1 引言

冷屋面（Cool Roof）概念最早產(chǎn)生于美國(guó)，是指通過提高材料表面的太陽(yáng)光反射比和熱輻射率，減少太陽(yáng)輻射熱吸收，從而在夏季陽(yáng)光下保持較低溫度的建筑屋面。在美國(guó)，多項(xiàng)研究及測(cè)量證實(shí)：夏季氣候溫暖地區(qū)，建筑物使用冷屋面后高峰期用電需求降低了 10%~30%，除減少建筑物夏季空調(diào)能耗，由于冷屋面表面溫度低，還能夠減少對(duì)室外空間的熱傳遞，進(jìn)而降低城市建筑密集區(qū)空氣溫度、營(yíng)造舒適的外部環(huán)境，減緩城市熱島效應(yīng)?^[1]。

冷屋面材料及產(chǎn)品涉及金屬屋面產(chǎn)品、涂料產(chǎn)品、防水卷材、改性瀝青瓦、混凝土瓦等，由于具有反射太陽(yáng)熱輻射的功能，也常被稱為熱反射涂料、熱反射瓦、熱反射金屬屋面板等。近 10年，冷屋面產(chǎn)品在美國(guó)得以越來越廣泛地應(yīng)用。美國(guó)能源部能源之星（EnergyStar）和美國(guó)冷屋面評(píng)級(jí)理事會(huì)（Cool Roof Rating Council，簡(jiǎn)稱CRRC）先后開展了冷屋面熱性能評(píng)級(jí)和標(biāo)識(shí)工作，冷屋面日益得到政府和企業(yè)的支持并逐漸在建筑法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中得到認(rèn)可。

近年來隨著我國(guó)節(jié)能減排工作的快速發(fā)展，建筑整體節(jié)能效果越來越受到國(guó)家、政府乃至整個(gè)社會(huì)的高度重視。相關(guān)的建筑節(jié)能法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程相繼出臺(tái)。為了適應(yīng)新形勢(shì)下的市場(chǎng)需要，一些冷屋面產(chǎn)品如熱反射涂料、熱反射防水膜、熱反射金屬裝飾板等節(jié)能材料相繼出現(xiàn)，尤其是太陽(yáng)熱反射涂料，因其施工便捷、造價(jià)低廉、反射隔熱效果顯著，已應(yīng)用于多類建筑工程中。多項(xiàng)研究?^[2][3][4]及實(shí)踐表明，熱反射涂料對(duì)夏熱冬暖地區(qū)建筑屋面和外墻隔熱效果有明顯的作用，節(jié)能效果顯著，可單獨(dú)作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱措施；夏熱冬冷地區(qū)，視冬夏季日照量變化，有一定的隔熱節(jié)能效果，可配合適當(dāng)?shù)谋叵到y(tǒng)作為外圍護(hù)保溫隔熱措施使用^?[5]。

在我國(guó)寒冷地區(qū)的一些城市，夏季太陽(yáng)輻射非常強(qiáng)烈，天氣亦較為炎熱，然而關(guān)于冷屋面技術(shù)在寒冷地區(qū)建筑的應(yīng)用方面卻少有研究。本文以北京為例，通過對(duì)比性建筑的溫度監(jiān)測(cè)和空調(diào)耗電量監(jiān)測(cè)，結(jié)合理論分析，研究寒冷地區(qū)夏季反射隔熱屋面的隔熱節(jié)能效果，探討冷屋面在寒冷地區(qū)應(yīng)用的可能性。

2 理論分析

根據(jù)傳熱學(xué)理論，夏季屋面溫差熱負(fù)荷為?^[2]：

式中：K 為屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(㎡K);

FW 為屋面面積，㎡；

tei 為室外空氣溫度，K；

ρ 為屋面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比，與太陽(yáng)反射比 r 的關(guān)系為 ρ+r=1；

Ii 為水平表面太陽(yáng)輻照度，W/㎡；

α_e?為外表面換熱系數(shù)；

t₀為室內(nèi)溫度。

通過以上公式可知，在外界條件（包括太陽(yáng)輻照度以及室外氣溫）一定時(shí)，若要減少建筑屋面的熱負(fù)荷，可采取降低屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、減少室內(nèi)外溫差、提高屋面的太陽(yáng)反射比等節(jié)能措施。

式中的 tei+ρIi/αe 為室外空氣綜合溫度，反映了氣溫和太陽(yáng)輻射對(duì)建筑屋面的綜合作用。ρIi/αe 考慮了太陽(yáng)熱輻射的影響，冷屋面具有較高的太陽(yáng)反射比即低的太陽(yáng)吸收比，可降低室外空氣綜合溫度、減少屋面得熱，在夏季，可減少室內(nèi)空調(diào)的電耗，起到節(jié)約能源的作用。當(dāng)屋面受到強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射時(shí)，太陽(yáng)輻照度 Ii 較室外空氣對(duì)室外綜合溫度的影響更大，此時(shí)屋面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比顯得尤為重要。因此，夏季，在具有高太陽(yáng)輻射的地區(qū)，冷屋面技術(shù)對(duì)于建筑節(jié)能具有現(xiàn)實(shí)意義。

