外飾面材料太陽光反射比對外墻表面溫度的影響

吳琦琦，胡瑩，黃志甲

（安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032）

0 引言

太陽輻射是影響建筑物熱環(huán)境的重要因素之一。入射到建筑圍護結(jié)構(gòu)上的太陽輻射能被圍護結(jié)構(gòu)吸收和反射，影響建筑墻體外表面溫度、傳遞到建筑室內(nèi)的熱量、建筑空調(diào)能耗以及室內(nèi)環(huán)境的舒適度[1-2]。降低建筑圍護結(jié)構(gòu)對太陽輻射量的吸收是降低建筑夏季得熱和空調(diào)負荷[3-4]的重要措施。

目前，針對降低建筑外墻對太陽輻射量吸收的研究主要集中在新型隔熱材料開發(fā)和采用不同建筑外飾面材料。關(guān)于新型隔熱材料的研究，一般在反射隔熱涂料中加入新材料改變反射隔熱材料組分、占比等[5]，以提高隔熱保溫性和反射性能[6-7]，同時改善反射隔熱涂料的耐污性、節(jié)能性、耐久性和輻射能力[8-9]。對于建筑外飾面材料的研究，由于現(xiàn)代建筑外飾面材料種類繁多，如涂料、飾面磚、石材、金屬幕墻等，而不同外飾面材料表面粗糙度、材質(zhì)和顏色等[10]都會影響材料表面反射率進而影響建筑室內(nèi)外熱環(huán)境，一些學(xué)者通過改變不同外飾面材料探究其熱工性能對建筑空調(diào)負荷、室內(nèi)外溫度、節(jié)能、能耗等影響進行研究[11]。在不同氣候區(qū)的建筑設(shè)計中，利用建筑外飾面材料的熱工性能，可降低建筑采暖、空調(diào)能耗，并通過理論和模擬方式驗證改變外飾面材料熱工性能降低空調(diào)負荷，同時改善了室內(nèi)熱環(huán)境[4]。炎熱地區(qū)采用淺色外飾面減弱墻體對太陽輻射量的吸收達到隔熱效果，文獻[12]通過實測證明在最大太陽輻射時，采用黑色外飾面比白色外飾面材料內(nèi)部空氣溫度最大高約12 ℃。

從建筑外表面看，徽州傳統(tǒng)民居建筑色彩均由黑白兩色組成，加上歲月的侵蝕，形成獨特的藝術(shù)審美效果。同時還有節(jié)能，改善熱舒適性等作用。本文通過建立建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠崮Ｐ停玫接绊懡ㄖ鈮Ρ砻鏈囟鹊闹饕绊懸蛩?，并針對該影響因素在動態(tài)和靜態(tài)下對傳統(tǒng)徽州民居圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度影響進行分析。

1 研究方法

1.1 靜態(tài)分析

為了研究建筑外墻表面溫度隨反射比和太陽輻射量變化的規(guī)律，進行簡化計算。將圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、風(fēng)速、室外溫度等參數(shù)設(shè)置為定值，建立建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面熱平衡方程，進而研究反射比和太陽輻射量的大小對建筑外墻表面溫度的影響。

1.1.1 數(shù)學(xué)模型

建筑使用反射涂層是指該涂層對太陽輻射有較高的反射率[13]，其中主要的表現(xiàn)形式是降低了建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度以及室內(nèi)溫度[14]。由于室內(nèi)采用了空調(diào)制冷，室內(nèi)的溫度保持恒定，因此主要是表現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度的降低。

為了得到建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度的表達式，引入建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面熱平衡方程進行分析，即建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面吸收的熱量等于長波輻射換熱熱量、外表面對流換熱熱量以及外表面向室內(nèi)傳遞的熱量之和，如式（1）所示：

式中：ρ——建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射反射比；

I——太陽輻射照度，W/m2；

ε——長波發(fā)射率；

Tw，out——建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度，℃；

Tsky——天空輻射溫度，℃；

hc——建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Ta——室外空氣溫度，℃；

Kw-a——建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面至室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

Tn——室內(nèi)空氣溫度，℃；

由于長波輻射換熱量占整個熱平衡的比例相對較小[15]，可忽略長波輻射的作用。

根據(jù)GB 50176—2016《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》在典型工況下對圍護結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)要求，夏季建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面對流換熱系數(shù)hc=19 W/（m2·K）。

建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面至室內(nèi)空氣的傳熱系數(shù)Kw-a與圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)Kw和內(nèi)表面對流換熱系數(shù)hl有關(guān)，見式（2）：

式中：hl——建筑圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，取8.7 W/（m2·K）；

Kw——建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，取1.5 W/（m2·K）

由式（1）、式（2）得到圍護結(jié)構(gòu)的外表面溫度：

由于夏季室內(nèi)采用空調(diào)制冷，則假設(shè)室內(nèi)溫度為26 ℃，屋面的傳熱系數(shù)為2.415 W/（m2·K），墻體的傳熱系數(shù)為1.5 W/（m2·K），室外平均空氣溫度為35 ℃。

