冷屋面節能實效研究

2014-12-16 07:25:10楊文頤喬亞玲王強強張丹武中國建材檢驗認證集團股份有限公司北京100024

中國建材科技 2014年1期

楊文頤喬亞玲王強強張丹武叢林劉洋（中國建材檢驗認證集團股份有限公司，北京 100024）

1 引言

冷屋面（Cool Roof）概念最早產生于美國，是指通過提高材料表面的太陽光反射比和熱輻射率，減少太陽輻射熱吸收，從而在夏季陽光下保持較低溫度的建筑屋面。在美國，多項研究及測量證實：夏季氣候溫暖地區，建筑物使用冷屋面后高峰期用電需求降低了10%～30%，除減少建筑物夏季空調能耗，由于冷屋面表面溫度低，還能夠減少對室外空間的熱傳遞，進而降低城市建筑密集區空氣溫度、營造舒適的外部環境，減緩城市熱島效應[1]。

冷屋面材料及產品涉及金屬屋面產品、涂料產品、防水卷材、改性瀝青瓦、混凝土瓦等，由于具有反射太陽熱輻射的功能，也常被稱為熱反射涂料、熱反射瓦、熱反射金屬屋面板等。近10年，冷屋面產品在美國得以越來越廣泛的應用。美國能源部能源之星（EnergyStar）和美國冷屋面評級理事會（Cool Roof Rating Council，簡稱CRRC）先后開展了冷屋面熱性能評級和標識工作，冷屋面日益得到政府和企業的支持并逐漸在建筑法規和標準中得到認可。

近年來隨著我國節能減排工作的快速發展，建筑整體節能效果越來越受到國家、政府乃至整個社會的高度重視。相關的建筑節能法律法規、標準規程相繼出臺。為了適應新形勢下的市場需要，一些冷屋面產品如熱反射涂料、熱反射防水膜、熱反射金屬裝飾板等節能材料相繼出現，尤其是太陽熱反射涂料，因其施工便捷、造價低廉、反射隔熱效果顯著，已應用于多類建筑工程中。多項研究[2][3][4]及實踐表明，熱反射涂料對夏熱冬暖地區建筑屋面和外墻隔熱效果有明顯的作用，節能效果顯著，可單獨作為外圍護結構隔熱措施；夏熱冬冷地區，視冬夏季日照量變化，有一定的隔熱節能效果，可配合適當的保溫系統作為外圍護保溫隔熱措施使用[5]。

在我國寒冷地區的一些城市，夏季太陽輻射非常強烈，天氣亦較為炎熱，然而關于冷屋面技術在寒冷地區建筑的應用方面卻少有研究。本文以北京為例，通過對比性建筑的溫度監測和空調耗電量監測，結合理論分析，研究寒冷地區夏季反射隔熱屋面的隔熱節能效果，探討冷屋面在寒冷地區應用的可能性。

2 理論分析

根據傳熱學理論，夏季屋面溫差熱負荷為[2]：

式中：K為屋面傳熱系數，W/(m2K)；

FW為屋面面積，m2；

tei為室外空氣溫度，K；

ρ為屋面對太陽輻射的吸收比，與太陽反射比r的關系為ρ+r=1；

Ii為水平表面太陽輻照度，W/m2；

αe為外表面換熱系數；

t0為室內溫度。

通過以上公式可知，在外界條件（包括太陽輻照度以及室外氣溫）一定時，若要減少建筑屋面的熱負荷，可采取降低屋面傳熱系數、減少室內外溫差、提高屋面的太陽反射比等節能措施。

式中的tei+ρIi/αe為室外空氣綜合溫度，反映了氣溫和太陽輻射對建筑屋面的綜合作用。ρIi/αe考慮了太陽熱輻射的影響，冷屋面具有較高的太陽反射比即低的太陽吸收比，可降低室外空氣綜合溫度、減少屋面得熱，在夏季，可減少室內空調的電耗，起到節約能源的作用。當屋面收到強烈的太陽輻射時，太陽輻照度Ii較室外空氣對室外綜合溫度的影響更大，此時屋面對太陽輻射的吸收比顯得尤為重要。因此，夏季，在具有高太陽輻射的地區，冷屋面技術對于建筑節能具有現實意義。

北京雖然地處寒冷地區，但由于空氣濕度相對較低，夏季到達地面的太陽輻射強度反而高于夏熱冬暖地區的廣州、福州等城市。夏季北京地區垂直太陽輻射日總量可達8200W/m2左右，白天最高輻射強度近1000 W/m2，而廣州的數據分別為7462 W/m2和962 W/m2左右，因此理論上講，在夏季的北京，冷屋面可以起到改善室內熱環境、節約空調電耗的作用。

3 實地測試

為了驗證夏季冷屋面在北京地區的實際隔熱節能效果，本研究選取了位于北京東郊某磚混結構連體平房作為測試對象。選取位于整排房屋中央的相鄰的2間作為試驗房，試驗房南北朝向，屋內面積24m2，室內凈高3.2m，屋面為平頂。