北京雖然地處寒冷地區(qū)，但由于空氣濕度相對(duì)較低，夏季到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度反而高于夏熱冬暖地區(qū)的廣州、福州等城市。夏季北京地區(qū)垂直太陽(yáng)輻射日總量可達(dá) 8200W/㎡ 左右，白天最高輻射強(qiáng)度近 1000 W/㎡，而廣州的數(shù)據(jù)分別為 7462 W/㎡和 962 W/㎡ 左右，因此理論上講，在夏季的北京，冷屋面可以起到改善室內(nèi)熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)電耗的作用。

3 實(shí)地測(cè)試

為了驗(yàn)證夏季冷屋面在北京地區(qū)的實(shí)際隔熱節(jié)能效果，本研究選取了位于北京東郊某磚混結(jié)構(gòu)連體平房作為測(cè)試對(duì)象。選取位于整排房屋中央的相鄰的 2 間作為試驗(yàn)房，試驗(yàn)房南北朝向，屋內(nèi)面積 24㎡，室內(nèi)凈高 3.2m，屋面為平頂。

2 間試驗(yàn)房圍護(hù)結(jié)構(gòu)做法、鄰室情況、采光等條件完全相同，具備充分的可比性。試驗(yàn)房屋面為平屋面，從下至上依次為：內(nèi)飾面層、15mm 找平砂漿、130mm 厚預(yù)制圓孔樓板、150mm 焦渣保溫層、SBS 防水卷材。

為了此次冷屋面測(cè)試，在 SBS 防水卷材上澆注 20mm 找平砂漿，再刮涂耐水膩?zhàn)樱瑑蓚€(gè)試驗(yàn)房屋面最外層分別輥涂熱反射涂料（太陽(yáng)反射比為 0.80）和與之對(duì)比的普通涂料（太陽(yáng)反射比為0.20），以下分別稱冷屋面和普通屋面。

屋面結(jié)構(gòu)見圖 1。

圖1? 試驗(yàn)房屋面結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)房屋面涂裝后如圖 2 所示，淺色為冷屋面，深色為普通屋面。

圖2? 試驗(yàn)房屋面

試驗(yàn)房室內(nèi)有少量辦公家具和實(shí)驗(yàn)器具；兩間試驗(yàn)房同一位置安裝型號(hào)相同的空調(diào)。

2011 年 7 月 26 日至 8 月 29 日，對(duì)冷屋面試驗(yàn)房和普通屋面試驗(yàn)房進(jìn)行了為期一個(gè)月的連續(xù)測(cè)試。試驗(yàn)分為 3 個(gè)階段進(jìn)行，第 1 階段：7月 26 日至 8 月 7 日，測(cè)試內(nèi)容包括屋面內(nèi)外表面溫度、室內(nèi)外空氣溫度、水平面太陽(yáng)輻照度和空調(diào)耗電量測(cè)試，空調(diào)設(shè)置溫度為 26℃，試驗(yàn)期間關(guān)閉門窗。結(jié)束后清洗室外機(jī)。第 2 階段：8月 13 至 8 月 26 日，為了消除空調(diào)器能效比可能不同的影響，交換屋面（原熱反射涂料上輥涂灰色外墻涂料，原灰色涂料上輥涂白色熱反射涂料），重復(fù)上述測(cè)試。第 3 階段：8 月 27 日 ~8 月 29 日，關(guān)閉空調(diào)，進(jìn)行屋內(nèi)舒適度試驗(yàn)。

整個(gè)測(cè)試期間，白天平均氣溫 26~34℃，室外最高溫度基本在 30℃以上，晴天和多云間陰為主，偶爾雨天。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

以天氣晴朗、分屬 1、2 階段的 7 月 26 日和8 月 20 日為例，分析普通屋面和冷屋面溫度變化以及空調(diào)耗電量的差異。

測(cè)試結(jié)果如圖 3~ 圖 6 所示：

圖3? ?7月31日溫度測(cè)試結(jié)果

圖4?? 7月31日輻照度測(cè)試結(jié)果

圖5?? 8月20日溫度測(cè)試結(jié)果

圖6? ? 8月20日輻照度測(cè)試結(jié)果

冷屋面和普通屋面測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表 1 和表2

表1? ?7月31日測(cè)試結(jié)果對(duì)比

夏季晴朗天氣時(shí)，普通屋面外表面溫度可高達(dá)將近 60℃，而刷涂了熱反射涂料的冷屋面最高溫度只有 40℃左右，與室外最高氣溫接近。普通屋面與冷屋面外表面平均溫差差 7~8℃，最高溫16度差值在可達(dá) 17℃以上；內(nèi)表面溫度兩者相差3℃左右，最高溫度差值將近 6℃，冷屋面隔熱作用非常明顯。

表2?? 8月20日測(cè)試結(jié)果對(duì)比

白天，屋面外表面溫度變化與太陽(yáng)輻照強(qiáng)度的變化是一致的，屋面溫度曲線，尤其是普通屋面溫度曲線與輻照強(qiáng)度曲線相似，反映了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度直接影響著屋面的室外綜合溫度，證實(shí)了上述的理論分析。

