土木建筑与环境工程  2017, Vol. 39 Issue (6): 129-134   PDF    
高反射涂料自然老化后的隔热性能
高亚锋a,b, 郭睿b, 徐江民c, 庄超群c, 向瑞骐c, 范东叶c    
a. 重庆大学 绿色建筑与人居环境营造国际合作联合实验室, 重庆 400045;
b. 重庆大学 国家级低碳绿色建筑国际联合研究中心, 重庆 400045;
c. 重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400045
收稿日期：2017-04-07
基金项目：重庆市基础与前沿研究计划一般项目（CSTC2014jcyjA90018）；“十三五”国家重点研发计划（2017YFC0702903）；中国中冶重大科技专项（0012012006）
作者简介：高亚锋(1979-), 男, 博士, 副教授, 主要从事建筑室外环境与绿色建筑研究, (E-mail)gaoyafeng79@126.com。
摘要：为研究高反射涂料在夏热冬冷地区一年自然老化后的隔热性能，以重庆市某办公建筑两间建筑外形、围护结构和朝向均相同的顶层房间为研究对象，在屋顶上涂敷普通灰色涂料、白色高反射涂料分别作为基准屋顶、高反射屋顶，分别选取2014年7月和2015年7月的连续3个晴朗日进行夏季隔热性能实测。研究结果表明：经过一年自然老化后的高反射屋顶反射率下降，隔热性能有所降低，在相同空调工况下，内外壁面降温幅度分别减小3.2℃和4.2℃，空调耗电量降低0.03 kWh/m2·d；非空调工况时，室内空气温度降温幅度减小2.5℃。
关键词：高反射涂料    自然老化    隔热性能    空调节电量    
Thermal insulation performance of high reflective coatings after natural aging
Gao Yafenga,b, Guo Ruib, Xu Jiangminc, Zhuang Chaoqunc, Xiang Ruiqic, Fan Dongyec    
a. Joint International Research Laboratory of Green Building and Built Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China;
b. National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China;
c. Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region's Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, P. R. China
Received: 2017-04-07
Foundation item: Chongqing Fundamental and Advanced Research Projects(No. CSTC2014jcyjA90018); China National Key R & D Program(No.2017YFC0702903); Major Science and Technology Special Project of China Metallurgical Group Corporation (No. 0012012006)
Abstract: Experiment was carried out to investigate the impact of natural aging of high reflective coating on its thermal insulation performance in hot-summer and cold-winter zone. White reflective coatings and gray coatings were applied respectively on two identical top-floor rooms of an office building in Chongqing with same floor area, envelope material and orientation. Thermal insulation performance was investigated by analyzing the records of three consecutive sunny day in July 2014 and July 2015. The results showed that reflectivity of reflective roof and thermal insulation performance decreased after one-year natural aging. When the room was conditioned with the setting point of 26℃, average temperatures of interior and exterior surfaces decreased by 3.2℃ and 4.2℃ respectively, and the energy consumption of air conditioners decreased by 0.03 kWh/m2·d in July 2014 compared with those in July 2015. When air-conditioners were off, there was a decrease of 2.5℃ in average indoor air temperature in July 2014 compared with those in July 2015.
Key Words: reflective coatings    natural aging    thermal insulation performance    air-conditioning energy consumption    

屋顶是位于房屋顶部具有承重、防渗止漏和保温隔热等作用的建筑构件，其直接受太阳辐射和周期性变化的大气温度等自然因素的作用，对于建筑能耗和室内热舒适均有较大影响。据统计，在多层建筑中，屋顶的能耗约占建筑总能耗的5%~10%，占顶层能耗的40%以上[1]。而涂敷高反射涂料的屋顶有利于改善屋顶热工性能，从而提高建筑顶层房间室内热舒适、降低空调能耗、缓解城市热岛效应及实现碳减排[2-6]。Levinson等[7]对美国多个城市的办公建筑实测发现，高反射屋顶可在夏季降低空调能耗3.30~7.69 kWh/m2，能有效减少发电厂CO2、SO2和NOx的排放。Xu等[8]对印度某项目的冷屋顶实验监测数据表明，冷屋顶每年节电量可达20~22 kWh/m2，相当于减少制冷能耗14%~26%。然而，高反射涂料反射率会因天气变化、风蚀和灰尘玷污导致的自然老化而衰减，降低隔热性能。Dornelles等[9]在巴西圣保罗对12种标准涂料和8种高反射涂料进行了为期18个月的老化性能测试，研究表明，反射率较高的浅色涂料受气候和沾污影响在最开始的6个月内反射率均有大幅度下降。Mastrapostoli等[10]在希腊雅典对两栋学校建筑进行的冷屋顶老化降温效果实验测试表明，高反射涂料老化后的屋顶(反射率为0.5~0.55) 与刚涂敷高反射涂料的屋顶(反射率为0.71~0.74) 外表面温度相差可达7~12 ℃。目前，中国对高反射屋顶的研究多集中在高反射涂料的工艺、特性[11-12]以及刚涂敷高反射涂料的隔热性能方面[13-14]，缺乏针对高反射屋顶在夏热冬冷地区自然老化后的隔热性能研究。本文以重庆市某办公建筑为对象，对屋顶用高反射涂料一年自然老化后的隔热性能及其在夏季的应用实效进行了测试分析。