在設(shè)定的條件下，建筑外墻外表面溫度T是太陽輻射反射比和太陽能輻射強度的函數(shù)，見式（4）：

在太陽輻射照度為定值時，建筑圍護結(jié)構(gòu)外墻反射比的大小決定了建筑外墻對太陽輻射的吸收率，反射比ρ 越高時，外表面的溫度越低，導(dǎo)致傳入室內(nèi)的熱量越低，從而達到節(jié)能的效果。

1.1.2 靜態(tài)分析方案

假設(shè)熱量從圍護結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)魅胧覂?nèi)的過程中，熱流保持不變，且室內(nèi)外溫度為恒定值，外表面溫度Tw，out與內(nèi)表面溫度Tw，in存在式（5）的關(guān)系：通過式（1）、式（2）和式（5）可得到外墻表面溫度與反射比成線性關(guān)系，且外墻表面溫度隨著反射比的增加而降低。

在假設(shè)條件下，建筑外墻表面反射比由0到1之間變化，而太陽輻射照度在100～1100 W/m2；同時研究反射比從0～1且以200 W/m2為間隔的太陽輻射照度從100～1100 W/m2間變化對建筑外墻表面溫度的影響。

1.2 動態(tài)分析

為了驗證不同反射比對外墻表面溫度的影響，徽州建筑選擇不同反射比的外飾面材料如表1所示。徽州民居室內(nèi)采用風(fēng)機盤管系統(tǒng)空調(diào)，全天溫度設(shè)置為26 ℃，其他參數(shù)保持不變，對建筑圍護結(jié)構(gòu)夏季典型日外墻表面溫度采用能耗模擬EnergyPlus進行動態(tài)模擬。由于傳統(tǒng)徽州民居粉磚黛瓦的特點，因此選取石膏和石灰粉刷墻體表面，在徽州地區(qū)瓷磚和淺色飾面磚也常用作為建筑外飾面材料，隔熱涂料在現(xiàn)在使用較多，因此本文選取這些外飾面材料對外墻表面溫度影響進行分析。GB 50176—2016和GB 25261—2018《建筑用反射隔熱涂料》對選取的建筑涂料的太陽輻射吸收率規(guī)定如表1所示。當(dāng)太陽輻射到建筑墻體外表面時，由于墻體是不透明材料，則建筑墻體外表面只存在太陽輻射能量吸收與反射現(xiàn)象。

表1 規(guī)范對外墻圍護結(jié)構(gòu)太陽輻射吸收系數(shù)的規(guī)定

1.2.1 物理模型及驗證

本文以黃山市屯溪區(qū)的氣候為研究背景。利用建模軟件建立單個房間，并簡化建筑模型進行模擬計算。該建筑坐北朝南，徽州民居圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)為1.5 W/（m2·K），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為2.415 W/（m2·K），地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.887 W/（m2·K），室外空氣流速為1.5 m/s，氣象數(shù)據(jù)選用屯溪典型氣象年數(shù)據(jù)。

由于徽州民居的墻體呈現(xiàn)粉磚黛瓦的特點，且為了提高模擬的準(zhǔn)確性，對于建筑模型采用石灰粉刷墻面，且該模型在未設(shè)置空調(diào)的狀態(tài)下模擬和徽州民居實測南面外墻表面溫度進行對比驗證，對比的時間是7月23日～7月26日。

采用統(tǒng)計學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)差均方根誤差CV（RMSE）來評價模擬結(jié)果和實測結(jié)果之間的一致性[16]，模擬和實測的南外墻體表面溫度如圖1所示。

圖1 外墻表面溫度實測結(jié)果和模擬結(jié)果對比

從圖1可以看出，模擬結(jié)果和實測結(jié)果比較接近，通過計算得到CV（RMSE）為5.65%，符合ASHRAE規(guī)定的模擬精度CV小于25%的要求[17]，所以，可認為該模型是準(zhǔn)確可用的。

1.2.2 動態(tài)分析方案

室外溫度與水平方向太陽輻射的變化密切相關(guān)，夏季水平方向太陽輻射與室外溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可見，隨著太陽輻射的增強，室外溫度處于升溫狀態(tài)；在下午時隨著太陽輻射的降低，室外溫度處于降溫狀態(tài)；當(dāng)太陽輻射消失時，室外的溫度一直處于降低的狀態(tài)。

圖2 夏季水平方向太陽輻射照度與室外溫度的關(guān)系

2 結(jié)果分析

2.1 靜態(tài)分析

假設(shè)室外平均空氣溫度為35 ℃，由式（1）、式（5）可得建筑圍護結(jié)構(gòu)外表面溫度、熱流與太陽光反射比和太陽輻射照度之間的關(guān)系見圖3、圖4。

