回归反射材料对板房热性能影响研究

齐 全李元昊殷结峰孟 曦

（1.西安热工研究院有限公司 西安 710000；2.四川农业大学 成都 610065）

回归反射材料对板房热性能影响研究

齐 全1李元昊1殷结峰1孟 曦2

（1.西安热工研究院有限公司 西安 710000；2.四川农业大学 成都 610065）

由于板房围护结构低热惰性，室内热环境恶劣，严重影响居住者的人体健康；尤其当高太阳辐射时，室内空气和墙体内表面温度快速上升，降低板房辐射得热成为改善室内热环境一个重要途径。建立两个板房模型，其中一个板房复合回归反射材料，对比分析回归反射材料对室内热环境改善的影响。研究表明复合回归反射材料使得板房内气温降低超过7℃，板房内表面最高温度降低接近10℃，室内作用温度降低6～10℃，表明回归反射材料可以显著提高板房内部热环境。同时研究还表明板房顶部、南外墙和东外墙复合回归反射材料效果最显著。

回归反射材料；室内热环境；板房

0 前言

板房是一种重量轻、搭建快捷、运输方便的超薄围护结构建筑，非常适合需要经常变换作业场所和因突发灾害导致暂时失去居所的人群居住[1]。在2008年汶川地震之后，全省共修建62.5万套板房作为灾民的过度安置房。图1给出了汶川地震中板房过渡安置点。在永久性住宅完工之前，受灾居民必须在板房中居住2～3年，但是由于板房围护结构的低热惰性，室内热环境恶劣，受灾人民无论是身体上和心理上受到创生，不利于受灾群众尽量抚平创伤，恢复生产活动[2]。王涛等[3]对2008年汶川震后灾区的救灾帐篷现场测试和调研。得出夏季帐篷室内均温可达40℃，含湿量达到18g/kg，热舒适性非常差；且太阳辐射严重影响室内热环境，使得夏季室内空气温度远高于室外温度，因此降低太阳辐射对于改善板房内热环境意义重大[4]。然而，常规的反射材料可通过镜面反射或漫反射降低目标建筑得热，但是其难以降低板房过渡安置点板房群得热量，被镜面反射或漫反射热量会增加其他建筑得光污染。而回归反射材料的回归特性恰好克服该问题，回归反射材料是一种可将入射光沿入射方向反射回去的特殊材料[5]。因此回归反射材料不但降低目标建筑得热量，而且不会增加其他建筑得热量。同时回归反射材料厚度仅为1mm，完全不影响板房的轻质、便利等特点。目前，对于常规反射材料研究较为成熟，Synnefa等[6,7]研究常规反射材料对城市热环境、建筑节能以及室内舒适度的影响，同时对常规反射材料做了很好的综述。而关于回归反射材料的研究目前仍然非常缺乏[8]，尤其是将回归反射材料真正的用于建筑应用研究[9-12]。本文建立两个板房模型，其中一个板房复合回归反射材料，实验测试了室内气温和内表面温度，对比分析回归反射材料对室内热环境改善的影响。

图1 汶川地震中板房过渡安置点Fig.1 One post-disaster transitional settlement of prefab houses in Wenchuan earthquake

1 实验系统描述

为了研究回归反射材料对板房室内热环境的影响，建立量板房模型（M1和M2），如图2所示。其中仅M2表面复合了回归反射材料，而M1为研究对比对象，模型尺寸均为800mm×1000mm× 1300mm（L×W×H）。同时图2还给出了温度测点布置示意图，其中Tt，Tb，Te，Ts，Tw和Tn分别测试板房模型6个内表面温度；Tin和Tout分别测试板房模型室内和室外空气温度；测试前，对热电偶进行校正，可保证实验值使用的热电偶测试误差低于0.3℃，同时采用JTRG-II建筑热工记录仪对数据进行逐时记录。图3给出了板房模式M2的结构示意图，从内到外，分别是0.5mm的彩钢，40mm后的XPS层，0.5mm的彩钢以及1mm厚的回归反射材料；板房模式M1仅没有回归反射材料，其他结构与M2一致。图4给出了回归反射材料的光路示意图，可以看出，回归反射材料通过玻璃微珠将入射光通过两次折射和一次反射将光线沿入射方向被反射回去的光学特性。

图2 热电偶布置示意图和板房模型Fig.2 The arrangement diagram of thermocouples and two models of prefab houses

图3 板房模型M2的结构示意图Fig.3 A schematic diagram of wall structure for M2

图4 回归反射材料光路示意图Fig.4 The light paths of the retro-reflective materials

图5 分别提出了回归反射材料放大180倍的照片和回归反射材料在不同波长太阳光的反射百分比，同时还给出太阳标准光（海平气面）各波长范围的能量分重权布。可以看出，回归反射材料在可见光和近红外线的反射率较高，而太阳标准光在可见光和近红外线的能量分重权布较高，表明通过波长的合理选择，回归反射材料可以较好反射太阳辐射，通过对不同波长太阳光的反射百分比加权计算，回归反射材料的总回归反射率可高达0.543。

图5 （a） 回归反射材料放大180倍示意图Fig.5(a) The magnification of retro-reflective Materials with the magnifying power of 180x

图5 （b） 回归反射材料的反射特性Fig.5(b) Reflectivity of retro-reflective materials

2 实验结果与讨论

2.1 实验期间室外气象条件

实验测试地点为四川大学建筑与环境学院楼顶，实验时间为2015年8月4～9日。图6给出了实验期间的室外空气温度和太阳辐射波动情况。由图可以看出，实验期间室外空气温度波动幅度为10℃左右，太阳辐射强制在14:00时达到最大，最高值可达850W/m2。

图6 实验期间室外气温和总水平太阳辐射Fig.6 Outdoor air temperature and horizontal total radiation during the test period

