劉順利 劉 翼 蔣 荃（國(guó)家建筑材料測(cè)試中心，北京 100 024）

金屬屋面具有良好的力學(xué)性能，優(yōu)越的防水防火性能并且使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)性好，從而廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、飛機(jī)場(chǎng)等城市標(biāo)志性建筑，并逐漸向普通建筑擴(kuò)展。由于金屬具有良好的導(dǎo)熱性，在炎熱的夏季大量熱量經(jīng)金屬屋面進(jìn)入建筑物內(nèi)，影響室內(nèi)環(huán)境的舒適性，增加建筑制冷能耗，因此，對(duì)于金屬屋面而言，隔熱尤為重要。金屬“冷屋面”（cool metal roof）則因使用表面涂覆一層具有較高太陽(yáng)反射比和半球發(fā)射率太陽(yáng)熱反射涂料的熱反射金屬屋面板材，減小屋面自身對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，降低屋面溫度與進(jìn)入建筑物的熱量，進(jìn)而減少建筑物制冷能耗，起到隔熱節(jié)能的作用，市場(chǎng)與應(yīng)用前景廣闊[1-2]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)冷屋面在建筑中實(shí)際隔熱效果進(jìn)行了大量相關(guān)報(bào)道[3-7]，而并未關(guān)注對(duì)屋面材料隔熱性能的評(píng)價(jià)。目前表征熱反射金屬屋面板材隔熱性能的參數(shù)為太陽(yáng)反射比（solar reflectance,簡(jiǎn)稱(chēng)SR）與半球發(fā)射率（hemispherical emittance,簡(jiǎn)稱(chēng)ET）。然而僅通過(guò)太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率評(píng)價(jià)熱反射金屬屋面板材隔熱性能存在以下不足：1）太陽(yáng)熱反射涂料主要添加一些高太陽(yáng)反射比的如金屬薄片、金屬粉體、珠光顏料、改性空心微珠等填料來(lái)達(dá)到反射隔熱效果；盡管金屬填料具有較高太陽(yáng)反射比，但其發(fā)射率卻很低，依然會(huì)造成熱積累，與無(wú)機(jī)填料相比，隔熱效果差[8]。所以?xún)H比較太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率則不能區(qū)分涂覆添加金屬與無(wú)機(jī)填料這兩類(lèi)涂料熱反射金屬屋面板材的隔熱性能；2）這兩個(gè)參數(shù)較為抽象且彼此獨(dú)立，難以直觀地反映熱反射金屬屋面板材的隔熱性能；3）這兩個(gè)參數(shù)不能反映溫濕度、自然對(duì)流等環(huán)境因素對(duì)其隔熱性能的影響；4）熱反射金屬屋面板材所用基材一般為鋁基材與鋼基材，兩者導(dǎo)熱系數(shù)相差較大。這兩個(gè)參數(shù)不能反映基材及涂層導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)其隔熱性能的影響。基于此，本文通過(guò)模擬實(shí)際工況，建立較為全面的熱反射金屬屋面板材隔熱性能的測(cè)試方法。

1 測(cè)試方法的建立

1.1 測(cè)試方法原理

圖1 太陽(yáng)輻射與熱反射金屬屋面板材能量分配示意圖

太陽(yáng)輻射照射到熱反射金屬屋面板材時(shí)，其能量分配如圖1 所示。一部分被反射到大氣中，另一部分被熱反射金屬屋面板材吸收轉(zhuǎn)化成熱量。該熱量除了蓄存在熱反射金屬屋面板材外，一部分經(jīng)空氣對(duì)流與二次輻射傳遞到室外，一部分通過(guò)熱反射金屬屋面板材傳遞到室內(nèi)。與發(fā)生在屋面板材熱交換相比，屋面板材自身蓄熱較小可忽略不計(jì)，由能量守恒定律可知：

假設(shè)屋面板的面積為A，

故（1）式可轉(zhuǎn)化為：

以上式中：ρ—太陽(yáng)反射比；

I—太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，W/m2；

ε—半球發(fā)射率；

σ—斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；

q —傳向室內(nèi)的熱流密度，W/m2；

hr—輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

hc—對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Tr—屋面溫度，℃；

Tair—空氣溫度，℃。

由式（2）可得：

由式（3）可知，傳向室內(nèi)的熱流密度q 不僅與屋面面層的太陽(yáng)反射比ρ 有關(guān)，還與屋面所處具體環(huán)境參數(shù)I、hr 及Tair 有關(guān)，所以，評(píng)價(jià)金屬屋面板材隔熱性能需要明確具體環(huán)境。為使測(cè)試結(jié)果更具直觀性，選取涂覆有全吸收太陽(yáng)光涂料金屬板材作為參比板。本測(cè)試方法模擬熱反射金屬屋面板材的服役環(huán)境，測(cè)試在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)參比板與樣品之間流入測(cè)試箱中熱量，將兩者的差值與通過(guò)參比板流入測(cè)試箱熱量的比值作為以評(píng)價(jià)熱反射金屬屋面板材的隔熱效果的指標(biāo)。暫將該比值定義為隔熱因子η：