圖3 外墻表面溫度與太陽光反射比和輻射照度之間的關(guān)系

圖4 熱流與太陽光反射比和輻射照度之間的關(guān)系

由圖3、圖4可見，太陽輻射照度為定值時，建筑外墻表面溫度與熱流隨著反射比的變化呈線性關(guān)系。當(dāng)太陽輻射強度為100 W/m2且反射率由0增大到1時，外墻表面溫度由39.4 ℃降低到34.4 ℃，降低了5 ℃；熱流由17.1 W/m2到10.8 W/m2，降低6.3 W/m2。當(dāng)太陽輻射照度為1100 W/m2，反射率由0增大到1時，外墻表面溫度由88.7 ℃降低到34.4 ℃，降低了54.3 ℃；熱流由80.3 W/m2減小到10.8 W/m2，減小了69.5 W/m2。隨著太陽輻射照度的增大，反射比的大小對建筑外墻表面溫度和熱流影響越顯著。所以太陽輻射照度較大的位置越適合使用具有較高反射比的外飾面材料來降低外墻表面溫度，減少進入室內(nèi)的熱負荷。

2.2 動態(tài)分析

不同朝向的建筑外墻太陽輻射照度不同，同時不同的外墻外飾面材料的反射比不同，因此，反射的太陽輻射量不同，導(dǎo)致建筑不同朝向的外墻表面溫度不同。

圖5是夏季在不同朝向時，不同外飾面的外墻一天中外表面最大與最小的溫度差值。

圖5 夏季不同朝向室外墻體表面溫差

由圖5可見，在夏季，徽州民居最大外墻表面溫度差值發(fā)生在西面墻，其次是南面墻。當(dāng)反射比為0.5的飾面磚西面墻溫差為16.98 ℃，南面墻溫差為11.55 ℃；而反射比為0.85的隔熱涂料西面墻溫差為12.03 ℃，南面墻溫差為10.13 ℃。因此在建筑動態(tài)分析中分析不同外飾面材料反射比對建筑南西面墻表面溫度的影響。

圖6、圖7分別是建筑南、西面墻體熱流和外表面溫度變化模擬值。

圖6 南面墻體熱流和外表面溫度變化

圖7 西面墻體熱流和外表面溫度變化

由圖6、圖7可見，隨著太陽輻射照度的增大，不同太陽光反射比外飾面的熱流和外墻表面溫度相差較明顯，反射比越大的外飾面反射熱量越多，建筑外表面溫度降低越大，進入室內(nèi)的熱量就越少，減少室內(nèi)熱負荷越多。在沒有太陽輻射時，反射比的大小對熱流與外表面溫度沒有影響，只受室內(nèi)外氣溫的影響，則熱流和外墻表面溫度的相差較小。當(dāng)外墻由表面反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時，其南面墻的熱流峰值降低了4.95 W/m2，外表面溫度峰值降低了1.96 ℃；西面墻的熱流峰值降低了16.2 W/m2，外表面溫度峰值降低了5.52 ℃。則說明外飾面材料反射比的變化能顯著提高外墻的防熱效果。西面墻體外表面最高溫度和熱流均高于南墻，則西面墻的傳熱對室內(nèi)熱舒適性影響比南面墻要大，因此，加強西外墻隔熱就很重要。

2.3 空調(diào)能耗影響分析

在夏季，不同外飾面對建筑單位面積空調(diào)能耗的影響見表2。

從表2可以看出，隨著外飾面材料反射比的增大，夏季單位面積空調(diào)能耗逐漸在降低。當(dāng)外墻由表面反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時，在整個夏季單位面積空調(diào)能耗降低39.66%。建筑外表面材料反射比改變對建筑空調(diào)能耗的影響較大，從而對建筑起到節(jié)能作用。

表2 不同外飾面材料對夏季空調(diào)能耗的影響

3 結(jié)論

（1）當(dāng)太陽輻射照度為定值時，建筑外墻外表面溫度和熱流隨反射比的變化呈線性關(guān)系。同時太陽輻射照度越大，反射比大小對建筑外墻表面溫度和傳入室內(nèi)熱流影響越顯著。

（2）反射比越大的外飾面，外墻表面反射太陽輻射量越多，進入室內(nèi)熱流和外表面溫度峰值就越低。在建筑四個不同朝向中，太陽輻射對西面墻的影響最大，當(dāng)反射比由0.50的淺色飾面磚上升到0.85的隔熱涂料，西面墻體熱流和外墻表面溫度峰值分別下降16.2 W/m2和5.52 ℃，所以加強建筑西面墻體隔熱很重要。

（3）建筑外飾面反射比越高，吸收的熱量越少，減少空調(diào)負荷，降低了空調(diào)能耗，當(dāng)外由反射比為0.50的淺色飾面磚上升到反射比為0.85的隔熱涂料時，整個夏季單位面積空調(diào)能耗降低39.66%，達到了節(jié)能的作用。