熱反射金屬屋面板材隔熱性能測試方法的研究

劉順利 劉 翼 蔣 荃（國家建筑材料測試中心，北京 100 024）

金屬屋面具有良好的力學(xué)性能，優(yōu)越的防水防火性能并且使用壽命長，維護性好，從而廣泛應(yīng)用于大型工業(yè)廠房、會展中心、體育場館、飛機場等城市標(biāo)志性建筑，并逐漸向普通建筑擴展。由于金屬具有良好的導(dǎo)熱性，在炎熱的夏季大量熱量經(jīng)金屬屋面進入建筑物內(nèi)，影響室內(nèi)環(huán)境的舒適性，增加建筑制冷能耗，因此，對于金屬屋面而言，隔熱尤為重要。金屬“冷屋面”（cool metal roof）則因使用表面涂覆一層具有較高太陽反射比和半球發(fā)射率太陽熱反射涂料的熱反射金屬屋面板材，減小屋面自身對太陽輻射的吸收，降低屋面溫度與進入建筑物的熱量，進而減少建筑物制冷能耗，起到隔熱節(jié)能的作用，市場與應(yīng)用前景廣闊[1-2]。

國內(nèi)外對冷屋面在建筑中實際隔熱效果進行了大量相關(guān)報道[3-7]，而并未關(guān)注對屋面材料隔熱性能的評價。目前表征熱反射金屬屋面板材隔熱性能的參數(shù)為太陽反射比（solar reflectance,簡稱SR）與半球發(fā)射率（hemispherical emittance,簡稱ET）。然而僅通過太陽反射比與半球發(fā)射率評價熱反射金屬屋面板材隔熱性能存在以下不足：1）太陽熱反射涂料主要添加一些高太陽反射比的如金屬薄片、金屬粉體、珠光顏料、改性空心微珠等填料來達到反射隔熱效果；盡管金屬填料具有較高太陽反射比，但其發(fā)射率卻很低，依然會造成熱積累，與無機填料相比，隔熱效果差[8]。所以僅比較太陽反射比與半球發(fā)射率則不能區(qū)分涂覆添加金屬與無機填料這兩類涂料熱反射金屬屋面板材的隔熱性能；2）這兩個參數(shù)較為抽象且彼此獨立，難以直觀地反映熱反射金屬屋面板材的隔熱性能；3）這兩個參數(shù)不能反映溫濕度、自然對流等環(huán)境因素對其隔熱性能的影響；4）熱反射金屬屋面板材所用基材一般為鋁基材與鋼基材，兩者導(dǎo)熱系數(shù)相差較大。這兩個參數(shù)不能反映基材及涂層導(dǎo)熱系數(shù)對其隔熱性能的影響?；诖?，本文通過模擬實際工況，建立較為全面的熱反射金屬屋面板材隔熱性能的測試方法。

1 測試方法的建立

1.1 測試方法原理

圖1 太陽輻射與熱反射金屬屋面板材能量分配示意圖

太陽輻射照射到熱反射金屬屋面板材時，其能量分配如圖1 所示。一部分被反射到大氣中，另一部分被熱反射金屬屋面板材吸收轉(zhuǎn)化成熱量。該熱量除了蓄存在熱反射金屬屋面板材外，一部分經(jīng)空氣對流與二次輻射傳遞到室外，一部分通過熱反射金屬屋面板材傳遞到室內(nèi)。與發(fā)生在屋面板材熱交換相比，屋面板材自身蓄熱較小可忽略不計，由能量守恒定律可知：

假設(shè)屋面板的面積為A，

故（1）式可轉(zhuǎn)化為：

以上式中：ρ—太陽反射比；

I—太陽輻射強度，W/m2；

ε—半球發(fā)射率；

σ—斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)；

q —傳向室內(nèi)的熱流密度，W/m2；

hr—輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

hc—對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Tr—屋面溫度，℃；

Tair—空氣溫度，℃。

由式（2）可得：

由式（3）可知，傳向室內(nèi)的熱流密度q 不僅與屋面面層的太陽反射比ρ 有關(guān)，還與屋面所處具體環(huán)境參數(shù)I、hr 及Tair 有關(guān)，所以，評價金屬屋面板材隔熱性能需要明確具體環(huán)境。為使測試結(jié)果更具直觀性，選取涂覆有全吸收太陽光涂料金屬板材作為參比板。本測試方法模擬熱反射金屬屋面板材的服役環(huán)境，測試在一定時間內(nèi)通過參比板與樣品之間流入測試箱中熱量，將兩者的差值與通過參比板流入測試箱熱量的比值作為以評價熱反射金屬屋面板材的隔熱效果的指標(biāo)。暫將該比值定義為隔熱因子η：

