低吸收率涂料在中国南北地区建筑节能效果比较.doc

低吸收率涂料在中国南北地区建筑节能效果比较

摘要 本文利用能耗模拟软件DeST，以广州、北京为中国南北地区代表，对低吸收率涂料在六种不同的空调工况以及三种不同围护结构传热系数下的节能效果进行了分析。研究结果表明，低吸收率涂料较适用于我国南方夏热冬暖地区，而在北方地区的应用则有可能反而导致建筑能耗上升
关键词 建筑节能 低吸收率涂层 模拟

1 前言
随着建筑节能技术研究的深入及拓展，以往多用于工业露天管道及容器降温的低吸收率涂层最近也逐渐在建筑上得到应用。该类涂层主要通过降低夏季围护结构太阳辐射得热来减少建筑冷负荷，进而减少建筑能耗。不过由于在冬季其低吸收率也将阻挡大量太阳辐射，从而导致冬季热负荷增加，所以需要通过计算才能判断其真实的全年节能量。
对于该类涂料的研究主要分为实测和模拟两类。Geoscience公司[9]分别对涂有低吸收率涂料和涂普通涂料的外墙进行了测试得出：涂有低吸收率涂料的外墙表面温度比涂有普通涂料的外墙表面温度低11.1℃，热流减少31.9%。国家建筑工程质量监督检验中心[10]对北京怀柔区某度假村二层别墅进行测试后得出结论：在相同的室外温度及室内温度控制在21.0℃条件下，外围护结构（外墙与屋顶）内表面涂刷了低吸收率涂料，涂刷与未添加盈速粒的同一种涂料相比，冬季节能效果明显，节能率在12%以上。
对低吸收率涂料的模拟研究多集中在应用于围护结构外表面减少夏季空调负荷上。Wang 等[6]通过研究发现低吸收率涂层能够减少建筑能耗约25 %～38 % ，同时屋顶使用保温时将降低涂层的节能效果。Akbari[7]通过比较屋面使用涂层前后(使用前屋面反射率为0. 26 , 使用后为0. 72) 的用电量得出: 使用涂层后节约用电量33Wh /m2/ d。李峥嵘[8]等利用3种墙体材料组成15种建筑墙体模型并使用DOE-2进行了节能效果模拟，结果显示：低吸收率涂料尤其适用于热容量大的非空调建筑，热容量越大，涂料对建筑降温的效果越明显；高反射涂层适用于内外温差较小的场合,而对于保温材料则适用于内外温差较大的场合。
本文旨在模拟研究不同空调工况下，低吸收率涂料在我国南北地区的应用效果。模拟工具采用能耗模拟软件DeST，南北地区模拟地点分别选择广州及北京。

2 原理概述
太阳辐射是影响建筑室内热环境的重要因素。我国炎热地区的夏季，水平面的太阳辐射强度可高达1000W/m2，而在冬季，某些地区如北京的水平面太阳辐射强度也可以达到400W/m2，这对于室内环境来说是非常大的热扰。在寒冷的冬季，太阳辐射有利于提高室内的温度，减小采暖负荷；而在炎热的夏季，太阳辐射使室内温度显著的升高，增大空调设备的负荷。
对于不同的围护结构，太阳辐射对其的影响不尽相同。对于非透光材料，辐射量一部分会被反射掉，其余的则被围护结构吸收。对于透光材料，则还有一部分能量穿透它进入室内。不同材料对太阳辐射的吸收率不同，表面越粗糙、颜色越深，吸收率则越高，反射率越低。表1[5]为不同材料外表面对太阳辐射的吸收率a。
表1 各种材料的围护结构外表面对太阳辐射的吸收率a
材料类别
颜色
吸收率a
材料类别
颜色
吸收率a
石棉水泥板
浅
0.72~0.87
红砖墙
红
0.7~0.77
镀锌薄钢板
灰 黑
0.87
硅酸盐砖墙
青 灰
0.45
拉毛水泥面墙
米 黄
0.65
混凝土砌块
灰
0.65
水磨石
浅 灰
0.68
混凝土墙
暗 灰
0.73
外粉刷

浅
0.4
红褐陶瓦屋面
红 褐
0.65~0.74
灰瓦屋面
浅 灰
0.52
小豆石保护屋面层
浅 黑
0.65
水泥屋面
素 灰
0.74
白石子屋面

0.62
水泥瓦屋面
暗 灰
0.69
油毛毡屋面

0.86

考虑太阳辐射热量、长波辐射换热量和对流换热，日照情况下围护结构外表面单位面积得热量为：
（1）
其中： aout ¾¾ 围护结构外表面的对流换热系数，W/m2℃；
tair ¾¾ 室外空气温度，℃；
tw ¾¾ 围护结构外表面温度，℃；
a ¾¾ 围护结构外表面对太阳辐射的吸收率；
I ¾¾ 太阳辐射照度，W/m2；
QLw ¾¾ 围护结构外表面与环境的长波辐射换热量，W/m2。

