厚水泥砂浆;屋面、地面构造及室内设备完全相同(参照图1)。其中一间外墙外侧涂刷反射性隔热涂料(以下称2#实测房),隔热涂料为白色均匀液体,太阳反射比为0.84,由空心玻璃微珠、丙烯酸树脂和金红石钛白粉构成,主要反射太阳辐射热(红外线)。另一间不涂隔热涂料的基准房(以下称1#实测房)。在两测试房室内、室外,围护墙体及屋面墙体设置温度传感器,具体设置方法如图2所示。其中围护墙体测东、南、西向三面墙体。所有温度数据由安杰仑数据采集器每隔5min自动记录。两测试房内均安装挂式空调(美的KFR-26GW)一台,用于平衡室内温度之用。夏季空调设定温度为26℃,冬季为18℃。1#、2#实测房于2009年5月建成,7月16日开始测试。3结果与分析3.1年10月31日本课题统计的测试数据为2010年9月10日开始至2012年10月31日为止。为了便于对冬夏两季隔热涂料的使用效果进行比较,这里将较为典型的2011年8月1日～8月30日的夏季数据与2012年1月1日～1月31日的冬季数据进比较。3.1.1温度含量的日平均温度图3为夏季1#、2#房东、南、西三面表墙温度与气温时间变化。其中,Tsa为1#、2#房周围气温,1ES-1、1SS-1、1WS-1和2ES-1、2SS-1、2WS-1分别代表1#房和2#房东、南、西三面表墙(图2中测点1的位置)日平均温度。这里所指的日平均温度为所测1日至30日各相同时点所测温度平均后组成的时变化温度(下文同)。由图3可知,1#房和2#房的东、南、西三面表墙温度与气温都呈日周期性变化。1#房东、南、西三面表墙温度的变化幅度比2#房显著,即1#房出现的最高温度比2#房要高。而且1#房各墙体的温度均大于气温,但2#房各表墙温度在白天均小于气温。例如,1#房出现最高温度41℃的为南面外墙,而2#房南面墙出现最高温度为33℃,两者温度相差8℃,此时的气温也为最高值37℃。受太阳辐射角度的影响,东、南、西三面表墙的最高温度随时间推移依次出现,但2#房南面和西面温度高温度出现时间都在15:00左右,其值也大致相同。说明2#房在隔热涂料的作用下,比起太阳辐射,表墙的升温受周围气温的影响较大。3.1.2冬季平均温度特征图4为冬季1#、2#房东、南、西三面表墙温度与气温时间变化。其中,Twa为1#、2#房周围气温,1EW-1、1SW-1、1WW-1和2EW-1、2SW-1、2WW-1分别代表1#房和2#房冬季东、南、西三面表墙(图2中测点1的位置)时平均温度。从图4的结果来看,同夏季所测结果一样,1#房各面表墙温度也均大于气温,相对于2#房而言,日变化振幅较大。1#房与2#房的最高温度均出现在15:00左右,分别约为23℃、13℃,两者最高温度的差值达到了10℃左右。值得注意的是,2#房1000～16:00之间各面表墙温度与气温之间的差值相对于同时间段的1#房而言非常小,而16:00～6:00之间的各面表墙温度要高于气温,因此可以推断2#各面表墙的升温相对于1#房而言,受太阳辐射的影响要小得多。3.2由于防护结构的热量差和温度时间的变化，3.2.1围护结构表墙的热传热量比选以外墙外表面的混合砂浆层作为外墙与外界热传递的边界层,本实测房外墙热平衡方程可为:这里,c为外墙外表面混合砂浆的比热容[1.05(kJ/kg·℃)];ρ为外墙外表面混合砂浆的干密度(1700kg/m3);Δx为混合砂浆的厚度(m);T为混合砂浆中心温度(K);t为时间(s);Δt为时间间隔(s);qin为外墙混合砂浆层外表面传热量(W/m2),为围护结构外墙外表面换热量与辐射量的总和;qco外墙混合砂浆层的传热量(W/m2)。由于2#外墙涂料层极薄,热容量小,其影响可以忽略不计。因此1#、2#房围护结构外墙外表面(表墙)边界层的热平衡方程通过式(1)整理后,可用差分法求得:这里,下添字p1、pa分别表示外墙混合砂浆层外表面位置和内表面位置(图2中1、a点)。Δt取监测时间间隔,即300s。λ为混合砂浆层热传导率(=0.93W/m·K)。因此,围护结构表墙的日累积传热量可用以下公式求得:其中,Qc为表墙日累积传热量(J/m2);为积分符,表示6:00至次日6:00期间所测传热量的累加。冬、夏两季隔热涂料的隔热效果的评价,1#房与2#房的累积传热量采用以下公式:其中,Qcl,sad、Qc2,sad分别表示1#房、2#房夏季围护结构表墙的日累积传热量;Qc1,wad、Qc2,wad分别表示1#房、2#房冬季围护结构表墙的日累积传热量;Qsad和Qwad分别表示夏季和冬季的1#房与2#房日累积得热量之差。因Qsad为隔热涂料在夏季起到节约能耗的热量,这里称之为得热量;但在冬季,Qwad反而为可能增加采暖能耗的热量,这里称之为失热量。