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反射隔热涂料热工计算方法的研究

信息来源:paintkey.com  时间:2011-11-10  浏览次数:278

  摘要:反射隔热涂料在夏热冬冷和夏热冬暖地区已有很多应用。试验证明,在屋面和外墙表面使用隔热涂料可以在夏季有效降低内表面温度,提高室内舒适度,降低空调耗电量。将有效传热系数法应用于反射隔热涂料的热工计算,该方法不仅考虑了太阳辐射吸收系数、半球发射率等重要参数,还充分考虑了当地气候状况的影响。针对武汉地区某实际项目,采用有效传热系数法对反射隔热涂料的传热性能进行了计算分析,结果表明该方法可以体现反射隔热涂料对墙体传热性能的影响,是较为科学合理的隔热涂料热工计算解决方案。
  关键词:反射隔热涂料;太阳辐射吸收系数;半球发射率;有效传热系数
  0引言
  反射隔热涂料的研究可追溯到20世纪70年代,美国Call等人[1]提出利用填料的反射和辐射特点进行保温,改变了传统的只利用保温涂层进行隔热的做法。近些年来,国内外对反射隔热涂料分别从材料、颜色、性能等多个方面进行研究,研究成果已被广泛应用于建筑、石油、运输、造船工业、军工、航天等多个行业,在我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区应用较多。对于反射隔热涂料对墙体的传热性能的影响以往多是从试验测试角度来研究,本文将根据传热学原理采用有效传热系数法来进行计算讨论。
  1概述
  反射隔热涂料是利用由树脂、金属或者金属氧化物组成的颜料涂料通过大量反射太阳光,减少建筑得热的一种建筑隔热涂料。太阳的辐射光谱可分为:紫外区0.2~0.4μm,占太阳能量的5%;可见光区0.4~0.72μm,占太阳能量的45%;近红外区0.72~2.5μm,占太阳能量的50%。所以,反射隔热涂料在0.4~1.8μm波长范围内对太阳辐射的反射率越高,涂层的隔热降温效果就会越好。
  近年来,外墙隔热受到重视。建筑隔热涂料也开始从内墙隔热保温向外墙转变。国外关于反射隔热涂料的研究比较多,比如N.M.Nahar[2]等指出涂有反射涂层的测试室内的温度比未涂反射层的测试室内的温度低得多;Joseph[3]等在小型建筑物表面涂刷隔热涂料以对其进行评价,并且综合讨论了风速和湿度等影响因素。国内反射隔热涂料的研究报道也很多,刘先春[4]以改性丙烯酸醇酸树脂为主要成膜物质,配合使用颜料、溶剂和助剂等表面隔热涂料,制成的涂料具有优异的物理化学性能和极强的亮度,对太阳辐射热的反射率高,可以明显降低房屋表面的温度。郭年华[5]研制了聚氨酯改性高氯化聚乙烯反射涂料,其试验结果表明,涂料的热反射率与面漆所用的基料以及颜填料等都有关,指出涂料的热反射率与面漆所用的基料、颜填料的折光系数、颜填料的粒径、纯度、膜厚以及PVC值都有很大的关系。
  由于涂料在围护结构上的厚度一般为0.2~0.3mm,本身的热阻很小,相对于整个围护结构的热阻可以忽略不计,所以本文将从隔热涂料与围护结构综合传热系数这一角度来讨论。
  2热工计算方法
  2.1有效传热系数的定义
  根据传热学定义,传热系数在数值上等于冷热流体间温压为1℃、传热面积为1m2时的热流量,是表征传热过程强烈程度的标尺。围护结构在进行实际的传热过程中,不仅存在两侧空气温差引起的热损失qte-ti,还存在由太阳辐射得热qsol和天空辐射的热损失qs。围护结构的净热损失qnet为这三部分的代数和,即qnet=qte-ti+qsol-qs。有效传热系数定义为:在单位空气温差情况下,单位面积在单位时间内的净热损,即Keff=qnet/(te-ti)。qsol和qs不易直接获得,可通过计算太阳辐射和天空辐射修正系数εR,然后用εR乘以常规方法计算出的传热系数K后获得,即Keff=εR·K。
  2.2有效传热系数的计算式
  国内最初将有效传热系数法应用在对冬季采暖地区的建筑耗热量估算上[6],由于其简易直观且便于应用的特点,被我国第一部《民用建筑节能设计准则》采用。JGJ26-95《民用建筑节能设计标准》和武汉市WBT-1-9-2000《居住建筑节能设计技术规定》沿袭了这一计算方法的基本计算原理。下面对有效传热系数的计算方法进行整理。
  首先,根据传热学定义,有效传热系数为:
  Keff=[K(ti-te+ts.eq-tsol.eq)]/(ti-te)(1)
  式中:K为传热系数,W/(m2·K);
  ti为室内干球温度,℃;
  te为室外干球温度,℃;
  ts.eq为天空辐射当量温度,℃;
  tsol.eq太阳辐射当量温度,℃。
  由Keff=εi·K得:
  εR=1+(ts.eq-tsol.eq)/(ti-te)(2)
  上式中ts.eq和tsol.eq的计算方法如下:
  tsol.eq=ρ·IH/αe(3)
  式中:ρ为外表面的太阳辐射吸收系数;
  IH为水平面上的太阳辐射照度,W/m2;
  αe为外表面对流换热系数,W/(m2·K)。
  ts.eq=(αer/αe)(te-ts)(1-CH·H-CM·M)(4)
  式中:αer为辐射换热系数,W/(m2·K);
  ts为当量天空温度,℃;
  CH为低云量修正系数;
  H为低云量昼夜平均值;
  CM为中云量修正系数;
  M为中云量昼夜平均值。
  根据上列公式可以计算出围护结构(屋顶、外墙)的有效传热系数,其中对于外墙的修正系数εW,由于外墙通常受到邻近建筑物和树木的遮挡,使得对天空的辐射热损失大大减少;同时,邻近建筑物和地面的辐射太阳热却使他们的太阳辐射得热有所增加,故不考虑天空的辐射热损失,即ts.eq=0℃。
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