低吸收率涂层的吸收率a比一般材料低很多，比如美国M.J.Trading International, Inc.提供的某种涂料添加剂，可大幅度降低一般涂料表面吸收率至0.17。所以在外壁涂有低吸收率涂料时将较大程度减少太阳辐射得热量q，从而降低室内负荷。

3 低吸收率涂层节能效果模拟计算
3.1 DeST模型介绍
为研究不同空调工况以及不同围护结构传热系数情况下，低吸收率涂料在我国南北方的应用效果，同时简化问题，本文采用的模型为长30米，宽10米的三层长方体建筑，坐北朝南，夏季室内控制温度为26℃，湿度为65%，冬季室内控制温度为16℃，湿度为50%。空调全天开启，空调季为5月1日—10月31日，共184天。建筑外墙K值分别取0.622、1.010以及1.512 W/(m2·K)。
其中低吸收率涂料的吸收率为0.17，普通吸收率涂料的吸收率为0.55。
模拟中，对于每种K值分别在如下六种工况下计算不同吸收率涂料对建筑节能效果。
表2 室内空调工况设计
工况1
无传热温差（即外温与室温一致），无内扰，无外窗，无通风，无容忍温度
工况2
在工况1基础上，增加室内外温差（室外干球温度为当地实际气象数据值）
工况3
在工况2基础上，增加外窗（K=3.1W/m2·K，SC=0.67），南、北向窗墙比为0.35，东西向窗墙比为0.1
工况4
在工况3基础上，以住宅方式增加热扰
工况5
在工况4基础上，增加室内外互通风（1次）
工况6
在工况5基础上，增加容忍温度（夏季24℃ ~ 28℃，冬季14℃~18℃）

3.2 模拟结果介绍
表3、表4为北京及广州两地各工况夏季冷负荷计算结果，图1为两地各自使用低吸收率涂料后的冷负荷节能量比较。
我们可以得到以下观点：
1）低吸收率涂料在夏季降低建筑物负荷方面有一定效果，并且在广州应用的效果要优于北京。夏季冷负荷节能量范围3.77~7.01 KWh/(m2·a)（广州）以及2.37~8.02 KWh/(m2·a)（北京）。这说明在夏季太阳辐射更强烈的地域在夏季更适合使用该类涂料。

2）在相同工况下，围护结构K值越大的建筑使用低吸收率涂料降低室内冷负荷越多。不管是北京还是广州，均在所有工况下呈现出上述规律。分析发现，围护结构K值为1.512 W/(m2·K)时的节能量比K值为0.622 W/(m2·K)时的节能量多1.2~2.9 KWh/(m2·a)，若以比例计算则为46%~64%。这说明，在使用该类涂料时应在结合当地气象参数选择最为经济的传热系数。

3）在广州地区，相比于减小传热系数而言，使用低吸收率涂料更为有效。比如，在工况５下，一栋K值为1.512W/(m2·K)，吸收率为0.55的建筑改造其围护结构材料使得Ｋ等于0.622 W/(m2·a)后，冷负荷从118.61 KWh/m2·a降到114.71 KWh/m2·a，减少量为3.9KWh/m2·a；但是如果改造为Ｋ等于1.512 W/(m2·K)，吸收率0.17，那么便可以使得冷负荷降至112.26 KWh/m2·a，减少量为4.35 KWh/m2·a，节能量相比于前一种改造多了11.5%。
不过该规律在当前所建北京模型中不适用，因为从数据可以看出，在北京地区该建筑冷负荷竟随着K值的变大而减小。这主要是由于对于当前的各种设置，建筑在夏天更需要散热而非保温。所以这也提示我们在今后做设计的时候应当仔细考虑。

4）通风量对涂料的节能量有所影响，并且该影响在北京地区更为明显。相比较于其余设置均一致但没有增加通风的工况4，工况5的节能量少了0.86 KWh/m2·a（K=0.622时）。所以假如在北京地区使用该类涂料则应做好气密性的设计，尽量减少不必要的通风量。

表 4 北京冷负荷模拟结果

K=0.622
K=1.010
K=1.512
吸收率
0.55
0.17
0.55
0.17
0.55
0.17
工况1
冷负荷
KWh/m2·a
7.41
2.29
9.38

2.90
11.60
3.59
工况2
3.96
1.59
5.01
2.11
6.26
2.69
工况3
31.71
28.08
31.15
26.61
29.93
24.44
工况4
40.66
36.64
39.78
34.71
38.41
32.27
工况5
48.06
44.90
47.94
43.93
47.18
42.32
工况6
31.53
28.26
31.69
27.67
30.84
26.06