2間試驗房圍護結構做法、鄰室情況、采光等條件完全相同，具備充分的可比性。

試驗房屋面為平屋面，從下至上依次為：內飾面層、15mm找平砂漿、130mm厚預制圓孔樓板、150mm焦渣保溫層、SBS防水卷材。

為了此次冷屋面測試，在SBS防水卷材上澆注20mm找平砂漿，再刮涂耐水膩子，兩個試驗房屋面最外層分別輥涂熱反射涂料（太陽反射比為0.80）和與之對比的普通涂料（太陽反射比為0.20），以下分別稱冷屋面和普通屋面。

屋面結構見圖1。

圖1 試驗房屋面結構圖

試驗房屋面涂裝后如圖2所示，淺色為冷屋面，深色為普通屋面。

圖2 試驗房屋面

試驗房室內有少量辦公家具和實驗器具；兩試驗房同一位置安裝型號相同的空調。

2011年7月26 日至8月29日，對冷屋面試驗房和普通屋面試驗房進行了為期一個月的連續測試。試驗分為3個階段進行，第1階段：7月26日至8月7日，測試內容包括屋面內外表面溫度、室內外空氣溫度、水平面太陽輻照度和空調耗電量測試，空調設置溫度為26℃，試驗期間關閉門窗。結束后清洗室外機。第2階段：8月13至8月26日，為了消除空調器能效比可能不同的影響，交換屋面（原熱反射涂料上輥涂灰色外墻涂料，原灰色涂料上輥涂白色熱反射涂料），重復上述測試。第3階段：8月27日～8月29日，關閉空調，進行屋內舒適度試驗。

整個測試期間，白天平均氣溫26～34℃，室外最高溫度基本在30℃以上，晴天和多云間陰為主，偶爾雨天。

4 實測結果及分析

以天氣晴朗、分屬1、2階段的7月26日和8月20日為例，分析普通屋面和冷屋面溫度變化以及空調耗電量的差異。

測試結果如圖3～圖6所示：

圖3 7月31日溫度測試結果

圖4 7月31日輻照度測試結果

圖5 8月20日溫度測試結果

圖6 8月20日輻照度測試結果

冷屋面和普通屋面測試結果對比見表1和表2。

表1 7月31日測試結果對比

夏季晴朗天氣時，普通屋面外表面溫度可高達將近60℃，而刷涂了熱反射涂料的冷屋面最高溫度只有40℃左右，與室外最高氣溫接近。普通屋面與冷屋面外表面平均溫差差7～8℃，最高溫度差值在可達17℃以上；內表面溫度兩者相差3℃左右，最高溫度差值將近6℃，冷屋面隔熱作用非常明顯。

表2 8月20日測試結果對比

白天，屋面外表面溫度變化與太陽輻照強度的變化是一致的，屋面溫度曲線，尤其是普通屋面溫度曲線與輻照強度曲線相似，反映了太陽輻射強度直接影響著屋面的室外綜合溫度，證實了上述的理論分析。

與屋面外表面溫度和室外氣溫不同，屋面內表面溫度波峰出現在傍晚7、8點的時候，這是由于重質屋面的熱惰性較大，導致屋面內表面溫度變化產生滯后的效應，延遲的時間有5、6個小時。

由于冷屋面強烈的熱反射作用，其屋面得熱小，因此內表面溫度低于普通屋面的內表面溫度，減少了屋面向室內輻射的熱量，從而使空調日耗電量降低2～3度，節電量可達30%以上，7月31日達到了48%，節能效果顯著。

為了考察冷屋面對室內舒適度的影響，8月27～8月29日，關閉空調，測量屋面內外表面溫度以及室內溫度，同時，實驗人員進入試驗房內感受熱環境及舒適度。8月28日測試結果見圖7、圖8和表3。

圖7 8月28日溫度測試結果

圖8 8月28日輻照度測試結果

表3 8月28日測試結果對比

測得冷屋面與普通屋面內表面溫度最大相差5.6℃，平均相差3.2℃；室內氣溫差值最大2℃。在溫度最高時的傍晚，工作人員在兩間試驗房內能夠感覺到溫度的差異，在冷屋面試驗房內具有較好的舒適度。8月28日已屬于夏末秋初，與盛夏相比，室外溫度和太陽輻照度都有所降低，白天最高溫度33.3度，最大太陽輻照度為561W/m2。可以預見，如果在炎熱的盛夏，冷屋面可明顯改善室內熱環境，增加體感舒適度。

圖9和圖10是整個第一階段連續測試結果。

試驗房屋面內外表面溫度隨著日夜交替呈現周期性變化，白天屋面外表面溫度走勢與太陽輻射強度一致；冷屋面內外表面溫度始終低于普通屋面內外表面溫度；普通屋面和冷屋面表面之間的溫差（以下簡稱溫差）亦呈現周期性變化，太陽輻照強度越大，溫差也越大。隨著時間的推移，白天總的輻照強度慢慢變小，溫差也隨之變小。另外，屋面污染程度也直接影響著屋面外表面的溫差，污染越重，溫差越小。7月29日北京下了一場大雨，經過雨水的沖刷，冷屋面表面灰塵減少，因此7月30日又呈現了較高的溫差（外表面溫差最大10℃），隨后，最大溫差又慢慢呈降低態勢。

測試期間，兩間試驗房耗電量及冷屋面試驗房節電量隨天氣情況變化有所波動，每天的節電量在20%～50%之間，總節電量和日最高節電量如表4所示。由此可見，夏季北京地區，冷屋面可降低建筑、尤其是頂層的冷負荷，起到節能減排作用。