上式中：Q 標(biāo)準(zhǔn)— 通過參比板流入測試箱的熱量，J；

Q樣品— 通過樣品流入測試箱的熱量，J；

q標(biāo)準(zhǔn)— 通過參比板傳向測試箱的熱流密度，W/m2；

q樣品— 通過樣品傳向測試箱的熱流密度，W/m2；

A— 測試板材面積，m2；

t1— 計量開始時間，s;

t2— 計量終止時間，s。

1.2 測試設(shè)備

圖2 熱反射金屬屋面板材隔熱性能測試儀

根據(jù)測試原理，本課題組研發(fā)了熱反射金屬屋面板材隔熱性能測試儀，如圖2 所示。該設(shè)備選用氙燈作為模擬光源；用帶導(dǎo)流罩的軸流風(fēng)機模擬自然對流；用聚苯夾芯板制成內(nèi)腔尺寸為350mm×350mm×350mm的測試箱以模擬房屋。

測試時，將背面粘有熱流密度傳感器的測試樣品放置于測試箱上并密封，開啟氙燈與風(fēng)機，調(diào)至試驗所要求的參數(shù)值，記錄測試時間與通過樣品傳向測試箱的熱流密度。

1.3 實驗參數(shù)的確定

依據(jù)上面的分析可知，影響金屬冷屋面隔熱性能的自然環(huán)境因素為：太陽輻照度，風(fēng)速及空氣溫度。下面將依據(jù)具體實驗結(jié)果確定這些因素的大小。

1.3.1 參比板

選用涂覆黑色全吸熱涂料的鋁板材作為參比板，其太陽反射比為0.01、半球發(fā)射率為0.83，基材厚度為1.5mm，涂層厚度為60～70μm。

1.3.2 試驗環(huán)境溫度

自然界中的空氣對流的溫度勢必會影響到熱反射金屬屋面板材實際隔熱效果。在一定輻照度下，對流空氣的溫度越高，增加了熱量的傳遞，勢必減弱熱反射金屬屋面板的隔熱效果；相反，溫度較低的對流空氣將增加熱反射金屬屋面的隔熱效果。圖3 顯示了樣品7 在不同空氣溫度下隔熱因子的變化。由圖3 可以看出，隨著溫度的升高，樣品7 隔熱因子呈下降趨勢，但變化并不明顯?？紤]到實驗室環(huán)境溫度，將室溫定為（23±1）℃。

圖3 不同空氣溫度下樣品7的隔熱因子曲線（輻照度為800 W/m2；風(fēng)速為1m/s）

1.3.3 風(fēng)速

圖4 顯示了不同風(fēng)速下樣品的隔熱因子的變化。當(dāng)風(fēng)速從0m/s 增加到1m/s 時，樣品7的隔熱因子急劇下降，當(dāng)風(fēng)速從1m/s 增加到3m/s 時，樣品7的隔熱因子無明顯變化，依據(jù)測試結(jié)果及實際自然對流情況，確定試驗風(fēng)速為1m/s。

圖4 不同風(fēng)速下樣品7的隔熱溫差曲線（輻照度為800 W/m2；室溫為23℃）

1.3.4 輻照度

圖5 反映了樣品在不同輻照強度下隔熱因子的變化，隨著輻照度的增強，樣品的隔熱因子呈現(xiàn)緩慢下降趨勢?？紤]到熱反射金屬屋面板材主要應(yīng)用于我國南方地區(qū)。根據(jù)有關(guān)資料，南方地區(qū)的年均輻照度在600-830W/m2[9]，且夏季輻射明顯高于冬季。因此，將輻照度確定為(800±10)W/m2。

圖5 在不同輻照度下樣品7的隔熱溫差曲線（風(fēng)速為1m/s；室溫為23℃）

1.4 實驗步驟

根據(jù)所確定的實驗參數(shù)，確定本測試方法的步驟：

1）將實驗室溫度與測溫箱內(nèi)空氣溫度調(diào)節(jié)到（23±1）℃，相對濕度調(diào)節(jié)到50%±5%；

2）在參比板背面連接熱流密度傳感器并安裝在計量箱上方測試口并密封；

3）開啟軸流風(fēng)機并調(diào)節(jié)風(fēng)速至1m/s；

4）開啟氙燈，并將到達樣品表面輻照度調(diào)節(jié)至(800±10)W/m2；

5）記錄時間及熱流密度；

6）將參比板換成測試樣品，重復(fù)上述步驟。

2 數(shù)據(jù)處理與討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

圖6 樣品7 與參比板的試驗數(shù)據(jù)

