李笑芳，王延倉，王麗玫，李曉鵬，張國棟

1.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000 2.北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000

引 言

近年來，隨著我國國內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)建筑規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，城鎮(zhèn)內(nèi)不透水面占比持續(xù)增加，城市熱島效應(yīng)日益突出[1]，這加大了維持適宜冷熱環(huán)境而導(dǎo)致的能源損耗[2]，因此如何降低太陽輻射能對(duì)建筑內(nèi)環(huán)境的干擾，提高建筑內(nèi)冷熱環(huán)境的穩(wěn)定性，降低能源損耗，已逐步成為建筑節(jié)能的研究熱點(diǎn)[3-4]。

建筑反射隔熱涂料性能的減損是影響特定時(shí)間區(qū)間內(nèi)建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。為研究分析建筑反射隔熱涂料性能在時(shí)間維度的演化規(guī)律，以高光譜為主要技術(shù)手段，結(jié)合吸收峰深度、數(shù)學(xué)方法等光譜處理方法，定量分析涂料光譜反射特征、吸收特征，研究涂料反射特征、吸收特征在時(shí)間維度上的演化規(guī)律，從而為建筑反射隔熱涂料的設(shè)計(jì)、制作、施工提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究分析建筑反射隔熱涂料的反射特征、吸收特征在時(shí)間維度的演化規(guī)律。試驗(yàn)板材為硅鈣板，底漆選用廣州美涂士建材股份有限公司生產(chǎn)的外墻?？箟A底漆，涂料采用廣州富美奧涂料有限公司生產(chǎn)的建筑反射隔熱涂料。實(shí)驗(yàn)基于建筑反射隔熱涂料施工規(guī)范制作涂料樣本。首先將硅鈣板板面采用砂紙打磨，然后涂一層底漆，將其置于通風(fēng)、干燥處，待底漆完全風(fēng)干后再涂一層底漆，采用同一處理方法風(fēng)干，待底漆完全風(fēng)干后再采用砂紙進(jìn)行打磨；最后采用涂抹器制作涂料樣本，涂料樣本厚度變化范圍為0.1～2.5 mm，厚度間隔為0.1 mm，共25個(gè)樣本。

涂料樣本制作完成后，立刻測(cè)定各樣本的光譜，并將首測(cè)的光譜作為標(biāo)準(zhǔn)，然后將涂料樣本垂直置于室外，距地高度為1.5 m，并定期測(cè)定涂料的光譜，以研究分析涂料性能的變化規(guī)律。

1.2 光譜數(shù)據(jù)的采集

地物光譜反射率易受光照強(qiáng)度、入射角度及其他不可控因子的影響，為減弱其他因素對(duì)光譜測(cè)量的影響，選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展建筑反射隔熱涂料光譜數(shù)據(jù)的測(cè)定，涂料光譜數(shù)據(jù)測(cè)量模式如圖1所示。用FieldSpec4(ASD)地物光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)量，可測(cè)定350～2 500 nm區(qū)間的涂料反射光譜，光譜分辨率為1 nm。分別于2019年03月17日、4月15日、5月12日、10月18日開展涂料光譜的測(cè)量，光源為ASD光譜儀自配鹵光燈。涂料樣本光譜測(cè)定前先用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行標(biāo)定與優(yōu)化，光照垂直于涂料樣本，分別在涂料樣本的不同位置進(jìn)行光譜采集，共采集10條光譜，取其平均值作為涂料樣本的光譜。

圖1 室內(nèi)涂料樣本光譜采集方式示意圖

1.3 光譜數(shù)據(jù)處理方法

為避免涂料光譜曲線間的干擾，明確分析各涂料光譜的變化，將涂料光譜置于以橫軸為時(shí)間、縱軸為波長的圖譜坐標(biāo)內(nèi)。為便于定量分析建筑反射隔熱涂料光譜的反射、吸收特征在時(shí)間維度的減損規(guī)律，以首次測(cè)定的涂料光譜為標(biāo)準(zhǔn)，分別將4月—10月份測(cè)定的涂料光譜與首次測(cè)定的光譜進(jìn)行除法、減法處理，以定量分析涂料反射率的減損規(guī)律；針對(duì)涂料光譜的吸收特征的減損規(guī)律，選用去包絡(luò)線、吸收峰深度法對(duì)涂料進(jìn)行光譜處理，以研究分析涂料吸收特征的減損特征。借助ENVI5.1專業(yè)軟件對(duì)光譜進(jìn)行去包絡(luò)線處理，然后基于去包絡(luò)線提取光譜的吸收峰深度，其具體計(jì)算公式如式(1)

Di=1-Ri

(1)

