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熱反射屋頂冬季能耗實測研究,為研究熱反射屋頂涂料的冬季能耗水平,中國建材網,cnprofit.com
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熱反射屋頂冬季能耗實測研究,為研究熱反射屋頂涂料的冬季能耗水平
2020年02月24日    閱讀量:92243    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

屋頂外表面直接受到周期性變化的大氣溫度和太陽輻射等自然環境因素的作用,室內溫度會產生較大的溫度波動,這不僅影響室內熱舒適度,而且對建筑能耗也有一定影響。冷屋頂技術通過涂裝高反射涂料增加屋頂對太陽輻射的反射,進而影響室內外熱環境,實現降低建筑能耗和改善城市微氣候的目標。


美國能源部已在美國多個州制定標準推廣應用冷屋頂技術,取得了良好的節能減排效果中國建材網cnprofit.com。2006 年,Levinson等在美國加州地區測試表明,熱反射涂料可以降低屋面溫度5 ~ 14 ℃,減小峰值屋面熱流13% ~ 21%。


目前我國在此方面的研究也多限于涂料各類工藝研究; 對熱反射屋頂隔熱節能的研究則多針對夏季進行實測和全年能耗模擬分析,缺乏對冬季熱反射屋頂對建筑能耗影響的研究。


因此,本研究以重慶市某棟涂裝高反射涂料的辦公建筑屋頂為對象,進行熱反射屋頂冬季能耗實測分析,為下一步測試全年熱反射屋頂的節能效果提供支撐。

 

1 實驗概況

為測試熱反射屋頂的冬季耗能水平,對重慶地區某辦公建筑屋頂進行實測,測試選取重慶某辦公建筑頂層2 間面積均為28. 8 m2 的房間作為對比測試房,兩房間朝向、圍護結構構造均相同。


其中,1#房間在原屋頂外表面涂覆熱反射隔熱涂料( 冷屋頂) ,太陽反射率0. 81,熱發射率0. 85,屋頂效果如圖1; 2# 房間屋面不做改變( 普通屋頂) ,太陽反射率0. 2,熱發射率0. 85??照{工況測試期間,房間空調均保持24 h 開啟,室內空調溫度設置為20 ℃,房間空調器參數見表1。

冷屋頂效果

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房間空調器相關參數

實測參數包括屋頂外表面溫度、屋頂內表面溫度、吊頂下表面溫度、室內空氣溫度、房間空調能耗、太陽輻射強度和室外空氣溫度,具體測點布置及測量儀器見圖2、表2。

房間測點布置圖


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測量參數及測試儀器

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根據《公共建筑節能檢測標準》( JGJ /T 177—2009) 和《地面氣象觀測規范》對溫度測試的規定與要求,分別在普通房間和冷屋頂房間中距地板1. 5 m 高度懸掛玻璃水銀溫度計,測量室內空氣溫度; 在室外無太陽直射、通風、距樓頂屋面1. 5 m 設置溫濕度自記儀,記錄室外環境溫度; 屋面及吊頂表面溫度均由雷泰Raytek ST 手持式紅外測溫儀測量,每1 h 測量記錄各點對應的溫度。


由于圍護結構存在蓄熱和放熱過程,必須待圍護結構蓄熱和放熱達到周期性穩定后,對圍護結構隔熱性能的檢測才是合理的。因此,實測連續晴好天氣的數據才能真實反映圍護結構的熱工性能。測試時間為2013 年1 月22 日至2 月2 日,共計12 d。其中,1月22—29 日期間對房間進行全天24 h空調制熱,1月30 日至2 月2 日期間,房間為非空調工況。

測試期間太陽輻射水平變化曲線如圖3 所示。

太陽輻射強度變化曲線

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2 屋面隔熱性能實測

空調工況下,24 h 室內外溫度變化曲線如圖4 所示。

空調工況下房間室內外溫度變化曲線

由圖4 可知,隨室外空氣溫度周期性波動,屋頂內外表面溫度也周期性變化,屋頂外表面溫度于下午15: 00 ~ 16: 00 達到當日峰值,但由于冷屋頂表面涂料對太陽輻射的高反射,減少了屋面輻射的熱量,故冷屋頂外表面溫度始終低于室外空氣溫度,而普通屋頂反射的太陽輻射較少,使得普通屋頂外表面溫度在12: 00 ~ 17: 00 間始終高于室外空氣溫度,同時,冷屋頂外表面溫度與普通屋頂外表面最大溫差達8. 7 ℃;由于屋頂熱慣性的存在,屋頂內表面在夜間20: 00 ~21: 00 時達到當日最大值。