3.2.2夏季与夏季得热量的起伏变化图5为8月1日～8月30日的夏季围护结构的得热量与气温的时间变化。Tsad表示日平均气温的变化,Qsadb和Qsads则分别表示Tsad大于与小于26℃的夏季围护结构的热量差。图5的结果表示,日平均气温的起伏变化与夏季得热量的起伏变化基本存在正比关系,即在8月份内日平均气温升高则夏季得热量也随之增加,反之日平均气温降低则夏季得热量也随之减少。众所周知,夏季对于围护结构而言主要是得热过程,其得热的主导因素为太阳辐射所传递的热量,而外墙表面的反射率则决定太阳辐射量的主因。因此可以分析得出,在夏季,气温越高则隔热涂料对围护结构的降温效果越明显。但另一方面,由图3的数据亦可看出,日平均气温越高并不代表夏季得热量越多。比如日平均最高气温出现在8月19日(约为35℃),所对应的夏季得热量约为128kJ/m2,而最高夏季得热量出现在8月23日,当日的日平均气温约为33℃。3.2.3冬季围护结构失热量的确定图6为1月1日～1月30日的冬季围护结构的失热量与气温的时间变化。Twad表示日平均气温的变化,Qwadb和Qwads则分别表示Twad大于与小于5℃的冬季围护结构的失热量。由于冬季实测房室内温度由空调采暖控制在18℃,因此可认为冬季热量的主要传递方向为室内向室外,即围护结构的各表墙主要为失热过程。图6的数据表明,最高冬季围护结构的失热量以及最低日平均气温都出现在1月13日,分别为324kJ/m2和2℃。但整体而言,冬季围护结构的热量差与日平均气温难以找出比例关系,可以推测在冬季影响实测房围护结构表墙的传热量除外部环境气象因素外,室内温度的影响也十分明显。3.3空调系统负担的确定根据夏热冬冷地区建筑设计节能规范以及杭州居民冬夏季空调制冷、采暖设计要求,夏季空调制冷日数以日平均温度大于26℃的日数来确定,冬季则以日平均温度低于5℃来确定采暖日数。本课题则以8月份作为夏季代表月、1月份为冬季代表月,由此根据图5与图6的日平均温度的数据得出:夏季空调制冷日数为29d、冬季采暖日数为8d,并以此来分析隔热涂料在杭州地区全年的节能效果。如果将隔热涂料在夏季围护结构的得热量以及冬季围护结构的失热量全都由空调系统负担,则冬、夏两季隔热涂料对空调电耗的改善效果可按下式简略计算得出,即本试验实测房围护结构的单位面积可节省的电量为:其中,ΔE为节省的电量(W);S:东、南、西三面墙体表面积之和(m2);ΣQsad为夏季8月份围护结构的得热量(kcal/m2);ΣQwad为冬季1月份围护结构的失热量(kcal/m2);EER为空调制冷的能效比,这里取23;COP为空调采暖的能效比,这里取1.9。由此可见,在夏暖冬冷的杭州地区使用太阳热反射隔热涂料有一定节能效果,如果将隔热涂料用于浙南地区的话,其节能效果预计会更加显著。3.4性能与环境的关系由于气候的影响,涂料在其各个阶段都有可能发生变色、性能下降、开裂、剥落及粉化等,这种现象称为化学老化。造成上述损害的主要原因是阳光(特别是紫外线UV)、高温以及雨水、露水和高湿度形式出现的湿气。当涂料处于光与湿气的共同作用时,其本身的单一耐光能力或单一的抗湿能力就会失效。工程测试房采用隔热涂料后,由于热反射作用,墙体外表面温度受太阳辐射热的影响减小,受外界空气温度影响较大,墙体外表面温度波幅减小。以此类推,建筑材料热胀冷缩引起的热应力与外保温体系、自保温体系相比应有所下降。目前,试验用房经过两到三年的使用,墙体表面无裂纹出现,建筑的正常使用寿命应无影响。隔热涂料性能与时间的关系见图7。隔热涂料在实际使用环境中,其耐候性、耐沾污性以及使用寿命均会对隔热涂料的隔热保温性能产生影响。此项主要检测夏季效果,冬季沾污后隔热性能由于涂料反射率的下降,节能效果应有所增加。图7中Y是8月份随着时间的递增1#房和2#的传热量之比。从统计数据看,夏季涂料表面沾污后隔热性能由于涂料反射率的下降,节能效果有所降低。4实施1#房表墙温度本课题通过室外工程测试房对热反射隔热涂料进行隔热性能对比试验研究,通过大量的试验数据与分析,结果表明:(1)1#房围护结构的表墙温度均高于所对应时间的气温,日温度起伏较大,尤其南面表墙温度起伏最为显著。相对而言,2#房围护结构的各表墙温度起伏较小,各表墙最高温度明显低于所对应1#房的表墙温度。1#与2#房表墙温度差最高可达8℃～10℃。因此,无论是夏季还是冬季,隔热涂料能有效降低围护结构表墙温度。(2)夏季的日平均气温的起伏变化与围护结构的得热量存在正比关系,即日平均气温升高则围护结构的热量差也随之增加。反之,日平均气温降低则夏季得热量也随之减少。但在冬季,受室内温度的影响,围护结构的失热量