趋验与ｉＡｉ，＇Ｆ 热反射金属屋面板材隔热性能测试方法的研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ 刘顺利刘翼蒋荃（国家建筑材料测试中心，北京１ ０００２４） 摘要：本文通过模拟金属屋面板材的服役环境及热平衡分析，提出了一种热反射金属屋面板材隔热性能测试方法。 该测试方法不仅能正确地反映金属冷屋面板的隔热性能，而且还弥补了利用太阳反射比与半球发射率两个参数表征其隔热 性能存在的不足。 关键词：热反射金属屋面板材；隔热性能；隔热因子；测试方法 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｂａｌａｎｃｅ ｏｆ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｌａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｒｉｇｈｔ ｒｅｆｌｅｃｔ ｃｈｅ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆ ｐｌａｔｅ ｂｕｔ ａｌｓｏ ｍａｋｅ ｕｐ ｆｏｒ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｉｎｇ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｈｅａｔ ｒｅｆｌｅｔｉｎｇ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆｐｌａｔｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌａｒ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌ ｍｅｔｌａ ｒｏｏｆｐｌａｔｅ；ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ：ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ 中图分类号：ＴＵ５５１．４；ＴＵ５０２文献标识码：Ｂ文章编号：１００３—８９６５（２０１２）０２—０００１—０５ 金属屋面具有良好的力学性能，优越的防水 造成热积累，与无机填料相比，隔热效果差旧】。 防火性能并且使用寿命长，维护性好，从而广泛 所以仅比较太阳反射比与半球发射率则不能区分 应用于大型工业厂房、会展中心、体育场馆、飞 涂覆添加金属与无机填料这两类涂料热反射金属 机场等城市标志性建筑，并逐渐向普通建筑扩展。 屋面板材的隔热性能；２）这两个参数较为抽象且 由于金属具有良好的导热性，在炎热的夏季大量 彼此独立，难以直观地反映热反射金属屋面板材 热量经金属屋面进入建筑物内，影响室内环境的 的隔热性能；３）这两个参数不能反映温湿度、自 舒适性，增加建筑制冷能耗，因此，对于金属屋 然对流等环境因素对其隔热性能的影响：４）热反 面而言，隔热尤为重要。金属“冷屋面”（ｃｏｏｌ 射金属屋面板材所用基材一般为铝基材与钢基材， ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆ）则因使用表面涂覆一层具有较高太阳 两者导热系数相差较大。这两个参数不能反映基 反射Ｉ：ＬｇＤ半球发射率太阳热反射涂料的热反射金 材及涂层导热系数对其隔热性能的影响。基于此， 属屋面板材，减小屋面自身对太阳辐射的吸收， 本文通过模拟实际工况，建立较为全面的热反射 降低屋面温度与进入建筑物的热量，进而减少建 金属屋面板材隔热性能的测试方法。 筑物制冷能耗，起到隔热节能的作用，市场与应 用前景广阔‘１－２］。 １测试方法的建立 国内外对冷屋面在建筑中实际隔热效果进行 了大量相关报道 ，而并未关注对屋面材料隔热 １．１测试方法原理 性能的评价。目前表征热反射金属屋面板材隔热 性能的参数为太阳反射比（ｓｏｌａｒ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ，简 一 Ｑ 』 Ｑ ＞ 称ＳＲ）与半球发射率（ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｅｍｉｔｔａｎｃｅ， ≥ 简称ＥＴ）。然而仅通过太阳反射比与半球发射率 二 ： 评价热反射金属屋面板材隔热性能存在以下不足： １）太阳热反射涂料主要添加一些高太阳反射比的 ｝；啊 Ｑ 室内 如金属薄片、金属粉体、珠光颜料、改性空心微 珠等填料来达到反射隔热效果；尽管金属填料具 有较高太阳反射比，但其发射率却很低，依然会 图１太阳辐射与热反射金属屋面板材能量分配示意图 植验与认证 太阳辐射照射到热反射金属屋面板材时，其 能量分配如图１所示。一部分被反射到大气中， 另一部分被热反射金属屋面板材吸收转化成热量。 该热量除了蓄存在热反射金属屋面板材外，一部 分经空气对流与二次辐射传递到室外，一部分通 过热反射金属屋面板材传递到室内。与发生在屋 面板材热交换相比，屋面板材自身蓄热较小可忽 略不计，由能量守恒定律可知： Ｑ辐照＝Ｑ反射＋Ｑ辐射＋Ｑ对流＋Ｑ室内 （１） 假设屋面板的面积为Ａ， 贝０有Ｑ辐照一Ｏ反射＝（１一ｐ）／４； Ｑ辐射＝ ，（ 一 ） ＝ （ 一 ）Ａ； Ｑ对流＝ （ 一 ） ；Ｑ室内 。 故（１）式可转化为： （１一ｐ）Ｚ＝ｑ＋ （ 一 ）＋ （ 一 ）（２） 以上式中：ｐ一太阳反射比； Ｉ一太阳辐射强度，Ｗ／ｍ ； ￡一半球发射率； ｏ一斯蒂芬一玻耳兹曼常数； ｑ一传向室内的热流密度，Ｗ／ｍ ： ｈ 辐射换热系数，Ｗ／（ｍ ・Ｋ）； ｈ 对流换热系数，Ｗ／（ｍ ・Ｋ）； Ｔ 一屋面温度，℃； Ｔａｉ 一空气温度，。Ｃ。 由式（２）可得： 孽＝（１－ｐ）Ｉ—ｈｃ 一 疳）一ｓ （ 一 ） （３） 由式（３）可知，传向室内的热流密度ｑ不仅 与屋面面层的太阳反射比９有关，还与屋面所处 具体环境参数Ｉ、ｈｒ及Ｔａｉｒ有关，所以，评价金 属屋面板材隔热性能需要明确具体环境。为使测 试结果更具直观性，选取涂覆有全吸收太阳光涂 料金属板材作为参比板。本测试方法模拟热反射 金属屋面板材的服役环境，测试在一定时间内通 过参比板与样品之间流入测试箱中热量，将两者 的差值与通过参比板流入测试箱热量的比值作为 以评价热反射金属屋面板材的隔热效果的指标。 暂将该比值定义为隔热因子Ｔ１： 打＝ 童 ： 壁些＝ｌ：！兰 ！二』：！兰苎 ＝￡ ！兰竺二 ！ 兰 ％ Ａ ｑ （４） 上式中：Ｑ标准一通过参比板流入测试箱的 ２ 热量，Ｊ： Ｑ样品一通过样品流入测试箱的热量，Ｊ； ｑ标准一通过参比板传向测试箱的热流密度， Ｗ／ｍ ： ｑ样品一通过样品传向测试箱的热流密度，Ｗ／ ｍ２： Ａ＿一测试板材面积，ｍ ： ｔ，一计量开始时间，ｓ： ｔ，一计量终止时间，Ｓ。 １．２测试设备 １一氙灯２一样品 ３一热流密度传感器４一测试箱 ５一风速传感器６一风机７一空气温度传感器 图２热反射金属屋面板材隔热性能测试仪 根据测试原理，本课题组研发了热反射金属 屋面板材隔热性能测试仪，如图２所示。该设 备选用氙灯作为模拟光源；用带导流罩的轴流风 机模拟自然对流：用聚苯夹芯板制成内腔尺寸为 ３５０ｍｍ Ｘ ３５０ｍｍ Ｘ ３５０ｍｍ的测试箱以模拟房屋。 测试时，将背面粘有热流密度传感器的测试 样品放置于测试箱上并密封，开启氙灯与风机， 调至试验所要求的参数值，记录测试时间与通过 样品传向测试箱的热流密度。 １．