1 实验概况
1.1 实验场地的选取及布置

选择重庆市江津区某工厂办公楼顶层相邻的2间房为实测用房，其建筑朝向、房间面积、窗户尺寸均一致，屋顶均为平屋顶。房间的空间尺寸为5.92 m×3.62 m×3.30 m，面积为21.4 m2，窗户形式为单层推拉式，尺寸为1.40 m×1.46 m。实验平台于2014年7月15日搭建，共选取2种涂料，其中，白色涂料为2014年1月生产的W型高反射隔热涂料，主要成分为陶瓷钛硅色釉空心微珠颜料、有机硅-丙烯酸树脂、玻璃微珠、水、添加剂，涂料产品检测参数如表 1所示。符合《建筑用反射涂料》(GB/T 25261—2010) [15]和《建筑反射涂料》(JG/T 235—2008) [16]要求。Sleiman等[17-18]研究发现，普通灰色屋面的反射率一般维持在0.2左右，故选用反射率为0.2的普通灰色涂料为基准涂料，其主要成分为：炭黑颜料、钛白粉、丙烯酸树脂、水、添加剂。依据《建筑反射涂料应用技术规程》(JGJ/T 359—2015) [19]的施工要求，在2个实验房的屋顶上分别涂上这2种涂料，其施工主要分为3步：1) 屋顶处理：清除屋顶灰尘、油脂及污垢，使其平整；2) 封底漆涂刷：在清理后的干燥屋顶上涂刷一道底漆；3) 涂刷：采用滚涂法对屋顶进行两道涂刷。

表 1 高反射隔热涂料产品检测参数 Table 1 Product testing parameters of the solar reflective coatings

实验办公楼南立面图及屋顶测试效果图如图 1所示。依据《重庆市人民政府办公厅关于主城区行政事业单位全年实行朝9晚6作息时间的通知》(渝办发〔2011〕351号)[20]，空调运行时间段设为8:00至18:00，空调夏季设置温度为26 ℃，3个房间空调器均为美的KFR-35GW/DY-IA (R3) 型风冷热泵空调，制冷量、制热量为3 520、4 000 W，COP、EER为3.29、3.67。

图 1 实验办公楼南立面及屋顶测试效果图 Fig. 1 North facade of the office building and external view of the roof

1.2 测试内容与条件
1.2.1 测试内容

根据《建筑热环境测试方法标准》(JGJ/T 347—2014) [21]和《地面气象观测规范》[22]实测过程动态监测的参数主要包括：3间办公室的空调耗电量，屋顶接收和反射的太阳辐射照度，室外空气温、湿度，室内空气温度，屋顶内、外表面温度，屋顶外壁面导热热流密度。其中，热流计安装方式为：在屋顶中线1/3处挖孔5 cm，将热流计埋入，并涂敷导热膏以使其与屋面紧密接触，然后注入水泥砂浆抹平洞口，并涂敷对应的白色高反射涂料和普通灰色涂料。具体测点布置及测量仪器见图 2、表 2。

图 2 测点位置 Fig. 2 Installation positions of the test apparatus

表 2 实测仪器规格 Table 2 Specifications of apparatus

1.2.2 测试条件

测试时间为2014-07-25—2014-07-27和2015-07-17—2015-07-19，共计6 d。测试期间多为晴天多云天气，图 3为测试期间的每室外空气温度与太阳辐射照度曲线，表 3为测试期间室外气象参数，由表 3可知，2014年测试日内，室外平均温度为30.7 ℃，温度波动范围在22.9~38.4 ℃，辐射强度最大值为795.0 W/m2(2014年7月25日)，日平均总辐射量为23.6 MJ/m2·d。2015年测试日内，室外平均温度为31.7 ℃，温度波动范围在24.6~40.5 ℃，辐射强度最大值为768.0 W/m2(2015年7月17日)，日平均总辐射量为22.6 MJ/m2·d。通过对比发现，2014年与2015年测试期内的气象条件类似。

图 3 测试期间室外天气状况 Fig. 3 Ambient conditions during the test

表 3 测试期间室外气象参数 Table 3 Meteorological parameter during the test

2 结果与讨论
2.1 两种屋顶反射率实测

Paolini等[23]对高反射涂料自然老化反射率的变化研究表明，大部分高反射涂料反射率在6个月内下降最快，一年以后保持稳定。采用反射率表，在晴朗少云的天气下依次对近一年内3种屋顶在250~2 500 nm波长范围内的反射率进行测定，然后，利用美国ASTM E1918—06(2015) [24]中的视角系数式(1) 对反射率进行校准，得到涂料在各波段范围内的反射率，如表 4所示。