式(1)中，Di為位于inm處的吸收峰深度，Ri為位于inm處去包絡(luò)線的值。

2 結(jié)果與討論

2.1 光譜分析

為便于直觀分析建筑反射隔熱涂料光譜反射率隨時(shí)間的變化規(guī)律，將0.1～2.5 mm厚度的反射隔熱涂料的光譜利用圖譜形式展示，如圖1所示，其中厚度為0.4和0.5 mm的建筑反射隔熱涂料受外界環(huán)境影響較大，其光譜與其他厚度的光譜在近紅外區(qū)域的差異較大，為客觀反映建筑反射隔熱涂料光譜反射率或涂料性能的減損規(guī)律，將0.4和0.5 mm的涂料光譜不納入分析范圍。

由圖2可知，0.1～2.5 nm厚度的建筑反射隔熱涂料光譜反射率均隨時(shí)間的遞增而逐步減弱，350～1 650 nm區(qū)域的光譜反射特征減弱特征明顯，而位于1 650～2 250 nm的近紅外區(qū)域光譜反射率的減弱幅度相對(duì)較少，而位于2 250～2 500 nm的反射率則呈先降低后增加的趨勢(shì)；3月、4月、5月、10月測(cè)得的各厚度反射隔熱涂料的光譜反射率都隨厚度的增加先逐步增加，但厚度達(dá)到1.0 mm后，建筑反射隔熱涂料的光譜率無明顯增加，這表明厚度對(duì)涂料光譜反射率或涂料性能的影響具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。綜上可知，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率在350～2 250 nm區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間的增加而呈降低趨勢(shì)，而在2 250～2 500 nm內(nèi)則呈先降低后增加的趨勢(shì)；厚度對(duì)涂料光譜反射率或涂料性能的影響有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖3為建筑反射隔熱涂料的反射光譜的吸收峰深度，由圖3可知，涂料在350～430與2 200～2 350 nm區(qū)間內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收特征，而在其他區(qū)間的吸收特征則相對(duì)較弱。在3月、4月、5月、10月采集的光譜于2 200～2 350 nm區(qū)間吸收峰深度隨涂料厚度的增加而逐步增加，且各厚度涂料光譜的吸收峰深度的差異隨時(shí)間的增加而逐步減弱，當(dāng)厚度達(dá)到1.0 mm后，厚度對(duì)涂料吸收峰深度的影響達(dá)到飽和；位于350～430 nm區(qū)間的吸收峰深度隨時(shí)間增加的減弱幅度相對(duì)較小。從整體分析可知，位于350～430 nm區(qū)間的吸收峰隨時(shí)間的增加而逐步降低，而位于2 200～2 350 nm區(qū)間的吸收峰隨時(shí)間的增加則呈先增加而降低的趨勢(shì)，究其原因是涂料表面受外界因素影響覆蓋有其他雜質(zhì)，從而影響了涂料的光譜特征；綜上可知，建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時(shí)間的增加而降低，而涂料光譜吸收峰在不同光譜區(qū)間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

圖2 3月—10月0.1～2.5 mm厚度的涂料光譜圖

圖3 3月—10月0.1～2.5 mm厚度涂料光譜的吸收峰深度圖

2.2 涂料反射光譜特性減損特征

圖4是4月—10月各建筑反射隔熱涂料光譜反射率與3月光譜反射率的比值。由圖4所示，從涂料光譜的整體分析可知，各建筑反射隔熱涂料的光譜反射率比值在時(shí)間尺度上呈遞減的趨勢(shì)；單一厚度涂料的各月光譜在350～2 500 nm內(nèi)的反射率比值的變化規(guī)律具有較高的一致性；涂料光譜反射率比值在350～950 nm區(qū)間的減弱幅度較大，其次為950～1 750 nm區(qū)間的光譜反射率比值。綜上可知，涂料的光譜反射率比值在時(shí)間維度呈遞減趨勢(shì)，尤其在350～950 nm區(qū)間具有明顯變化；各厚度涂料光譜反射率比值的變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的一致性。

為分析建筑反射隔熱涂料的光譜特征的降幅規(guī)律，將各月建筑反射隔熱涂料的光譜反射率逐月相減，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，各建筑反射隔熱涂料的光譜反射特征的減弱幅度隨時(shí)間的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，且在5月達(dá)到最高，這表明建筑反射隔熱涂料的性能隨時(shí)間的增加而降低；在1 950～2 500 nm區(qū)間，建筑反射隔熱涂層的光譜特征的減弱幅度隨時(shí)間的增加呈先增加后減少的趨勢(shì)，3月—4月、4月—5月、5月—10月內(nèi)各建筑反射隔熱涂料光譜的減弱幅度隨厚度的增加而增加，這表明涂料厚度的增加有助于保持建筑反射隔熱涂料的性能。在950～1 950 nm區(qū)間內(nèi)的涂料光譜減弱幅度隨時(shí)間的增加而呈持續(xù)降低的規(guī)律；在350～950 nm涂料光譜減弱幅度隨時(shí)間的增加而呈先升后降的規(guī)律，3月—4月、4月—5月、5月—10月內(nèi)各建筑反射隔熱涂料的減弱幅度隨厚度的增加而逐步減弱。綜上可知，涂料光譜反射率的減弱幅度在時(shí)間維度上呈先增后降的趨勢(shì)；涂料厚度對(duì)涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響，不同光譜區(qū)間具有不同的變化規(guī)律。