以樣品7的實驗數(shù)據(jù)為例來說明本測試方法對實驗數(shù)據(jù)的處理過程。圖6 顯示了樣品7 與參比板按照上述實驗步驟測得實驗數(shù)據(jù)。從圖6 可以看出，無論是參比板還是樣品7 在試驗開始前20min 內(nèi)形成一個峰，在20min 后達到穩(wěn)態(tài)后呈接近線性的緩慢下降趨勢。這是因為氙燈啟動后測試板材的樣品表面溫度迅速升高，測試箱中溫度緩慢升高，使得熱流密度傳感器兩面形成很大的溫差，而熱流密度傳感器是通過測試傳感器兩表面之間的溫差來測定熱流密度的大小，因此在前20min 內(nèi)形成一個峰；隨著試驗的進行，樣板表面溫度趨于穩(wěn)定，測試箱內(nèi)空氣溫度則逐漸升高，使得熱流密度兩面溫差減小，所以，在20min 后呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。因而對實驗數(shù)據(jù)進行處理的時候，需要去除試驗開始前20min 內(nèi)的數(shù)據(jù)。在20min～130min 時間段，不難看出，通過樣品7 與參比板的熱流密度與時間呈線性關(guān)系，對其進行線性擬合。所得擬合曲線分別為：

1）參比板

y=-0.083X+47.69 R2=0.908；

2）樣品7

y=-0.053X+3.3.24 R2=0.869。

根據(jù)公式4，即可計算出樣品7 隔熱因子：

2.2 討論

根據(jù)本測試方法，對6組樣品隔熱因子及試驗前后測試箱中空氣溫度差值進行測試，測試結(jié)果如表1 所示。

依據(jù)熱力學(xué)公式Q 吸收=cm △T 可知，對于初始溫度與體積均相同的空氣而言，溫差越大，其吸收的熱量越多。就測試箱中的空氣而言，其吸收的熱量即為通過測試板材傳遞到測試箱中的熱量。從表1 可直觀看出，樣品1～5 試驗前后測試箱溫度差值逐次減小，這說明其隔熱性能依次升高，而隔熱因子也相應(yīng)依次增大。這表明該測試方法所測得的隔熱因子能正確地反映測試樣品的隔熱性能。

由表1 不難看出，隔熱因子能夠直觀地反映樣品隔熱的程度，依據(jù)該參數(shù)能夠容易地辨別出不同產(chǎn)品隔熱性能的優(yōu)劣。樣品5 涂覆的太陽熱反射涂料功能性填料為金屬粉體，樣品6 涂覆的太陽熱反射涂料功能性填料為陶瓷中空微珠。比較樣品5 與6 隔熱性能，若采用太陽反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)則難以進行比較；而采用隔熱因子能輕易得出樣品5的隔熱性能優(yōu)于樣品6的結(jié)論。

該測試方法模擬了太陽輻射、空氣溫度及風(fēng)等環(huán)境因素，能夠真實反映出熱反射金屬屋面板材在實際使用中的隔熱效果。此外，該測試方法通過測試流過參比板與樣品之間熱量比來表征熱反射金屬屋面板材的隔熱性能，因此對于采用不同基材及不同導(dǎo)熱系數(shù)涂層的樣品，其綜合隔熱性能均能得以反映。

表1 樣品1-6的測試結(jié)果

對于同一種基材的熱反射金屬屋面板材而言，太陽反射比與半球發(fā)射率能夠揭示其與普通金屬屋面板材相比具有隔熱節(jié)能性能的原因，而隔熱因子則能夠全面直觀顯示出其隔熱節(jié)能的效果，彌補了兩者在表征熱反射金屬屋面板材上的不足。從式（3）與式（4）可發(fā)現(xiàn)，實際上，隔熱因子是太陽反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)的綜合體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本測試方法能夠正確全面地反映出熱反射金屬屋面板材在具體環(huán)境中隔熱效果；對于采用不同基材及不同導(dǎo)熱系數(shù)涂層的樣品，可測試其綜合隔熱性能；所提出的隔熱因子是太陽反射比與半球發(fā)射率兩參數(shù)的綜合體現(xiàn)，彌補了兩參數(shù)在表征熱反射金屬屋面板材隔熱性能的不足；依據(jù)隔熱因子的大小，能夠輕易分辨出不同熱反射金屬屋面板材隔熱性能的優(yōu)劣。這對于建筑節(jié)能選材而言具有十分重要意義。

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