上式中：Q 標(biāo)準(zhǔn)— 通過(guò)參比板流入測(cè)試箱的熱量，J；

Q樣品— 通過(guò)樣品流入測(cè)試箱的熱量，J；

q標(biāo)準(zhǔn)— 通過(guò)參比板傳向測(cè)試箱的熱流密度，W/m2；

q樣品— 通過(guò)樣品傳向測(cè)試箱的熱流密度，W/m2；

A— 測(cè)試板材面積，m2；

t1— 計(jì)量開(kāi)始時(shí)間，s;

t2— 計(jì)量終止時(shí)間，s。

1.2 測(cè)試設(shè)備

圖2 熱反射金屬屋面板材隔熱性能測(cè)試儀

根據(jù)測(cè)試原理，本課題組研發(fā)了熱反射金屬屋面板材隔熱性能測(cè)試儀，如圖2 所示。該設(shè)備選用氙燈作為模擬光源；用帶導(dǎo)流罩的軸流風(fēng)機(jī)模擬自然對(duì)流；用聚苯夾芯板制成內(nèi)腔尺寸為350mm×350mm×350mm的測(cè)試箱以模擬房屋。

測(cè)試時(shí)，將背面粘有熱流密度傳感器的測(cè)試樣品放置于測(cè)試箱上并密封，開(kāi)啟氙燈與風(fēng)機(jī)，調(diào)至試驗(yàn)所要求的參數(shù)值，記錄測(cè)試時(shí)間與通過(guò)樣品傳向測(cè)試箱的熱流密度。

1.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

依據(jù)上面的分析可知，影響金屬冷屋面隔熱性能的自然環(huán)境因素為：太陽(yáng)輻照度，風(fēng)速及空氣溫度。下面將依據(jù)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定這些因素的大小。

1.3.1 參比板

選用涂覆黑色全吸熱涂料的鋁板材作為參比板，其太陽(yáng)反射比為0.01、半球發(fā)射率為0.83，基材厚度為1.5mm，涂層厚度為60～70μm。

1.3.2 試驗(yàn)環(huán)境溫度

自然界中的空氣對(duì)流的溫度勢(shì)必會(huì)影響到熱反射金屬屋面板材實(shí)際隔熱效果。在一定輻照度下，對(duì)流空氣的溫度越高，增加了熱量的傳遞，勢(shì)必減弱熱反射金屬屋面板的隔熱效果；相反，溫度較低的對(duì)流空氣將增加熱反射金屬屋面的隔熱效果。圖3 顯示了樣品7 在不同空氣溫度下隔熱因子的變化。由圖3 可以看出，隨著溫度的升高，樣品7 隔熱因子呈下降趨勢(shì)，但變化并不明顯。考慮到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度，將室溫定為（23±1）℃。

圖3 不同空氣溫度下樣品7的隔熱因子曲線(xiàn)（輻照度為800 W/m2；風(fēng)速為1m/s）

1.3.3 風(fēng)速

圖4 顯示了不同風(fēng)速下樣品的隔熱因子的變化。當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s 增加到1m/s 時(shí)，樣品7的隔熱因子急劇下降，當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s 增加到3m/s 時(shí)，樣品7的隔熱因子無(wú)明顯變化，依據(jù)測(cè)試結(jié)果及實(shí)際自然對(duì)流情況，確定試驗(yàn)風(fēng)速為1m/s。

圖4 不同風(fēng)速下樣品7的隔熱溫差曲線(xiàn)（輻照度為800 W/m2；室溫為23℃）

1.3.4 輻照度

圖5 反映了樣品在不同輻照強(qiáng)度下隔熱因子的變化，隨著輻照度的增強(qiáng)，樣品的隔熱因子呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)?？紤]到熱反射金屬屋面板材主要應(yīng)用于我國(guó)南方地區(qū)。根據(jù)有關(guān)資料，南方地區(qū)的年均輻照度在600-830W/m2[9]，且夏季輻射明顯高于冬季。因此，將輻照度確定為(800±10)W/m2。

圖5 在不同輻照度下樣品7的隔熱溫差曲線(xiàn)（風(fēng)速為1m/s；室溫為23℃）

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)所確定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，確定本測(cè)試方法的步驟：

1）將實(shí)驗(yàn)室溫度與測(cè)溫箱內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)到（23±1）℃，相對(duì)濕度調(diào)節(jié)到50%±5%；

