外饰面材料太阳光反射比对外墙表面温度的影响

吴琦琦，胡莹，黄志甲

（安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032）

0 引言

太阳辐射是影响建筑物热环境的重要因素之一。入射到建筑围护结构上的太阳辐射能被围护结构吸收和反射，影响建筑墙体外表面温度、传递到建筑室内的热量、建筑空调能耗以及室内环境的舒适度[1-2]。降低建筑围护结构对太阳辐射量的吸收是降低建筑夏季得热和空调负荷[3-4]的重要措施。

目前，针对降低建筑外墙对太阳辐射量吸收的研究主要集中在新型隔热材料开发和采用不同建筑外饰面材料。关于新型隔热材料的研究，一般在反射隔热涂料中加入新材料改变反射隔热材料组分、占比等[5]，以提高隔热保温性和反射性能[6-7]，同时改善反射隔热涂料的耐污性、节能性、耐久性和辐射能力[8-9]。对于建筑外饰面材料的研究，由于现代建筑外饰面材料种类繁多，如涂料、饰面砖、石材、金属幕墙等，而不同外饰面材料表面粗糙度、材质和颜色等[10]都会影响材料表面反射率进而影响建筑室内外热环境，一些学者通过改变不同外饰面材料探究其热工性能对建筑空调负荷、室内外温度、节能、能耗等影响进行研究[11]。在不同气候区的建筑设计中，利用建筑外饰面材料的热工性能，可降低建筑采暖、空调能耗，并通过理论和模拟方式验证改变外饰面材料热工性能降低空调负荷，同时改善了室内热环境[4]。炎热地区采用浅色外饰面减弱墙体对太阳辐射量的吸收达到隔热效果，文献[12]通过实测证明在最大太阳辐射时，采用黑色外饰面比白色外饰面材料内部空气温度最大高约12 ℃。

从建筑外表面看，徽州传统民居建筑色彩均由黑白两色组成，加上岁月的侵蚀，形成独特的艺术审美效果。同时还有节能，改善热舒适性等作用。本文通过建立建筑围护结构外表面传热模型，得到影响建筑外墙表面温度的主要影响因素，并针对该影响因素在动态和静态下对传统徽州民居围护结构外表面温度影响进行分析。

1 研究方法

1.1 静态分析

为了研究建筑外墙表面温度随反射比和太阳辐射量变化的规律，进行简化计算。将围护结构传热系数、风速、室外温度等参数设置为定值，建立建筑围护结构外表面热平衡方程，进而研究反射比和太阳辐射量的大小对建筑外墙表面温度的影响。

1.1.1 数学模型

建筑使用反射涂层是指该涂层对太阳辐射有较高的反射率[13]，其中主要的表现形式是降低了建筑围护结构外表面温度以及室内温度[14]。由于室内采用了空调制冷，室内的温度保持恒定，因此主要是表现在围护结构外表面温度的降低。

为了得到建筑围护结构外表面温度的表达式，引入建筑围护结构外表面热平衡方程进行分析，即建筑围护结构外表面吸收的热量等于长波辐射换热热量、外表面对流换热热量以及外表面向室内传递的热量之和，如式（1）所示：

式中：ρ——建筑围护结构外表面太阳辐射反射比；

I——太阳辐射照度，W/m2；

ε——长波发射率；

Tw，out——建筑围护结构外表面温度，℃；

Tsky——天空辐射温度，℃；

hc——建筑围护结构外表面对流换热系数，W/（m2·K）；

Ta——室外空气温度，℃；

Kw-a——建筑围护结构外表面至室内空气的传热系数，W/（m2·K）；

Tn——室内空气温度，℃；

由于长波辐射换热量占整个热平衡的比例相对较小[15]，可忽略长波辐射的作用。

根据GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》在典型工况下对围护结构外表面换热系数要求，夏季建筑围护结构外表面对流换热系数hc=19 W/（m2·K）。

建筑围护结构外表面至室内空气的传热系数Kw-a与围护结构传热系数Kw和内表面对流换热系数hl有关，见式（2）：

式中：hl——建筑围护结构内表面换热系数，取8.7 W/（m2·K）；

Kw——建筑围护结构传热系数，取1.5 W/（m2·K）

由式（1）、式（2）得到围护结构的外表面温度：

由于夏季室内采用空调制冷，则假设室内温度为26 ℃，屋面的传热系数为2.415 W/（m2·K），墙体的传热系数为1.5 W/（m2·K），室外平均空气温度为35 ℃。

