色彩对涂料立面光热性能影响的实测研究

2020-11-11崔冬瑾许筱雯杨振宇李相逸

深圳大学学报（理工版） 2020年6期

崔冬瑾, 许筱雯，杨振宇，李相逸，袁磊

1)深圳大学建筑与城市规划学院，广东深圳 518060；2)深圳市建筑环境优化设计研究重点实验室，广东深圳 518060

围护结构是室内环境与室外环境的缓冲界面，提高围护结构的热工性能可以提升室内外环境舒适度，节约能源，降低能耗. 为改进维护结构的热工性能，近年来，许多学者致力于研究各类建筑材料的光热性能及其节能作用.以隔热涂料为例，SYNNEFA等[1]发明了10种高反射率的彩色涂料，通过实验证明高反射率的彩色涂料样本比常规样本表面温度更低；胡家晖等[2]介绍了涂料降温性能检测方法，发现普通白漆反射率较高，光热性能较好；时志洋等[3]在研究色浆对热反射隔热涂料热反射性能的影响时，发现不同色浆的色彩及浓度对可见光和近红外波段的反射率影响显著；董海荣等[4]研究发现建筑外饰面涂料的颜色对建筑的节能影响较大.周晓宇等[5]发现高反射率的屋面材料比屋顶绿化降温效果更明显；SYNNEFA等[6]发现，与常规沥青相比，彩色沥青样品具有更好的反射性能. 以上文献主要分析了涂料色彩对屋顶和路面材料性能的影响，但建筑立面材料的反射隔热研究却较为滞后.一方面是由于建筑外立面处于更为复杂的城市街谷环境中，容易受周围环境影响；另一方面，外立面设计过程中较少考虑材料对建筑物理环境的影响，倾向从美学和心理学出发营造建筑氛围和性格.近年来，一些学者以量化的心理感受值来定量描述色彩的特征，并基于色彩特征从心理学角度进行设计[7-8]. 儿童相对容易被丰富的色彩吸引，所以幼儿建筑外立面色彩较为鲜艳、丰富. 然而，幼儿对热环境的敏感度相对其他人群更高，外立面的隔热性能会由于色彩而改变. 基于此，本研究利用高德地图提取兴趣点(point of interest, POI) 数据，对深圳市1 891所幼儿园的外饰面进行统计分析，可视化结果如图1，并基于POI数据提取4种高频色彩(红、黄、绿和蓝)，研究不同色彩涂料立面光热性能的差异.

图1 深圳市彩色立面幼儿园分布地图Fig.1 The map of colorful coating façade kindergartens

1 实验原理

地球上接收到的太阳辐射波段主要集中在250～2 500 nm，不同波段的辐射能在太阳光总辐射能中的占比不同，其中，包括约5%的紫外线辐射(波长<400 nm)、46%的可见光辐射(波长在400～700 nm)和49%的近红外辐射(波长在700～2 500 nm). 绝大部分的太阳辐射能来自于可见光和近红外波段，约占总能量的95%.

SYNNEFA等[1,6,9]研究发现，颜填料影响涂料的光学特性，提高可见光和近红外波段的反射率可有效提高隔热效果[10-11]. 在近红外光谱范围内，光谱反射率遵循二相流原理[9]，

(1)

其中，K是吸收系数；S是散射系数；R∞是样品在无限厚度下的反射率；F(R)称为缓解函数.S与平均粒径d的倒数之间存在线性关系，即涂料的平均粒径越小，S越大，导致R∞增大.

ZHANG等[12-13]通过调整涂料的分子结构来增加近红外波段的反射率，弥补可见光波段低反射率的弊端，提升涂料总体隔热性能. 至今，该项技术已广泛应用在反射性红外无机涂料的制备中.有机涂料分子设计难度很大，通过配比或制备方式来合成新的分子或改变分子结构较困难[13]，因此反射性有机涂料的推广应用远不及反射性无机涂料. 但从装饰效果方面考虑，有机涂料相对无机涂料具有更好的着色率，且色谱范围广、色泽鲜艳，因此被广泛应用在幼儿建筑等需要鲜艳色彩立面的建筑类型中.

在不改变分子结构的前提下，涂料的颜色可一定程度影响反射率[9]，涂料反射率R为

(2)

其中，Φp(λ)是反射光束光通量；Φi(λ)为入射光束光通量.

2 实验

2.1 实验简介

选取晴朗无云的天气进行实验. 实测时间为2019-09-28，最高气温35 ℃，平均相对湿度68%，平均风速2.6 m/s. 实测地点位于中国深圳市设计产业园厂区，该街区呈典型行列式布局，如图2. 选取红、黄、绿和蓝4种外立面颜色的4栋建筑作为实测对象，研究西立面和南立面(街谷宽度W=10 m，建筑高度H=20 m)不同色彩涂料立面的光热性能差异，见图3. 该街区内建筑群统一规划、统一建造，采取相同的建筑表面材料，可以认为表面粗糙度和导热系数相近.

