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夏季热反射隔热涂料对建筑墙体的节能实效研究
郭卫琳1 ，卢国豪2 ，何超1
(1. 浙江建设职业技术学院，浙江杭州311321; 2. 中天建设集团有限公司，浙江杭州310008)
能源消耗是当今世界面临的重大难题，我国原有建筑以及新建筑数量巨大，人口众多，建筑能耗占全国总能耗的1 /4 以上［1］。据原建设部统计数字显示，我国有400 亿m2 既有建筑，近1 /3 需要节能改造。而对于住宅、商务楼、工厂等建筑物内的各种能量消耗中，空调占很大比重。因此，如何更加有效地提高空调的运行效能，从而达到减少二氧化碳的排放量，响应国家节能减排的要求，是建筑业亟待解决的问题之一。浙江地处沿海，夏季台风频频光顾，往往在同一天内温度波动较大，甚至存在双向传热现象，单纯的保温隔热节能效果不十分理想。反射型建筑隔热涂料利用涂膜对光和热的高反射作用使太阳照射到涂膜上的大部分能量得到反射，以达到隔热的目的［2-6］。因此，通过涂覆隔热涂料提高墙面的热反射率，有效隔断大部分辐射热量，降低墙面得热，减少空调负荷，改善室内热舒适环境，成为夏热冬冷地区建筑节能的另一有效途径。此技术在美国、日本等应用较为广泛，近年来在我国亦开始研究推广［7-11］，取得了一些成效。但大多研究都局限于屋面隔热方面，针对反射性隔热涂料涂施在立面围护结构的情况还缺乏较为完善的基础性应用技术研究，对节能建筑中应用的有效性尚不完全掌握，其市场推广应用受到很大影响。本文以杭州为例，通过对比性建筑的温度监测，对夏季进行数据分析，探讨反射性隔热涂料在实际应用中对建筑墙体的节能效果，从而为今后的研究提供有效依据。
1 试验方法
本试验在浙江建设职业技术学院西北角空旷地带建造两栋独立的相同单层砖混结构测试房，两测试房朝向南偏西15°，尺寸均为4m × 4m × 3. 8m，无外窗，在北墙处设2. 1m × 0. 9m 保温外门，建筑净间距6. 8m，周围无影响性遮挡，绿化较好。建筑为框架结构，墙体构造为:20mm 厚水泥砂浆+ 240mm 厚叶岩多孔砖+20mm 厚水泥砂浆;屋面、地面构造及室内设备完全相同( 见图1)。其中2 号房外墙外侧涂刷反射性隔热涂料，隔热涂料为白色均匀液体，太阳反射比为0. 84，由空心玻璃微珠、丙烯酸树脂和金红石钛白粉构成，主要反射太阳辐射热( 红外线)。1 号房为不涂隔热涂料的基准房。在两测试房室内、室外围护墙体及屋面墙体设置温度传感器，室外测温点在温度传感器上安装防辐射罩，避免日光直射。具体设置方法如图2 所示。其中围护墙体测东、南、西向三面墙体。
所有温度数据每隔5min 自动记录。两测试房内均安装挂式空调( 美的KFR-26GW) 1 台，用于平衡室内温度，在本试验期间( 夏季) 室内的设定温度为26℃。1、2 号测试房于2009 年7 月16 日建成并开始测试。
2 试验结果与分析
2. 1 测试房内外温度变化
本试验期间所测各点温度的日变化规律基本一致，为便于比较只将2009 年8 月21 日6:00 开始到8月22 日6:00 之间围护结构温度的数据进行说明。另外，由于1、2 号测试房屋面与北面墙体的各测试点温度值基本相同，在此省略。
1) 测试房东面温度测试结果
图3 为1、2 号测试房东面室外气温、外墙面与内墙面内外温度变化测试结果。1EP-1、1EP-3 代表1 号测试房东面测点1、3 的温度;2EP-1、2EP-3 代表2 号测试房东面测点1、3 的温度;1E-W 代表东面室外气温。1EP-1 的温度从6:00 开始迅速上升，10:00 达到一天中最高45℃ ，此后逐渐减小。2EP-1 的温度同1EP-1一样从6:00 开始上升，但上升幅度与1EP-1 要小得多，在10:00 温度上升到约35℃ ，两者相差10℃。而且2EP-1 温度从10:00 到16:00 之间的温度基本保持一致。而从1EP-3 与2EP-3 的温度变化来看，由于室内空调的温控作用，两者日变化幅度极小，温度都在30℃前后，温度差值也不大。另外，1EP-1 的温度基本大于1E-W 温度;2EP-1 白天的温度要低于1E-W 温度，但约18:00 之后两者的温度值大致相同。
图3 1、2 号测试房东面内外温度变化
上述结果表明，1 号测试房的东墙面受到太阳辐射后，墙面温度较之周围空气温度上升迅速，吸热效果明显。而2 号测试房墙面由于隔热涂料的反射效果，致使墙面温度值变化幅度较小，远小于周围空气温度的变化幅度。由此说明针对围护结构东面墙体而言，2号测试房所涂的隔热涂料使得墙面有明显降温效果。
2) 测试房南面温度测试结果
图4 为1、2 号测试房南面内外温度变化测试结果。1SP-1、1SP-3 代表1 号测试房南面测点1、3 的温度;2SP-1、2SP-3 代表2 号测试房南面测点1、3 的温度;1S-W 代表南面室外气温。1SP-1 与2SP-1 温度的最大值出现在16:00，分别约为45、36℃ ，两者相差9℃左右。比室外温度1S-W 的波峰出现时间推后2h 左右。2SP-1 从14:00 ～ 16: 00 的温度值基本无变化。1SP-3 与2SP-3 内墙壁温度变化同东面墙结果相似。因此，同样可以推断出，涂有隔热涂料的2 号测试房隔热效果明显。
