建筑反射隔热涂料对冬季室温影响实测分析

庞华宇 马 立

(西南科技大学土木工程与建筑学院 四川绵阳 621010)

建筑反射隔热涂料(以下简称隔热涂料)作为一种新的功能型建筑涂料，涂敷在建筑物外墙和屋面时，可以有效降低太阳辐射热在建筑物外墙或屋面的累积，减少夏季通过建筑墙体或屋面传入到室内的热量，从而降低空调能耗，改善室内环境舒适度[1]。早在20世纪70年代美国就已经开始研究反射隔热涂料，将其投入使用后，城市热岛效应明显改善，取得显著成果[2]。为了推动此类产品的发展，国外推出了一系列的政策、法规、认证、检测等服务[3]。我国学者对隔热涂料理论研究方面有隔热涂料在夏热冬冷地区建筑的应用技术研究[4-5]，隔热涂料的应用与发展[6-7]等。实际应用方面有旧建筑的节能改造[8]，长沙市某地居民楼节能改造[9]，降低新建厂房的室温[10]等。现场实验研究有隔热涂料传热系数检测[11]、隔热效果现场检测[12]、对隔热涂料的等效热阻进行实测[13]、对隔热涂料自然老化进行研究[14]、将反射隔热涂料与墙体内外保温结合的方式进行研究[15]等。纵观目前的研究，现场实验多为研究夏季涂料的隔热能力，对于隔热涂料冬天所产生的效果研究较少。

近年来，隔热涂料在建筑外墙上使用变得较为广泛。但在某些关于隔热涂料推广的宣传报道中夸大其保温功能，宣称其可以替代传统围护结构保温，对公众有一定的误导，严重影响了围护结构保温技术的推广。鉴于此，本文以现场实验的方式对隔热涂料进行冬季效果实测，先对无内热源的两样板间进行不同天气时室温的比较，并全程逐时记录太阳辐射强度[16-17]。接下来在两样板间设置内热源，在控制室温为定值22 ℃ 的前提下进行发热设备耗电量实验，通过两种形式的实验进行隔热涂料冬季所产生效果的研究与分析。最后通过实验数据计算等效热阻[18]，对规范中等效热阻的计算方法提出了改进建议。

1 实验方法及建筑概况

1.1 实验内容

本次实验所用隔热涂料的主要性能参数如表1所示。实验内容如下：

表1 隔热涂料主要性能参数Table 1 Main performance parameters of thermal insulation coating

(1)隔热涂料冬季对无内热源的房间室内温度影响测试；

(2)隔热涂料冬季使用时，采用内热源(电加热器)使室内温度恒定时，内热源耗电量测试；

(3)不同天气下的建筑室内温度变化规律分析；

(4)隔热涂料是否具有保温效果检测；

(5)综合国家规范、行业标准、地区标准讨论隔热涂料冬季等效热阻的计算方法。

对于实验中的普通装饰性涂料，其颜色同隔热涂料，皆为灰色，普通装饰性涂料太阳辐射吸收率As=0.75，反射率(400～1 800 nm)为69%。

1.2 实验方法

通过在楼顶搭建的两间样板房，对其中一间涂抹隔热涂料，对另一间涂抹普通装饰涂料，在无内热源时对两间样板房的外围护结构温度(北墙于夏天测试时温差较小，本次实验不做记录)与室内温度进行测试，并同时记录太阳辐射强度与室外空气温度。最后在两间样板房内设置内热源(发热设备)，并控制室温处于恒定值22 ℃(满足冬季采暖室内外温差至少大于10 ℃ 的规范要求)，进行发热设备在不同天气下的耗电量测试。此处耗电量为发热设备工作时消耗的电量。当室内温度≤22 ℃ 时发热设备工作，电表记录发热设备耗电量；当室内温度>22 ℃ 时发热设备停止工作，此时待室内温度降低为≤22 ℃ 后发热设备继续工作，内热源实验全程由PID温度控制器控制。其中T型热电偶在使用前已放于冰水混合物中标定，标定后将T型热电偶与水银温度计一起放入无人室内并从早上9点至晚上9点间隔5 min记录一次室内温度。T型热电偶各时刻温度由安捷伦采集，水银温度计各时刻温度由人工采集(采集方式是通过预先调好角度的录像设备拍摄后由人工读数得出，人员不会进入室内，因此不存在人员影响)。通过水银温度计与T型热电偶的温度变化曲线得出此次实验测温最大误差为 ±0.5 ℃。测试用仪器设备如表2所示。此外，参考天气预报数据选定的测试日程安排如表3所示，表中记录天气为实际天气状况。

