热反射金属屋面板材隔热性能测试方法的研究

刘顺利 刘 翼 蒋 荃（国家建筑材料测试中心，北京 100 024）

金属屋面具有良好的力学性能，优越的防水防火性能并且使用寿命长，维护性好，从而广泛应用于大型工业厂房、会展中心、体育场馆、飞机场等城市标志性建筑，并逐渐向普通建筑扩展。由于金属具有良好的导热性，在炎热的夏季大量热量经金属屋面进入建筑物内，影响室内环境的舒适性，增加建筑制冷能耗，因此，对于金属屋面而言，隔热尤为重要。金属“冷屋面”（cool metal roof）则因使用表面涂覆一层具有较高太阳反射比和半球发射率太阳热反射涂料的热反射金属屋面板材，减小屋面自身对太阳辐射的吸收，降低屋面温度与进入建筑物的热量，进而减少建筑物制冷能耗，起到隔热节能的作用，市场与应用前景广阔[1-2]。

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[3-7]，而并未关注对屋面材料隔热性能的评价。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，依然会造成热积累，与无机填料相比，隔热效果差[8]。所以仅比较太阳反射比与半球发射率则不能区分涂覆添加金属与无机填料这两类涂料热反射金属屋面板材的隔热性能；2）这两个参数较为抽象且彼此独立，难以直观地反映热反射金属屋面板材的隔热性能；3）这两个参数不能反映温湿度、自然对流等环境因素对其隔热性能的影响；4）热反射金属屋面板材所用基材一般为铝基材与钢基材，两者导热系数相差较大。这两个参数不能反映基材及涂层导热系数对其隔热性能的影响。基于此，本文通过模拟实际工况，建立较为全面的热反射金属屋面板材隔热性能的测试方法。

1 测试方法的建立

1.1 测试方法原理

图1 太阳辐射与热反射金属屋面板材能量分配示意图

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：

假设屋面板的面积为A，

故（1）式可转化为：

以上式中：ρ—太阳反射比；

I—太阳辐射强度，W/m2；

ε—半球发射率；

σ—斯蒂芬-玻耳兹曼常数；

q —传向室内的热流密度，W/m2；

hr—辐射换热系数，W/（m2·K）；

hc—对流换热系数，W/（m2·K）；

Tr—屋面温度，℃；

Tair—空气温度，℃。

由式（2）可得：

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ρ 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η：

上式中：Q 标准— 通过参比板流入测试箱的热量，J；

Q样品— 通过样品流入测试箱的热量，J；

q标准— 通过参比板传向测试箱的热流密度，W/m2；

q样品— 通过样品传向测试箱的热流密度，W/m2；

A— 测试板材面积，m2；

t1— 计量开始时间，s;

t2— 计量终止时间，s。

1.2 测试设备

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×350mm×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60～70μm。

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/m2；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0m/s 增加到1m/s 时，样品7的隔热因子急剧下降，当风速从1m/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。

图4 不同风速下样品7的隔热温差曲线（辐照度为800 W/m2；室温为23℃）

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/m2[9]，且夏季辐射明显高于冬季。因此，将辐照度确定为(800±10)W/m2。

图5 在不同辐照度下样品7的隔热温差曲线（风速为1m/s；室温为23℃）

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1m/s；

4）开启氙灯，并将到达样品表面辐照度调节至(800±10)W/m2；

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

2.1 数据处理

图6 样品7 与参比板的试验数据

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

y=-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：

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 △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。

表1 样品1-6的测试结果

对于同一种基材的热反射金属屋面板材而言，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，隔热因子是太阳反射比与半球发射率两参数的综合体现。

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。

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