图4 1、2 号测试房南面内外温度变化
图5 为1、2 号测试房西面内外温度变化测试结果。1WP-1、1WP-3 代表1 号测试房西面测点1、3 的温度;2WP-1、2WP-3 代表2 号测试房西面测点1、3 的温度;1W-W 代表西面室外气温。1、2 号测试房西面内外各点的温度变化与南面墙的温度变化相似，1WP-1 与2WP-1 温度的最大值亦出现在16:00，只是温度波幅在峰顶的转折较之南面更加显著。同样反映出2 号房在隔热涂料的影响下降温效果明显。
图5 1、2 号测试房西面内外温度变化
综上所述，从1 号与2 号测试房的东、南、西三面墙体温度变化来看，隔热涂料的外墙面较之未涂有隔热涂料的降温幅度可达9 ～ 10℃ ，降温效果极为显著。理论上，从周围气温与墙体温度变化情况可分析判断，影响墙面温度上升的主要因素为太阳辐射，这是因为周围气温越高代表墙体温度上升得越高，反之，周围气温下降并不一定使得墙面温度降低。
2. 2 围护结构墙体累积导热量
由于建筑物的得热主要受太阳辐射的影响，因此只列出对东、南、西三面墙体的导热量，另考虑到1、2号测试用房建成后与周围环境有一个适应过程，这里取1 号和2 号实测系统运行半月后的8 月1 日至8 月31 日的数据进行墙体导热量分析。
根据稳态热传导理论以及欧姆法则，本实测用房围护结构墙体的热传导公式为:
图6a、b 分别为以上公式计算得出的1、2 号测试房东、南、西三面墙体结构8 月1 日～ 8 月31 日的累积导热量变化。其中:qE、qS、qW分别表示东、南、西三面墙体的导热量，其中下标1、2 表示1、2 号测试房。
图6 1、2 号试测房墙体8 月1 日～ 8 月31 日的累积导热量变化
图6a 的结果表明，东面墙体的导热量要高于南面和西面墙体的导热量，南、西面墙体累积导热量基本相同。到8 月31 日时，东面墙体的累积导热量为0. 99 ×105 kcal，南、西面墙体累积导热量分别为0. 71 × 105kcal 和0. 69 × 105 kcal。说明东面墙体受太阳辐射的影响所产生的热量是南、西面的1. 4 倍。而且，随着时间推移此倍数有增大的趋势。由此可见，在考虑建筑物节能措施时，采取东面墙体的隔热措施尤为重要。从图6b 的结果来看，南、西面墙体的累积导热量变化量亦基本相同，但与1 号测试房相反，其数值要大于东面墙体的累积导热量。在8 月31 日时，东、南、西三面墙体的累积导热量分别约为0. 27 × 105、0. 42 ×105、0. 4 × 105 kcal，南、西面墙体累积导热量约为东面墙体的1. 5 倍。这是由于东面墙表面的隔热涂料有效反射了太阳辐射，加之东面墙所受太阳辐射集中在早上6:00 ～ 12:00，此时周围气温处于由低向高的升温过程，从而使得东面墙体的热量要远小于南、西面墙。从测试结果来看，隔热涂料可有效减少墙体导热量，其中东面墙体的效果最佳，1 号测试房累积导热量是2 号测试房的3. 6 倍。针对南、西两面墙，1、2 号测试房累积导热量的比值分别为1. 68、1. 73 倍。因此可以看出，与无隔热涂料的1 号测试房相比，有隔热涂料的2 号测试房的隔热效果十分明显。由于1、2 号测试房的北面墙、屋面以及地表面的导热量近似相等，从累积导热量平均值的比值2. 18 来看，此数值说明有隔热涂料的2 号测试房的节能效果约是无隔热涂料1 号测试房的2. 18 倍。
3 隔热涂料的节能效果分析
如果忽略西面墙、屋顶以及室内地面的导热影响，隔热涂料提高东、南、西三面墙面反射率而减小的墙体导热量全都由空调系统负担，则可推算出隔热涂料对空调电耗的改善效果。可按照下式简略计算出8 月节省的电量［5］:
式中:ΔE 为节省的电量;Δq 为1、2 号测试房东、南、西三面墙体的导热总量之差;COP 为制冷机组的效率，这里取3. 0。
4 结语
1) 隔热涂料的外墙面较之未涂有隔热涂料的最大降温幅度可达9 ～ 10℃ ，降温效果极为显著。
2) 针对无隔热涂料的墙体而言，东面墙体的累积导热量约大于南、西面墙体1. 4 倍，南、西面墙体的累积导热量基本相同;而有隔热涂料的南、西面墙体的累积导热量亦基本相同，但东面墙体的累积导热量比南、西面小1. 5 倍。
3) 隔热涂料可有效减少墙体导热量，其中东面墙体的效果最佳。有隔热涂料的东面墙体是无隔热涂料的3. 6 倍。
4) 有隔热涂料的墙体平均导热量约比无隔热涂料的墙体要小2. 18 倍。
5) 经简单推算，涂有隔热涂料的墙体在8 月期间所产生的空调节电量为12. 67kWh / (m2·月)。
本文只是对夏季(8 月) 反射性隔热涂料实际应用的节能效果进行了对比分析试验。今后将就本测试房冬季以及整年度的数据做综合分析，以此探讨隔热涂料在夏热冬冷地区的建筑节能效果以及应用前景。