在设定的条件下，建筑外墙外表面温度T是太阳辐射反射比和太阳能辐射强度的函数，见式（4）：

在太阳辐射照度为定值时，建筑围护结构外墙反射比的大小决定了建筑外墙对太阳辐射的吸收率，反射比ρ 越高时，外表面的温度越低，导致传入室内的热量越低，从而达到节能的效果。

1.1.2 静态分析方案

假设热量从围护结构外表面传入室内的过程中，热流保持不变，且室内外温度为恒定值，外表面温度Tw，out与内表面温度Tw，in存在式（5）的关系：通过式（1）、式（2）和式（5）可得到外墙表面温度与反射比成线性关系，且外墙表面温度随着反射比的增加而降低。

在假设条件下，建筑外墙表面反射比由0到1之间变化，而太阳辐射照度在100～1100 W/m2；同时研究反射比从0～1且以200 W/m2为间隔的太阳辐射照度从100～1100 W/m2间变化对建筑外墙表面温度的影响。

1.2 动态分析

为了验证不同反射比对外墙表面温度的影响，徽州建筑选择不同反射比的外饰面材料如表1所示。徽州民居室内采用风机盘管系统空调，全天温度设置为26 ℃，其他参数保持不变，对建筑围护结构夏季典型日外墙表面温度采用能耗模拟EnergyPlus进行动态模拟。由于传统徽州民居粉砖黛瓦的特点，因此选取石膏和石灰粉刷墙体表面，在徽州地区瓷砖和浅色饰面砖也常用作为建筑外饰面材料，隔热涂料在现在使用较多，因此本文选取这些外饰面材料对外墙表面温度影响进行分析。GB 50176—2016和GB 25261—2018《建筑用反射隔热涂料》对选取的建筑涂料的太阳辐射吸收率规定如表1所示。当太阳辐射到建筑墙体外表面时，由于墙体是不透明材料，则建筑墙体外表面只存在太阳辐射能量吸收与反射现象。

表1 规范对外墙围护结构太阳辐射吸收系数的规定

1.2.1 物理模型及验证

本文以黄山市屯溪区的气候为研究背景。利用建模软件建立单个房间，并简化建筑模型进行模拟计算。该建筑坐北朝南，徽州民居围护结构传热系数为1.5 W/（m2·K），屋面传热系数为2.415 W/（m2·K），地面传热系数为1.887 W/（m2·K），室外空气流速为1.5 m/s，气象数据选用屯溪典型气象年数据。

由于徽州民居的墙体呈现粉砖黛瓦的特点，且为了提高模拟的准确性，对于建筑模型采用石灰粉刷墙面，且该模型在未设置空调的状态下模拟和徽州民居实测南面外墙表面温度进行对比验证，对比的时间是7月23日～7月26日。

采用统计学上的标准差均方根误差CV（RMSE）来评价模拟结果和实测结果之间的一致性[16]，模拟和实测的南外墙体表面温度如图1所示。

图1 外墙表面温度实测结果和模拟结果对比

从图1可以看出，模拟结果和实测结果比较接近，通过计算得到CV（RMSE）为5.65%，符合ASHRAE规定的模拟精度CV小于25%的要求[17]，所以，可认为该模型是准确可用的。