表2 测试用仪器及参数Table 2 Test instruments and parameters

表3 测试日程表Table 3 Test schedule

样板房底部为2 m×2 m，房高为2.35 m，为固定样板房，设置底座(4个脚)高0.15 m，样板房材料(包括地板)为挤塑聚苯乙烯泡沫板，厚度为5 cm，其导热系数为0.03 W·m-1·K-1，为保温材料。两间样板房间距3.5 m(经计算符合互不遮挡距离要求)且完全相同。测试地点现场图片如图1与图2所示，内热源所用仪器及现场布置图略。

图1 现场布置图Fig.1 Site layout

图2 北外墙正视图Fig.2 Front view of north outer wall

2 数据处理及分析

样板房所使用材料为保温材料，因此，本次测试的结果对同一部位的内外温度不做比较，只对两间样板房相同的室外部位温度、室内中心温度进行比较。测试日早9点至晚8点(晚8点开始太阳辐射强度为0)的同一时刻4个朝向中太阳辐射强度的最大值。如表4所示。

表4 太阳辐射强度表(单位：W·m-2)Table 4 Solar radiation intensity table (unit：W·m-2)

2.1 外墙及屋顶分析

(1)图3中数据为7 d实验东外墙温差值(用普通涂料房间外墙体温度减去隔热涂料外墙体温度所得)，因测试数据表明各朝向墙体规律一致，此处不赘述，外墙中选择东墙进行数据分析。

图3 东外墙温差Fig.3 Temperature difference of east outer wall

存在太阳辐射时，普通涂料房东外墙温度高于隔热涂料房，且随太阳辐射强度变化而变化。因朝向为东，冬季主要受太阳强光直射，时间为早上9点至11点30分左右，故此段时间温差应处于上升趋势，自11点30分后会处于下降趋势。此外，第二天夜晚小雨，所以第三天在太阳直射东外墙的时间段内，两墙体最大温差低于第二天且温差增长速率也慢于第二天。当太阳辐射强度为零后(具体时间如表4所示)，普通涂料房东外墙温度低于隔热涂料房。这是因为该涂料对热量的双向反射作用阻碍室内的热量朝室外传递，导致夜晚与白天相反的温度情况。因此，隔热涂料起到了一定的保温作用。

(2)图4为两样板间屋顶温差图。有太阳辐射时，屋顶全天受太阳直射，两屋顶温差随太阳辐射强度的增大而持续增加，最大温差为 14.7 ℃。由于第二天夜晚小雨，所以第三天屋顶最大温差也低于第二天。当太阳辐射强度为零后，两样板间屋顶温差变化规律和外墙一致。

图4 屋顶温差Fig.4 Roof temperature difference

2.2 室内温度数据分析

两样板房室内温差如图5所示。从图5可以看出,从9点至19点，除去第六天阴天外其余温差都大于零，即普通涂料房间温度高于隔热涂料房间温度，属于正常情况。但当太阳辐射强度为零后，也就是从20点开始，普通涂料房间温度开始低于隔热涂料房间温度，且最大温差达到1.1 ℃。此处值得注意的是，因热电偶存在误差，所以将进行内热源实验进一步验证隔热涂料是否会起到一定的保温作用。

图5 两样板房室内温差图Fig.5 Indoor temperature difference of two sample rooms

2.3 内热源实验数据分析

为验证2.1节中分析,内热源实验分为晴天与阴雨天两组试验,并且晴天时将有太阳辐射与没有太阳辐射时间段分开记录，目的是测量太阳辐射强度存在时与不存在或较小时内热源耗电高低，从而检测隔热涂料是否具有保温功能[19]。该实验全程将室温控制在22 ℃，由于实验目的是测试耗电量，因此，此处不再列出太阳辐射强度。晴天测试时间为2021年1月11日11点至2021年1月15日11点，共计4 d，皆为晴天，耗电量如图6-图8所示。

阴天测试时间为2021年1月16日10点至2021年1月18日10点，共计两天，为阴天，但存在少量太阳辐射强度，也会对测试结果产生一定的影响，数据如表5所示。

从图6-图8及表5可知，晴天中存在太阳辐射时隔热涂料房间耗电高于普通涂料房间，不存在太阳辐射时两房间耗电量近似相等，若隔热涂料不存在保温功能，那么两者的耗电量差距应维持有太阳辐射的耗电量差值，而通过实验数据可知耗电量差值在缩小甚至隔热涂料房间有时小于普通涂料房间，所以隔热涂料存在保温功能。再通过阴天(有少量的太阳辐射)的实验数据，隔热涂料房间耗电量小于普通涂料房间。

图6 晴天有太阳辐射时两房间耗电量Fig.6 Power consumption of two rooms in sunny day with solar radiation

图7 晴天无太阳辐射时两房间耗电量Fig.7 Power consumption of two rooms on sunny day without solar radiation