從圖2—圖5可知，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時(shí)間的增加而降低，光譜反射率的降低幅度隨時(shí)間的增加呈先增后減的規(guī)律，且在可見光區(qū)間的降低幅度明顯高于近紅外；建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時(shí)間的增加而降低，而涂料光譜吸收峰在不同光譜區(qū)間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；厚度對(duì)涂料光譜反射率或涂料性能具有重要影響且擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，厚度對(duì)涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響，不同光譜區(qū)間具有不同的變化規(guī)律。單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時(shí)間變化的一致性，隨時(shí)間的增加而變?nèi)酢?/p>

圖4 4月—10月光譜除以3月光譜反射率

圖5 各月涂料光譜逐次遞減圖

2.3 討 論

建筑反射隔熱涂的性能是建筑節(jié)能效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而受外界光照、氣象及其他因素的影響，建筑反射隔熱涂料的反射隔熱性能會(huì)受到不同程度的減損，因此建筑反射隔熱涂料性能的演化是建筑在一定時(shí)段內(nèi)節(jié)能效果的重要基礎(chǔ)資料。然而當(dāng)前研究多偏重于涂料組分的研究偏多，少見針對(duì)開展涂料室外外置實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，為探尋外置建筑反射隔熱涂料在時(shí)間尺度上的減損特征，以地面實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量分析建筑反射隔熱涂料的反射特征、吸收特征在時(shí)間尺度的演化特征，從而為涂料的維護(hù)與建筑節(jié)能的評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)理論與方法，結(jié)果表明：涂料光譜反射率在時(shí)間維度的變化規(guī)律受波長影響較大：其中，位于350～2 250 nm區(qū)間的建筑反射隔熱涂料的反射率整體隨外置時(shí)間的增加而呈先增后降的規(guī)律，而在2 250～2 500 nm區(qū)間的涂料反射率則隨時(shí)間的增加而呈先降后升的規(guī)律，究其原因是由于涂料表面易受土壤顆粒、灰塵等粉塵覆蓋影響，對(duì)光的穿透性具有較強(qiáng)影響，因而在不同區(qū)間呈現(xiàn)不同的演化規(guī)律；在涂料光譜的吸收峰深度方面，單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時(shí)間變化的一致性，隨時(shí)間的增加而變?nèi)?。涂料光譜反射率的減弱幅度在時(shí)間維度上呈先增后降的趨勢(shì)，且厚度對(duì)涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響。

盡管本研究借助高光譜技術(shù)研究分析了不同厚度涂料性能的演化規(guī)律，但仍存在不足具體如下：

(1)雖然研究深入分析了各厚度涂料的演化規(guī)律，確認(rèn)了涂料施工厚度變化區(qū)間，但未構(gòu)建用于描述建筑反射隔熱涂料在時(shí)間尺度上的減損特征的模型，仍需進(jìn)一步深入研究。

(2)本研究將涂料樣本置于同一高度，未能分析高度對(duì)建筑反射隔熱涂料性能減損的影響，而涂料距地面的高度也是影響涂料減損的因子，因此，仍需開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

3 結(jié) 論

通過分析0～2.5 mm厚度的涂料的光譜反射率隨時(shí)間增加的變化規(guī)律，研究建筑反射隔熱涂料性能隨時(shí)間的減損性能，以期為建筑反射隔熱涂料的施工參量提供基礎(chǔ)方法與理論支撐，研究結(jié)論如下：

(1)在350～2 250 nm波段區(qū)間內(nèi)，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時(shí)間的增加而降低；光譜反射率的降低幅度在1月—5月內(nèi)呈增加趨勢(shì)，而在5月—10月內(nèi)呈遞減規(guī)律，且光譜反射率在可見光區(qū)間的降低幅啡明顯高于近紅外區(qū)域。

(2)建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時(shí)間的增加而降低，降低幅度在0～0.163內(nèi)。

(3)厚度對(duì)涂料光譜反射率或涂料性能具有重要影響且擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，厚度對(duì)涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響。單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時(shí)間變化的一致性，隨時(shí)間的增加而變?nèi)酢?/p>