图2 街区卫星图及立面现状Fig.2 Satellite imagery of site and coating façade

图3 二维街谷示意图Fig.3 Two-dimensional image of street canyon

2.2 实验设置

观测时段为12∶00—15∶00，测量间隔为1 h.采用GSAT 280热成像仪和SPIC-300光谱仪同时采集立面温度数据和光谱数据，确保光谱仪测点位于热成像仪测量范围内.每个样品选取3个角度测量，得出平均值，记录数据.研究不同朝向立面的表面温度变化，分别采集建筑群沿街西立面和街谷内部南立面的数据.研究同一朝向不同色彩、明度的表面温度差异：同种颜色的墙体按照明度差异区分为浅、中和深3组数据，通过红外热成像图分区读取温度数据，结果如图4，分别记录最大值、最小值和平均值.

图4 红外热成像图Fig.4 Infrared thermal images

3 彩色涂料光热性能实测分析

3.1 不同色彩的光热性能差异分析

为了研究色彩影响下的立面光热性能差异，选取相同朝向，同一高度的各色测点为观测对象，每隔1 h记录测点温度. 结果显示，不同色彩的涂料立面壁温差异很大.以南立面白色测点表面温度为基准，计算南立面各彩色涂料的相对温差(图5). 由图5可见，13∶00时绿色立面与白色立面的相对温差达到最大值，高达14.47 ℃，蓝色和红色的相对温差分别为10.80 ℃和10.02 ℃，黄色立面的相对温差较小，为5.42 ℃. 不同色彩平均表面温度差异并不符合色彩心理学中“冷色调温度更低、暖色调温度更高”的认知，相反，蓝色和绿色涂料立面表面温度总体比红色和黄色更高.

图5 南立面相对温差示意图Fig.5 Relative surface temperature of south façade

3.2 不同朝向的光热性能差异

本实验分为2组，同时记录建筑群南立面和西立面测点表面温度，见图6和图7. 由图6和图7可知，不同朝向立面温度变化趋势有较大差异，南立面平均表面温度变化趋势比西立面更平缓，于12∶00时起整体呈上升趋势，14∶00时后开始下降. 各色涂料立面的温度变化趋势大致相同，绿色立面的表面温度最高，其次是蓝色立面和红色立面，黄色立面的表面温度最低. 西立面蓝色测点于14∶00时受街道对面建筑物的遮蔽影响，出现反常下降现象，其余测点受西晒影响，温度从13∶00开始大幅上升. 总体来说，南立面表面温度整体较西立面更高，但温差较小；西立面表面温度较低，但逐时温差变化较大.

图6 南立面平均温度变化趋势图Fig.6 Mean surface temperature trend of south façade

图7 西立面平均温度变化趋势图Fig.7 Mean surface temperature trend of west façade

3.3 不同明度的光热性能差异分析

明度是表达表面颜色明亮程度的指数. XIE等[9]研究指出，在近红外波段，颜料的明度变化不影响反射率，但在可见光波段，明度会影响反射率. 实测对象同一色彩有多种明度差异，因此将样本划分为浅、中和深3个明度区间，测量表面温度并记录.保证各个测点位于同一朝向、同一高度，结果如图8. 由图8可知，测点的表面温度随明度的降低而增加，明度的差异会造成样本表面温度的差异，相同色彩涂料的明度越低，平均表面温度越高. 15∶00时西立面绿色测点呈现最大温度差，深绿和浅绿涂料立面温度差高达6.38 ℃，深红和浅红涂料立面温度差次之，为4.52 ℃，深蓝和浅蓝涂料立面温度差为2.17 ℃. 黄色立面个别数据出现异常是由于周围建筑物遮挡所致.

图8 不同明度立面温差示意图Fig.8 Mean surface temperature of different brightness of façade

3.4 可见光谱反射率与表面温度的相关性分析

人眼之所以能产生不同的颜色感觉即颜色视觉，是由于外界刺激辐射光谱的组成不同造成的. 人眼能感知到不同的立面色彩，是由于墙面反射了太阳光谱中不同波段的可见光[14]. 红色墙面之所以呈现红色，是因为其反射了太阳光中大部分780～622 nm波段的可见光，因此红色立面光谱曲线在780～622 nm波段区间出现峰值. 同一色彩由于明度不同，光谱曲线也会呈现差异，如浅红立面相对中红立面780～622 nm波段区间具有更高的峰值. 对于建筑外立面来说，不同色彩的涂料主要是通过反射来自太阳的短波辐射，降低建筑物表面温度，以减少建筑得热. 不同色彩涂料可见光波段的反射率可根据太阳辐射光谱的能量分布在可见光范围内积分求得. 将几种彩色涂料可见光波段的反射率和建筑外立面平均表面温度进行相关性分析，结果如图9. 由图9可见，两者呈负相关，可见光波段的反射率越高，平均表面温度越低.