图8 晴天两房间总耗电量Fig.8 Total power consumption of two rooms on sunny days

表5 内热源实验耗电量表(单位：kWh)Table 5 Power consumption scale of internal heat source experiment (unit：kWh)

2.4 保温效果定量分析

因隔热涂料具有保温作用且通过数据可知夜间隔热涂料房间温度与普通涂料房间温度相差最大，达到1.1 ℃，平均温差为0.4 ℃。通过计算隔热涂料的等效热阻值，可得出该涂料是否具有保温作用。值得注意的是，隔热涂料的等效热阻夏季与冬季应分别计算，不能采用产品给定热阻值，因其测试是在模拟光源的条件下进行，与太阳光光谱相差较大。计算分为两部分：一为太阳辐射强度存在时；二为太阳辐射强度不存在后且两室内温度达到一致时至第二天清晨计算得出的热阻值。计算结果如表6所示(无内热源)。

表6 等效热阻值(单位：m2·K·W-1)Table 6 Equivalent thermal resistance value (unit：m2·K·W-1)

由实验室光源模拟实验所测得的等效热阻值为0.28 m2·K·W-1，而通过夏季实验数据得出的夏季热阻计算值为0.2 m2·K·W-1。由上述数据对比可知，夏季与冬季的等效热阻值的确不同，且实验室光源模拟实验与现场实验所测等效热阻值也存在差异。表中负值表明隔热涂料不节能，即对室温会产生负面影响。从第一部分与第二部分的数据可以看出，存在太阳辐射时，隔热涂料确有副作用，这与其原理符合；太阳辐射不存在时，数值为正，说明起保温作用。

2.5 规范中等效热阻计算方法讨论与分析

国家标准《GB/T 25261—2010建筑用反射隔热涂料》中的等效热阻计算见公式(1)：

(1)

式中：ε为全年传热修正值；R为涂料基层墙体热阻，单位为m2·K·W-1。

(2)

式中：εs为夏季传热系数修正值；εw为冬季传热系数修正值；分母为夏季制冷与冬季采暖度时数之和。

由公式(1)可知等效热阻的正负大小与全年传热修正值密切相关，而全年传热修正值(见式(2))与夏季和冬季的修正值、度时数有关，若按上述公式计算隔热涂料的等效热阻值将全年相同。

GB/T 25261—2018已将GB/T 25261—2010中等效热阻计算方式删除，说明其存在部分问题。中国行业标准JGJ/T 359—2015中等效热阻是按照气候分区直接选取；部分地区如江苏省出台的DGJ32/TJ 165—2014规范，采用的计算方法同上述公式，但其规定若计算困难则直接将外墙等效热阻取0.26 m2·K·W-1，屋顶取0.3 m2·K·W-1。按照四川省地方标准DBJ 51/T 021—2013中等效热阻计算方法所得到的等效热阻全年为定值，并且计算等效热阻附加系数时已默认夏季为正，冬季为负。其余地区计算等效热阻也是全年为定值，这样的计算方式不够精确，应对隔热涂料等效热阻的计算方法进行改进。隔热涂料等效热阻值的计算应将冬季与夏季分开，不得明确夏季附加正值或冬季附加负值。隔热涂料节能效果评估各地应根据当地室外气象参数条件进行评估计算，最终取均值给出评估结论。

3 结论

通过综合有无内热源的两个实验数据，分析计算后得出如下结论：(1)实验所用隔热涂料在无内热源、晴天的情况下，在太阳辐射强烈时对室内温度的上升存在阻碍作用，最不利温差为3.4 ℃；当太阳辐射接近于0后，即从傍晚进入深夜两者差值逐渐变小，最大反差值为1.1 ℃。(2)实验所用隔热涂料在有内热源、室温控制在22 ℃，晴天、太阳辐射强烈时耗电量高于普通涂料房间，太阳辐射接近于0后耗电量两者持平；在存在少量太阳辐射的阴天时，耗电量略小于普通涂料房间。结合等效热阻计算值，白天为负值表明不节能，夜晚为正值表明节能，全天综合后为负值的天数大于为正值的天数，说明隔热涂料在整个冬季会增加采暖能耗，但根据计算数据与内热源耗电量情况可知增加采暖能耗幅度较小，因此可忽略隔热涂料冬季存在的不节能作用。此外，建议将隔热涂料与自保温系统复合使用。(3)应对目前隔热涂料的节能效果评估方式进行改进。地区不同效果不同，因此各地使用隔热涂料时应根据当地室外气象参数条件对其节能效果进行评估计算，最终取均值给出评估结论。(4)因实验室的模拟光源与太阳光光谱有着较大区别，所以对隔热涂料等效热阻值的检测应主要采用现场检测的方式。