同時,冷屋頂內表面溫度與普通屋頂內表面最大溫差達2. 1 ℃。而房間空調的連續運行,保證了2 個房間室內平均空氣溫度維持在0. 5 ℃溫差范圍內,但1#房間全天的室內空氣溫度基本一致,減少室氣溫度的波動,提高人體熱舒適感。

非空調工況下, 24 h 室內外溫度變化如圖5 所示。

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非空調工況下房間室內外溫度變化曲線

非空調工況下,室內空氣溫度主要受墻體內表面溫度和室內各種熱擾共同影響。而對于2 間朝向和圍護結構構造相同,具有相同熱擾的房間而言,屋面內表面溫度將直接影響室內溫度。由圖5 可知,冷屋頂內表面溫度與普通房間相比,最大溫降達2. 0 ℃,平均降低1. 2 ℃。


從而,冷屋頂具有較低的內表面溫度,因此冷屋頂房間室內溫度始終低于普通房間的室內溫度,兩者平均相差約0. 7 ℃。與室外空氣溫度波動曲線相比,屋頂墻體熱阻的作用使得屋頂內表面溫度存在一定的衰減和延遲,房間室內空氣溫度曲線于20: 00 ~ 21: 00 達到當日峰值。而屋頂采用熱反射涂料后,屋頂輻射的熱量明顯減少,從而更有利于室內溫度維持晝間穩定,增加室內熱舒適度。

 

3 空調用能分析

在空調工況下,由于兩房間空調器能效比不同,為分析熱反射屋頂能耗水平,將每天空調能耗折算到相同空調制熱能效比下進行能耗分析,2#房間空調等效能耗值按式( 1) 計算。

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其中: Q2折算—2#房間空調等效能耗值; Q2實測—2#房間空調實測能耗值; EER2—2# 房間空調制熱能效比; EER1—1#房間空調制熱能效比。根據式( 1) ,將熱反射屋頂與普通屋頂每天房間空調能耗匯總,如表3 所示。

房間空調能耗對比

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注: 1#空調能耗為考慮人員及設備后空調耗電量。

測試期間,1# 房間的人員及設備使用超過2# 房間,致使1#房間人員及設備散熱量大,降低1#房間的采暖負荷,進而減少1# 房間的空調耗電量。查找相關文獻可知,處于20 ℃的辦公室時,每個成年男子散熱量為489 kJ /h; 人體散熱量通過式( 2) 計算。

Q = φnq 式( 2)

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其中: Q—人體散熱量,kJ /h; φ—不同性質的工作場所、成年男子、成年女子和兒童的比例不同的群集系數,辦公室取0. 93; n—人數,個; q—每個成年男子的散熱量,kJ /h。同理,利用式( 3) 及表4 數據可得室內電腦和顯示器的發熱量對房間空調能耗的影響,最終1# 空調能耗見表3。


其中: Q—設備散熱量,W; si—第i 類設備臺數,臺; qsi—第i 類單臺設備散熱量,W。

辦公設備散熱量

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綜上可得,在空調工況下,熱反射涂料將太陽輻射熱反射回大氣,減少了屋頂的熱量。同時,為了維持相同的室內空氣溫度,空調器需要消耗更多的電能。1#房間平均每天空調耗能8. 09 kWh,而2# 房間平均每天空調耗能7. 7 kWh,通過以上對兩房間空調能耗對比分析可知,冬季熱反射屋頂將增加0. 014 kWh /( d·m2 ) 電耗。

 

4 結語

( 1) 熱反射屋頂在冬季的保溫性能較差。相比普通屋面,在太陽輻射強烈和室外空氣溫度較高的下午15: 00 ~ 16: 00 時,熱反射屋面外表面溫度降低達8. 7 ℃。

( 2) 冬季非空調工況下,熱反射屋頂房間內空氣溫度有所降低,但降幅在2 ℃之內; 而空調工況下,由于熱反射屋頂房間全天室內空氣溫度基本一致,人體室內熱舒適得到提高,但平均每1 m2 建筑面積空調多耗電能約0. 014 kWh /d。


高亞鋒,王志強,徐江民,湯小敏,趙凱

( 重慶大學三峽庫區生態環境教育部重點實驗室,重慶400045)


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