1.2.2 动态分析方案

室外温度与水平方向太阳辐射的变化密切相关，夏季水平方向太阳辐射与室外温度的关系如图2所示。

由图2可见，随着太阳辐射的增强，室外温度处于升温状态；在下午时随着太阳辐射的降低，室外温度处于降温状态；当太阳辐射消失时，室外的温度一直处于降低的状态。

图2 夏季水平方向太阳辐射照度与室外温度的关系

2 结果分析

2.1 静态分析

假设室外平均空气温度为35 ℃，由式（1）、式（5）可得建筑围护结构外表面温度、热流与太阳光反射比和太阳辐射照度之间的关系见图3、图4。

图3 外墙表面温度与太阳光反射比和辐射照度之间的关系

图4 热流与太阳光反射比和辐射照度之间的关系

由图3、图4可见，太阳辐射照度为定值时，建筑外墙表面温度与热流随着反射比的变化呈线性关系。当太阳辐射强度为100 W/m2且反射率由0增大到1时，外墙表面温度由39.4 ℃降低到34.4 ℃，降低了5 ℃；热流由17.1 W/m2到10.8 W/m2，降低6.3 W/m2。当太阳辐射照度为1100 W/m2，反射率由0增大到1时，外墙表面温度由88.7 ℃降低到34.4 ℃，降低了54.3 ℃；热流由80.3 W/m2减小到10.8 W/m2，减小了69.5 W/m2。随着太阳辐射照度的增大，反射比的大小对建筑外墙表面温度和热流影响越显著。所以太阳辐射照度较大的位置越适合使用具有较高反射比的外饰面材料来降低外墙表面温度，减少进入室内的热负荷。

2.2 动态分析

不同朝向的建筑外墙太阳辐射照度不同，同时不同的外墙外饰面材料的反射比不同，因此，反射的太阳辐射量不同，导致建筑不同朝向的外墙表面温度不同。

图5是夏季在不同朝向时，不同外饰面的外墙一天中外表面最大与最小的温度差值。

图5 夏季不同朝向室外墙体表面温差

由图5可见，在夏季，徽州民居最大外墙表面温度差值发生在西面墙，其次是南面墙。当反射比为0.5的饰面砖西面墙温差为16.98 ℃，南面墙温差为11.55 ℃；而反射比为0.85的隔热涂料西面墙温差为12.03 ℃，南面墙温差为10.13 ℃。因此在建筑动态分析中分析不同外饰面材料反射比对建筑南西面墙表面温度的影响。

图6、图7分别是建筑南、西面墙体热流和外表面温度变化模拟值。

图6 南面墙体热流和外表面温度变化

图7 西面墙体热流和外表面温度变化

由图6、图7可见，随着太阳辐射照度的增大，不同太阳光反射比外饰面的热流和外墙表面温度相差较明显，反射比越大的外饰面反射热量越多，建筑外表面温度降低越大，进入室内的热量就越少，减少室内热负荷越多。在没有太阳辐射时，反射比的大小对热流与外表面温度没有影响，只受室内外气温的影响，则热流和外墙表面温度的相差较小。当外墙由表面反射比为0.50的浅色饰面砖上升到反射比为0.85的隔热涂料时，其南面墙的热流峰值降低了4.95 W/m2，外表面温度峰值降低了1.96 ℃；西面墙的热流峰值降低了16.2 W/m2，外表面温度峰值降低了5.52 ℃。则说明外饰面材料反射比的变化能显著提高外墙的防热效果。西面墙体外表面最高温度和热流均高于南墙，则西面墙的传热对室内热舒适性影响比南面墙要大，因此，加强西外墙隔热就很重要。

2.3 空调能耗影响分析

在夏季，不同外饰面对建筑单位面积空调能耗的影响见表2。

从表2可以看出，随着外饰面材料反射比的增大，夏季单位面积空调能耗逐渐在降低。当外墙由表面反射比为0.50的浅色饰面砖上升到反射比为0.85的隔热涂料时，在整个夏季单位面积空调能耗降低39.66%。建筑外表面材料反射比改变对建筑空调能耗的影响较大，从而对建筑起到节能作用。

表2 不同外饰面材料对夏季空调能耗的影响

3 结论

（1）当太阳辐射照度为定值时，建筑外墙外表面温度和热流随反射比的变化呈线性关系。同时太阳辐射照度越大，反射比大小对建筑外墙表面温度和传入室内热流影响越显著。

（2）反射比越大的外饰面，外墙表面反射太阳辐射量越多，进入室内热流和外表面温度峰值就越低。在建筑四个不同朝向中，太阳辐射对西面墙的影响最大，当反射比由0.50的浅色饰面砖上升到0.85的隔热涂料，西面墙体热流和外墙表面温度峰值分别下降16.2 W/m2和5.52 ℃，所以加强建筑西面墙体隔热很重要。

（3）建筑外饰面反射比越高，吸收的热量越少，减少空调负荷，降低了空调能耗，当外由反射比为0.50的浅色饰面砖上升到反射比为0.85的隔热涂料时，整个夏季单位面积空调能耗降低39.66%，达到了节能的作用。