表 4 广州冷负荷模拟结果

K=0.622
K=1.010
K=1.512
吸收率
0.55
0.17
0.55
0.17
0.55
0.17
工况1
冷负荷
KWh/m2·a
6.16
1.90
7.85
2.42
9.74
3.01
工况2
8.86
5.09
11.62
6.84
15.03
8.83
工况3
45.12
41.18
47.06
41.97
49.08
42.65
工况4
56.20
52.16
58.10
52.86
60.12
53.52
工况5
114.71
110.82
116.65
111.61
118.61
112.26
工况6
93.95
89.56

95.75
90.06
96.27
89.26

图1 低吸收率涂料夏季冷负荷节能量比较

表5、表6以及图2、图3为两地由于使用低吸收率涂料后导致的冬季热负荷增加量以及之后计算得到的全年综合节能量比较。
从计算结果可得出：
1）由于气候的原因，广州的冬季热负荷非常小，基本不需要供热。所以采用低吸收率涂料后所导致的热负荷增加量也非常小，仅为0.4~0.69 KWh/m2·a。与此相反，北京地区冬季寒冷，故热负荷较大，围护结构外表面吸收率的大幅下降导致了其冬季损失了很大一部分本可以利用的太阳辐射得热，整个供暖季为此而增加的热负荷在2.87~5.30 KWh/m2·a之间。

2）结合两地因使用低吸收率涂料而节省掉的夏季冷负荷，我们可以得到一个全年的综合节能量，它等于夏季冷负荷节能量减去冬季热负荷增加量，最终结果则可以作为评价该涂料是否适合于当地应用的指标。从图3中可以很直观地看出北京与广州两地全年综合节能量的差别。
北京出于冬季保温的基本需求，虽然夏季冷负荷节能量随这K值增大而增大，但从全年的角度来看，其综合节能量随着K值增大而迅速减小。其最大值仅有0.29 KWh/m2·a，当K值等于1.010 W/(m2·K)时综合节能量基本为零，如果K值继续增大那么综合节能量将为负值，也就是说此时使用低吸收率涂料反而增加了建筑的能耗，与之前的愿望背道而驰
相比于北京，广州从全年综合节能量来看就要理想得多，平均值可达4.56 KWh/m2·a，即12.49Wh/m2·d。从该涂料的技术手册中可知其参考价格为8~10元/㎡，在模型中应用该涂料的围护结构面积为915.6㎡,按0.7元/KWh电的电价计算，应用该类涂料的回收期为2.5~3.2年。
所以最后结论是：北京等北方冬季寒冷地区不适宜使用低吸收率涂料，而类似于广州这种冬季热负荷很小的地区则较为适合该涂料的使用。

表5 北京冬季热负荷增加量及全年综合节能量比较（工况5）

K=0.622
K=1.010
K=1.512
吸收率
0.55
0.17
增加量
0.55
0.17
增加量
0.55
0.17
增加量
热负荷KWh/(m2·a)
77.50
80.37
2.87
86.34
90.29
3.95
96.00
101.3
5.30
夏季冷负荷节能量
KWh/(m2·a)
3.16
4.00
4.86
全年综合节能量
KWh/(m2·a)
0.29
0.06
-0.45

表6 广州冬季热负荷增加量及全年综合节能量比较（工况5）

K=0.622
K=1.010
K=1.512
吸收率
0.55
0.17
增加量
0.55
0.17
增加量
0.55
0.17
增加量
热负荷KWh/(m2·a)
5.30
5.70
0.40
5.76
6.29
0.53
6.01
6.71
0.69
夏季冷负荷节能量
KWh/(m2·a)
3.89
5.04
6.35
全年综合节能量
KWh/(m2·a)
3.50
4.51
5.66

图2低吸收率涂料热负荷增加量比较 图3低吸收率涂料全年综合节能量比较
4 结论
低吸收率涂料对降低围护结构太阳辐射得热有显著的效果，但是该特性具有两面性，在冬夏季分别起
着增加和降低建筑能耗的作用，所以必须因地制宜地研究使用该类涂料的可实施性。其中比较好的方法即采用全年综合节能量作为选与不选的最初判据，然后再结合经济性分析判断是否可行。经过本文分析可以得到以下几个结论：
1）低吸收率涂料在北京等北方冬季寒冷地区的应用不理想，甚至有可能起到增加建筑能耗的反效果。而类似于广州这种冬季热负荷很小的地区则较为适合该涂料的使用，全年综合节能量平均为4.56 KWh/m2·a，回收期2.5~3.2年。
2）在广州地区，相比于减小传热系数而言，使用高吸收率涂料将更为有效的减少建筑能耗。
3）低吸收率涂料的夏季冷负荷节能量与冬季热负荷增加量均随着围护结构的传热系数增大而增大，但最终综合节能量的大小受地域、工况等因素影响较大。