３实验参数的确定 依据上面的分析可知，影响金属冷屋面隔热 性能的自然环境因素为：太阳辐照度，风速及空 气温度。下面将依据具体实验结果确定这些因素 的大小。 １．３．１参比板 选用涂覆黑色全吸热涂料的铝板材作为参比 板，其太阳反射比为０．０１、半球发射率为０．８３， 基材厚度为１．５ｍｍ，涂层厚度为６０～７０ ｕ ｍ。 １．３．２试验环境温度 自然界中的空气对流的温度势必会影响到热 反射金属屋面板材实际隔热效果。在一定辐照度 下，对流空气的温度越高，增加了热量的传递， 势必减弱热反射金属屋面板的隔热效果；相反， 温度较低的对流空气将增加热反射金属屋面的隔 热效果。图３显示了样品７在不同空气温度下隔 热因子的变化。由图３可以看出，随着温度的升高， 样品７隔热因子呈下降趋势，但变化并不明显。 考虑到实验室环境温度，将室温定为（２３±１）℃。 图３不同空气温度下样品７的隔热因子曲线 （辐照度为８００ Ｗ／ｍ ；风速为１ｍ／ｓ） １．３．３风速 图４显示了不同风速下样品的隔热因子的变 化。当风速从Ｏｍ／ｓ增加到１ ｍ／ｓ时，样品７的隔 热因子急剧下降，当风速从１ ｍ／Ｓ增加到３ｍ／Ｓ时， 样品７的隔热因子无明显变化，依据测试结果及 实际自然对流情况，确定试验风速为１ｍ／ｓ。 ０ ３１Ｏ ０３噼 ０ ３００ 兰 差。髓－ ０ ０ ２聃 图 （辐照度为８０下样品７０ Ｗ／ｍ２；室温为２３。 怒温姜 线 Ｃ） 趋验与ｉＡｉｉＥ １．３．４辐照度 图５反映了样品在不同辐照强度下隔热因子 的变化，随着辐照度的增强，样品的隔热因子呈 现缓慢下降趋势。考虑到热反射金属屋面板材主 要应用于我国南方地区。根据有关资料，南方地 区的年均辐照度在６００—８３０Ｗ／ｍ 旧 ，且夏季辐射 明显高于冬季。因此，将辐照度确定为（８００士１ ０） Ｗ／ｍ 。 霹一霉篷 蜥 ㈣ ㈣ 潍 ５∞ ６５０ ７∞ 如 ８０Ｏ 辖照塞 ｍ 图５在不同辐照度下样品７的隔热温差曲线 （风速为ｌｍ／ｓ；室温为２３。Ｃ） １．４实验步骤 根据所确定的实验参数，确定本测试方法的 步骤： １）将实验室温度与测温箱内空气温度调节到 （２３±１）℃，相对湿度调节到５０％±５％： ２）在参比板背面连接热流密度传感器并安装 在计量箱上方测试口并密封； ３）开启轴流风机并调节风速至１ ｍ／ｓ： ４）开启氙灯，并将到达样品表面辐照度调节 至（８００±１０）Ｗ／ｍ ： ５）记录时间及热流密度： ６）将参比板换成测试样品，重复上述步骤。 ２数据处理与讨论 ２．一１数据处理 一 ～一 ３ 植验与认ｉ正 一＿■瞄豳 Ｅ， 蔓棼嚣摹 阳 ∞ ∞ 柏 ∞ ∞ 竹 Ｏ ｏ １０ ２ｅ如舶５ｏ ８０阳Ｂｏ ９０伯ｏ，１ｏ １２ｏ １３。 时闽ｆ 沛 （ａ） ｏ １ｏ ２０ ３０ ４０ ５。∞７０ ８０ ９０ １ｏｏ”０ １２ｏ １３０ 对霉／ｍｍ （ｂ） 图６样品７与参比板的试验数据 （ａ）参比板； （ｂ）样品７ 以样品７的实验数据为例来说明本测试方法 对实验数据的处理过程。图６显示了样品７与参 比板按照上述实验步骤测得实验数据。从图６可 以看出，无论是参比板还是样品７在试验开始 前２０ｍｉｎ内形成一个峰，在２０ｍｉｎ后达到稳态 后呈接近线性的缓慢下降趋势。这是因为氙灯启 动后测试板材的样品表面温度迅速升高，测试箱 中温度缓慢升高，使得热流密度传感器两面形成 很大的温差，而热流密度传感器是通过测试传感 器两表面之间的温差来测定热流密度的大小，因 此在前２０ｍｉｎ内形成一个峰：随着试验的进行， 样板表面温度趋于稳定，测试箱内空气温度则逐 渐升高，使得热流密度两面温差减小，所以，在 ２０ｍｉｎ后呈现缓慢下降的趋势。因而对实验数据 进行处理的时候，需要去除试验开始前２０ｍｉｎ内 的数据。