2）在參比板背面連接熱流密度傳感器并安裝在計(jì)量箱上方測(cè)試口并密封；

3）開(kāi)啟軸流風(fēng)機(jī)并調(diào)節(jié)風(fēng)速至1m/s；

4）開(kāi)啟氙燈，并將到達(dá)樣品表面輻照度調(diào)節(jié)至(800±10)W/m2；

5）記錄時(shí)間及熱流密度；

6）將參比板換成測(cè)試樣品，重復(fù)上述步驟。

2 數(shù)據(jù)處理與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

圖6 樣品7 與參比板的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以樣品7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例來(lái)說(shuō)明本測(cè)試方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程。圖6 顯示了樣品7 與參比板按照上述實(shí)驗(yàn)步驟測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖6 可以看出，無(wú)論是參比板還是樣品7 在試驗(yàn)開(kāi)始前20min 內(nèi)形成一個(gè)峰，在20min 后達(dá)到穩(wěn)態(tài)后呈接近線(xiàn)性的緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡療魡?dòng)后測(cè)試板材的樣品表面溫度迅速升高，測(cè)試箱中溫度緩慢升高，使得熱流密度傳感器兩面形成很大的溫差，而熱流密度傳感器是通過(guò)測(cè)試傳感器兩表面之間的溫差來(lái)測(cè)定熱流密度的大小，因此在前20min 內(nèi)形成一個(gè)峰；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，樣板表面溫度趨于穩(wěn)定，測(cè)試箱內(nèi)空氣溫度則逐漸升高，使得熱流密度兩面溫差減小，所以，在20min 后呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。因而對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，需要去除試驗(yàn)開(kāi)始前20min 內(nèi)的數(shù)據(jù)。在20min～130min 時(shí)間段，不難看出，通過(guò)樣品7 與參比板的熱流密度與時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性擬合。所得擬合曲線(xiàn)分別為：

1）參比板

y=-0.083X+47.69 R2=0.908；

2）樣品7

y=-0.053X+3.3.24 R2=0.869。

根據(jù)公式4，即可計(jì)算出樣品7 隔熱因子：

2.2 討論

根據(jù)本測(cè)試方法，對(duì)6組樣品隔熱因子及試驗(yàn)前后測(cè)試箱中空氣溫度差值進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

依據(jù)熱力學(xué)公式Q 吸收=cm △T 可知，對(duì)于初始溫度與體積均相同的空氣而言，溫差越大，其吸收的熱量越多。就測(cè)試箱中的空氣而言，其吸收的熱量即為通過(guò)測(cè)試板材傳遞到測(cè)試箱中的熱量。從表1 可直觀看出，樣品1～5 試驗(yàn)前后測(cè)試箱溫度差值逐次減小，這說(shuō)明其隔熱性能依次升高，而隔熱因子也相應(yīng)依次增大。這表明該測(cè)試方法所測(cè)得的隔熱因子能正確地反映測(cè)試樣品的隔熱性能。

由表1 不難看出，隔熱因子能夠直觀地反映樣品隔熱的程度，依據(jù)該參數(shù)能夠容易地辨別出不同產(chǎn)品隔熱性能的優(yōu)劣。樣品5 涂覆的太陽(yáng)熱反射涂料功能性填料為金屬粉體，樣品6 涂覆的太陽(yáng)熱反射涂料功能性填料為陶瓷中空微珠。比較樣品5 與6 隔熱性能，若采用太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)則難以進(jìn)行比較；而采用隔熱因子能輕易得出樣品5的隔熱性能優(yōu)于樣品6的結(jié)論。

該測(cè)試方法模擬了太陽(yáng)輻射、空氣溫度及風(fēng)等環(huán)境因素，能夠真實(shí)反映出熱反射金屬屋面板材在實(shí)際使用中的隔熱效果。此外，該測(cè)試方法通過(guò)測(cè)試流過(guò)參比板與樣品之間熱量比來(lái)表征熱反射金屬屋面板材的隔熱性能，因此對(duì)于采用不同基材及不同導(dǎo)熱系數(shù)涂層的樣品，其綜合隔熱性能均能得以反映。

表1 樣品1-6的測(cè)試結(jié)果

對(duì)于同一種基材的熱反射金屬屋面板材而言，太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率能夠揭示其與普通金屬屋面板材相比具有隔熱節(jié)能性能的原因，而隔熱因子則能夠全面直觀顯示出其隔熱節(jié)能的效果，彌補(bǔ)了兩者在表征熱反射金屬屋面板材上的不足。從式（3）與式（4）可發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上，隔熱因子是太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)的綜合體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本測(cè)試方法能夠正確全面地反映出熱反射金屬屋面板材在具體環(huán)境中隔熱效果；對(duì)于采用不同基材及不同導(dǎo)熱系數(shù)涂層的樣品，可測(cè)試其綜合隔熱性能；所提出的隔熱因子是太陽(yáng)反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)的綜合體現(xiàn)，彌補(bǔ)了兩參數(shù)在表征熱反射金屬屋面板材隔熱性能的不足；依據(jù)隔熱因子的大小，能夠輕易分辨出不同熱反射金屬屋面板材隔熱性能的優(yōu)劣。這對(duì)于建筑節(jié)能選材而言具有十分重要意義。

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