與屋面外表面溫度和室外氣溫不同，屋面內(nèi)表面溫度波峰出現(xiàn)在傍晚 7、8 點(diǎn)的時(shí)候，這是由于重質(zhì)屋面的熱惰性較大，導(dǎo)致屋面內(nèi)表面溫度變化產(chǎn)生滯后的效應(yīng)，延遲的時(shí)間有 5、6 個(gè)小時(shí)。

由于冷屋面強(qiáng)烈的熱反射作用，其屋面得熱面小，因此內(nèi)表面溫度低于普通屋面的內(nèi)表面溫度，減少了屋面向室內(nèi)輻射的熱量，從而使空調(diào)日耗電量降低 2~3 度，節(jié)電量可達(dá) 30% 以上，7 月31 日達(dá)到了 48%，節(jié)能效果顯著。

為了考察冷屋面對(duì)室內(nèi)舒適度的影響，8 月27~8 月 29 日，關(guān)閉空調(diào)，測(cè)量屋面內(nèi)外表面溫度以及室內(nèi)溫度，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)入試驗(yàn)房?jī)?nèi)感受熱環(huán)境及舒適度。8 月 28 日測(cè)試結(jié)果見圖 7、圖 8 和表 3。

圖7? ?8月8日溫度測(cè)試結(jié)果

圖8? ?8月28日輻照度測(cè)試結(jié)果

表3?? 8月28日測(cè)試結(jié)果對(duì)比

測(cè)得冷屋面與普通屋面內(nèi)表面溫度最大相差 5.6℃，平均相差 3.2℃；室內(nèi)氣溫差值最大2℃。在溫度最高時(shí)的傍晚，工作人員在兩間試驗(yàn)房?jī)?nèi)能夠感覺到溫度的差異，在冷屋面試驗(yàn)房?jī)?nèi)具有較好的舒適度。8 月 28 日已屬于夏末秋初，與盛夏相比，室外溫度和太陽(yáng)輻照度都有所降低，白天最高溫度 33.3 度，最大太陽(yáng)輻照度為 561W/㎡。可以預(yù)見，如果在炎熱的盛夏，冷屋面可明顯改善室內(nèi)熱環(huán)境，增加體感舒適度。

圖 9 和圖 10 是整個(gè)第一階段連續(xù)測(cè)試結(jié)果。

試驗(yàn)房屋面內(nèi)外表面溫度隨著日夜交替呈現(xiàn)周期性變化，白天屋面外表面溫度走勢(shì)與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一致；冷屋面內(nèi)外表面溫度始終低于普通屋面內(nèi)外表面溫度；普通屋面和冷屋面表面之間的溫差（以下簡(jiǎn)稱溫差）亦呈現(xiàn)周期性變化，太陽(yáng)輻照強(qiáng)度越大，溫差也越大。隨著時(shí)間的推移，白天總的輻照強(qiáng)度慢慢變小，溫差也隨之變小。另外，屋面污染程度也直接影響著屋面外表面的溫差，污染越重，溫差越小。7 月 29 日北京下了一場(chǎng)大雨，經(jīng)過雨水的沖刷，冷屋面表面灰塵減少，因此 7 月 30 日又呈現(xiàn)了較高的溫差（外表面溫差最大 10℃），隨后，最大溫差又慢慢呈降低態(tài)勢(shì)。

測(cè)試期間，兩間試驗(yàn)房耗電量及冷屋面試驗(yàn)房節(jié)電量隨天氣情況變化有所波動(dòng)，每天的節(jié)電量在 20%~50% 之間，總節(jié)電量和日最高節(jié)電量如表 4 所示。由此可見，夏季北京地區(qū)，冷屋面可降低建筑、尤其是頂層的冷負(fù)荷，起到節(jié)能減排作用。

表4? ?空調(diào)電耗對(duì)比

圖9? ?冷屋面與普通屋面溫差測(cè)試結(jié)果

圖10? ?輻照度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

理論分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證都表明：在北京地區(qū)，冷屋面在夏季能夠起到反射隔熱、減少屋面熱負(fù)荷、改善室內(nèi)熱環(huán)境的作用，從而可以降低空調(diào)電耗，具有明顯的節(jié)能效果。其峰值冷負(fù)荷可降低 45% 左右，夏季累計(jì)冷負(fù)荷減少 30% 左右。

以北京為代表的一些北方城市，雖然地處寒冷地區(qū)，但是夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、天氣炎熱，因此冷屋面技術(shù)可以有選擇地應(yīng)用于一些特定的建筑，如糧食儲(chǔ)備庫(kù)、移動(dòng)基站設(shè)備房等。

在寒冷地區(qū)，冷屋面在冬季會(huì)增加建筑的采暖能耗，因此尚需對(duì)整個(gè)年度的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)于冷屋面應(yīng)用于寒冷地區(qū)建筑的總體節(jié)能效果，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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文章來源：期刊《中國(guó)建材科技 2014 年第1期》