在２０ｍｉｎ～１３０ｍｉｎ时间段，不难看出， 通过样品７与参比板的热流密度与时间呈线性关 ４ Ｅ；最一茧嚣霉 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 协 ０ 系，对其进行线性拟合。所得拟合曲线分别为 １）参比板 ｙ＝－０．０８３Ｘ＋４７．６９ Ｒ２＝０．９０８； ２）样品７ Ｖ＝一０．０５３Ｘ＋３．３．２４ Ｒ２＝０．８６９。 根据公式４，即可计算出样品７隔热因子 ＂＝ 垒 二 燮曼 ＃ ，。＋ｑ￣，１３ｏ）ｘｌ１０ｘＡ ｂ ， ＋ｇ ∞ｏ）×ｌｌ０×Ａ ＝：———————————－————－— ：— ————————————————————— ｔ——————－—————— ！————————————————一 ￥ ，口＋ｇ＃比Ｉ Ｉ３０）×１１０ｘＡ ２ ：！童 二！壁 ：！：０．２８９ ｇ参比．， ２．２讨论 根据本测试方法，对６组样品隔热因子及试 验前后测试箱中空气温度差值进行测试，测试结 果如表１所示。 依据热力学公式Ｑ吸收＝ｃｍ Ａ Ｔ可知，对 于初始温度与体积均相同的空气而言，温差越大， 其吸收的热量越多。就测试箱中的空气而言，其 吸收的热量即为通过测试板材传递到测试箱中的 热量。从表１可直观看出，样品１～５试验前后测 试箱温度差值逐次减小，这说明其隔热性能依次 升高，而隔热因子也相应依次增大。这表明该测 试方法所测得的隔热因子能正确地反映测试样品 的隔热性能。 由表１不难看出，隔热因子能够直观地反映 样品隔热的程度，依据该参数能够容易地辨别出 不同产品隔热性能的优劣。样品５涂覆的太阳热 反射涂料功能性填料为金属粉体，样品６涂覆的 太阳热反射涂料功能性填料为陶瓷中空微珠。比 较样品５与６隔热性能，若采用太阳反射比与半 球发射率两参数则难以进行比较；而采用隔热因 子能轻易得出样品５的隔热性能优于样品６的结 论。 该测试方法模拟了太阳辐射、空气温度及风 等环境因素，能够真实反映出热反射金属屋面板 材在实际使用中的隔热效果。此外，该测试方法 通过测试流过参比板与样品之间热量比来表征热 检验与ｉＡｉｔ 囊＿一 ＿ 表１样品１—６的测试结果 样品编号 １ ２ ３ ４ 太阳反射比 Ｏ３２ ．半球发射率 Ｏ ８７ Ｏ ８８ ０．８７ ０．８９ 隔热因子 ０．０２８ ０１９Ｏ ．△Ｔ／℃ １１ ９ ７ ７ ５ ６ ０ ５８ ０．６９ Ｏ．７５ Ｏ．２４７ Ｏｌ２５１ ０ ８５ ５ ０．８６ ６ Ｏ．８８ ０．３４８ ０．８７ ０．２７９ 注：Ａ Ｔ为试验前后测试箱中空气温度的差值。 反射金属屋面板材的隔热性能，因此对于采用不 同基材及不同导热系数涂层的样品，其综合隔热 性能均能得以反映。 对于同一种基材的热反射金属屋面板材而言， Ｓｐｅｃｉｌｆｉｆｅｒ，２００６，５９（１２）：８２—９２． 【３】Ｊ．Ｈ．Ｊｏ，Ｊ．Ｄ．Ｃａｒｌｓｏｎ，Ｊ．Ｓ．Ｇｏｌｄｅｎ，Ｈ．Ｂｒｙａｎ．Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｓｏｌａｒ ｒｅｌｆｅｃｔｉｖｅ ｒｏｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［ｊ］． Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２０１０，４５：４５３—４６０． 太阳反射比与半球发射率能够揭示其与普通金属 屋面板材相比具有隔热节能性能的原因，而隔热 因子则能够全面直观显示出其隔热节能的效果， 弥补了两者在表征热反射金属屋面板材上的不足。 从式（３）与式（４）可发现，实际上，隔热因子 ［４】Ａ．Ｓｙｎｎｅｆａ，Ｍ．Ｓａｎｔａｍｏｕｒｉｓ，Ｈ．Ａｋｂａｒｉ．Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｃｏｏｌ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｌｏａｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｍｆｏｒｔ ｉｎ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉｌａ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｉｌｍａｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，２００７，３９：１１６７—１１７４． 是太阳反射比与半球发射率两参数的综合体现。 ［５】Ｒｏｎｎｅｎ Ｌｅｖｉｎｓｏｎ，Ｈａｓｈｅｍ Ａｋｂａｉｒ．Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ｏｆ ｃｏｏｌ ｒｏｏｆｓ ｏｎ ｃｏｍｍｅｒｃｉｌ ａｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ，ｓａｖｉｎｇ ３结论 本测试方法能够正确全面地反映出热反射金 属屋面板材在具体环境中隔热效果：对于采用不 同基材及不同导热系数涂层的样品，可测试其综 ｍｏｎｅｙ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｇａｓｅｓ ａｎｄ ａｉｒ ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ．Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，２０１０，３：ｆ５３—１０９． ［６］Ｄａｎｎｙ ｓ．Ｐａｒｋｅｒ，Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｆ．ＢａｒｋａｓｚＵｒ．Ｒｏｏｆ ｓｏｌａｒ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｕｓｅ：ｉｅｌｄ ｒｅｓｆｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｆｒｏｍ Ｆｌｏｒｉｄａ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，１９９７，２５：１０５—１ １５． 合隔热性能；所提出的隔热因子是太阳反射比与 半球发射率两参数的综合体现，弥补了两参数在 表征热反射金属屋面板材隔热性能的不足；依据 隔热因子的大小，能够轻易分辨出不同热反射金 属屋面板材隔热性能的优劣。这对于建筑节能选 材而言具有十分重要意义。 参考文献 【１】Ｌｅｅ Ｓｈｏｅｍａｋｅｒ．Ｗ．ｃｏｏｌ ｍｅｔｌａ ｒｏｏｆｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｌｏｎｇ— 【７】沈辉，谭洪卫．太阳热反射涂料在夏热冬暖地区 厂房房顶的使用效果研究卟建筑科学，２００９，２９（３）： ４９－５３． ［８】徐梦漪，王鹏，皮丕辉，文秀芳，蔡智奇，程江， 杨卓如．隔热预涂金属卷材涂料的进展Ⅱ１．化工新型材料， ２０１０，３８，３：４４－４７． 【９］中国新能源与可再生能源１９９９白皮书ｌＭ］．北京： 中国计划出版社出版，２０００． ｔｅｒｍ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｅｒ，２００３，５８（８）：６４—６９． ［２】Ｋｒｉｎｅｒ，Ｓｃｏｔｔ．ｃｏｏｌ ｍｅｔａｌ ｒｏｏｆｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ５