表 4 3种屋顶的反射率 Table 4 The reflectivities of roofs

${{F}_{1-2}}=\frac{1}{2}\left\{ X-\sqrt{\left[ {{X}_{2}}-4{{\left( \frac{{{R}_{2}}}{{{R}_{1}}} \right)}^{2}} \right]} \right\}$ (1)

式中:F1-2为视角系数；R1为反射率表半径与距屋顶高度之比，R1=r1/h；R2为反射率表的最大可视圆半径与距屋顶高度之比，${{R}_{2}}={{r}_{2}}/h;X=1+1+\frac{~R_{2}^{2}}{R_{1}^{2}}$。

由表 4可知，高反射屋顶由于天气变化、风蚀和灰尘玷污导致涂料自然老化，反射率较2014年下降近20%，老化后的反射率与Sleiman等[17-18]研究的白色高反射屋顶老化衰减后的反射率0.6接近。基准屋顶由于沾灰，其反射率则小幅增长。

2.2 屋顶隔热性能实测

将2014年和2015年测试期各自3 d的温度分别取平均，两个房间24 h的室内外温度变化曲线如图 4所示。

图 4 空调工况下3间房间室内外温度变化曲线 Fig. 4 Indoor and outdoor temperature distributions of three rooms with air conditioning

由图 4可知，随着室外气象参数的波动，屋顶内外壁面温度及室内空气温度也随之变化，且变化趋势基本一致。基准屋顶内外壁面温度均高于对应的高反射屋顶内外壁面温度，其中，2014年基准屋顶内外壁面平均温度分别为34.4、39.8 ℃，分别比高反射屋顶内外壁面温度高4.2、6.6 ℃；2015年基准屋顶内外壁面平均温度为37.0、41.6 ℃，比高反射屋顶内外壁面温度高1.0、2.4 ℃。由于屋顶热惯性，房间内壁面温度在晚间达到最大值，2014年高反射屋顶内壁面最高温度出现在19:15，比基准屋顶延迟了15 min；2015年高反射屋顶内壁面最高温度出现在19:10，比基准屋顶延迟了5 min。基准屋顶由于白天吸收更多热量及蓄热作用，峰值提前，其内壁面温度也比高反射屋顶要高。综上，高反射率能够减少太阳辐射热，从而降低屋顶内外壁面温度，而随着自然老化，高反射屋顶反射率逐渐下降，导致高反射屋顶的内外壁面降温效果有所降低。

空调在运行阶段，空调温度设定一致，受到各自屋顶和外墙等围护结构对流换热影响，两个房间室内平均空气温度差在1 ℃以内。在空调关闭阶段，由于壁面辐射换热及墙体蓄热的影响，2014年、2015年基准屋顶的室内空气平均温度分别为31.0、33.5 ℃，分别比对应的高反射屋顶高2.6、0.5 ℃。

流经屋顶外壁面的导热热流密度是衡量屋顶节能效果的重要指标。图 5为屋顶外壁面热流密度图。由图 5可知，基准屋顶与高反射屋顶外壁面导热热流密度均随室外气象参数波动幅度较大。2014年基准屋顶外壁面热流密度峰值为232.0 W/m2，高于高反射屋顶热流密度峰值(133.0 W/m2)；2015年基准屋顶外壁面热流密度峰值为241.0 W/m2，高于高反射屋顶热流密度峰值(229.3 W/m2)。

图 5 屋顶外壁面热流密度 Fig. 5 Heat flux through exterior surface of roofs

2.3 空调用能分析

图 6为基准屋顶房间和高反射屋顶房间在测试期内每天的空调能耗对比图。

图 6 房间空调能耗对比 Fig. 6 Energy consumption of air conditioning

由图 6可以看出，在夏季测试期内，基准屋顶房间空调能耗均高于对应的高反射屋顶房间空调能耗。其中，2014年、2015年基准屋顶房间日均空调能耗分别为0.39、0.39 kWh/(m2·d)，分别比对应的高反射屋顶房间多耗电0.12、0.09 kWh/(m2·d)，节电率分别为31.2%、23.1%。表明高反射屋顶随着涂料反射率的衰减，反射太阳辐射得热量减少，其节电量会有所降低。

3 结论

1) 在夏季高温天气，自然老化前后的高反射涂料均能减少屋顶得热，相比基准屋顶，外壁面温度平均可分别降低6.6、2.4 ℃，内壁面温度可分别降低4.2、1.0 ℃，并且，使内表面温度峰值时间分别延迟了15、5 min，房间夏季空调平均可分别节能0.12、0.09 kWh/(m2·d)；在非空调开启时段，室内空气温度可分别降低2.6、0.5 ℃，室内空气温度可分别降低2.6、0.5 ℃。

2) 与老化前相比，高反射涂料经过一年自然老化后，反射率下降23.6%，屋顶得热增加，对屋顶内外壁面和室内空气的降温效果分别降低2.4、1.4 ℃，内壁面温度峰值延迟时间减少10 min，夏季空调节电量降低0.03 kWh/(m2·d)，高反射涂料由于自然老化，其降温隔热性能会有所衰减。

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