2.2 室内气温波动对比

图7给出了实验期间板房模型M1和M2室内空气温度波动情况，同时图6还给出了室外气温做对比。可以看出，在白天，板房模型M1内气温最高、M2次之、室外气温最低；而在夜间，三个气温基本相同，说明室外太阳辐射对室内热环境影响显著；而模型M1和M2室内最高气温对比发现，M2室内最高气温明显低于M1，最大温差可达8℃，表明回归反射材料可以降低板房室内温度，进而改善室内热环境。

图7 实验期间M1和M2的室内气温波动情况Fig.7 Indoor air temperature in M1 & M2 during the test period

2.3 围护结构内表面温度波动对比

图8给出了实验期间板房模型M1和M2顶部内表面温度波动情况。可以看出，由于M2表面复合了回归反射材料，M2顶部内表面温度明显低于M1，最高温差可达到10℃。

同时为了深入的分析回归反射材料对板房内表面温度的影响，图9给出了M1和M2墙体内表面温度的波动情况；可以看出，在不同朝向墙体外复合回归反射材料，墙体内表面温度降低效果差异显著，其中南墙效果最为显著，温降可达到7.5℃；再次为东墙，温降可达到5℃；而北墙效果最差，无明显的温降；以上研究表明回归反射材料复合在屋顶和南墙效果最优。该现象的主要原因不同朝向可接受的太阳辐射强度不同，对于实验地区（北纬30.33度，东经103.59度），屋顶可接受的太阳辐射最强，其次南墙，再次东墙，北墙可接受的太阳辐射最低；从另一层次表明当太阳辐射越强，回归反射材料对室内热环境改善效果越好。

图8 M1和M2的顶面内表面温度波动情况Fig.8 Top inner surface temperature in M1 and M2 during the test period

2.4 室内作用温度波动对比

为了综合回归反射材料对室内气温和墙体内表面温度的影响，引入室内作用温度。依据ASHRAE 55-2004，当室内辐射温度和空气温度的差值很小（<4℃）时，室内作用温度可以近似为室内辐射温度和室内空气温度的平均值，根据图8和9的实验结果可知，因此对于本文所研究的问题，完全满足当室内辐射温度和空气温度的差值<4℃时，室内作用温度可以近似为室内辐射温度和室内空气温度的平均值的假设。

图9 M1和M2的墙体内表面温度波动情况Fig.9 Wall inner surface temperature in M1 and M2 during the test period

因此，室内作用温度计算方法如下：

其中，Tin为室内空气温度，℃；Tl,in,avg是墙体内表面温度平均值，Tl,in,i和Si分别是第i个墙体内表面温度和面积。

基于以上的分析，图10给出了验期间板房模型M1和M2室内作用温度波动情况。可以看出，由于复合回归反射材料，M2室内作用温度明显低于M1，最高值可达6～10℃，120小时内的平均差值为2.52℃，表明回归反射材料可以显著降低板房的辐射得热，进而提高板房内部舒适度。

图10 M1和M2室内作用温度波动情况Fig.10 Indoor operation temperature in M1 and M2 during the test period

3 结论

本文在成都的气象条件下，实验对比研究回归反射材料对板房内热环境的影响，得到以下结论：

（1）在板房外侧复合回归反射材料可以显著降低板房内部温度，最高温降可达到8℃；当太阳辐射越强，回归反射材料对室内热环境改善效果越好；

（2）由于回归反射材料的复合，板房内表面温度降低明显；其中屋顶内表面温降最显著，最大温降可达10℃；其次是南墙，最大温降为7.5℃；再次为东墙，最大温降可达到5℃；北墙的效果最差，无明显温降；

（3）由于复合回归反射材料，板房室内最高作用温度可降低6～10℃，120小时内的平均差值为2.52℃，表明回归反射材料可以显著降低板房的辐射得热，进而提高板房内部舒适度。

[1] 陈洪轻,龙恩深,黄璐红,等.成都地区板房建筑冬季室内热环境研究[J].制冷与空调,2011,25(1):60-64.

[2] 黄璐红.大规模过渡板房安置区夏季热环境及其风环境改进研究[D].成都:四川大学,2011.

[3] 王涛.救灾建筑帐篷热湿环境测试与改善措施的模拟研究[D].重庆:重庆大学,2009.

[4] 赵伟,狄育慧,周林园,等.组合板房墙体传热及热环境分析制冷与空调[J].制冷与空调,2015,(4):460-463.

[5] Rossi F, Castellani B, Presciutti A, et al. Retroreflective facades for urban heat island mitigation: Experimental investigation and energy evaluations[J]. Applied energy, 2015,145:8-20.

[6] Sakai H, Kobayashi H, Nagamura K, et al. Measurement of retrofective properties of buildings materials estimation of retro-reflectance by outer measurement[J]. Proceedings of Japanese Architectural Institute (AIJ) Structure department, 2008,632:1713-1718.

[7] Synnefa A, Santamouris M, Akbari H. Estimating the effect of using cool coatings on energy loads and thermal comfort in residential buildings in various climatic conditions[J]. Energy and Buildings 2007,39:1167-1174.

[8] Synnefa A, Santamouris M, Livada I. A study of the thermal performance of reflective coatings for the urban environment[J]. Solar Energy, 2006,80(8):968-981.

[9] Nishioka M, Inoue S, Sakai K. Retroreflective properties calculating method based on geometrical-optics analysis[J]. Proceedings of Japanese Architectural Institute (AIJ) Environmental Engineering, 2008,No: 1249-1254.

[10] Yuan J, Farnham C, Emura K. A study on the accuracy of determining the retro-reflectance of retro-reflective material by heat balance[J]. Solar Energy, 2015,122: 419-428.

[11] Yuan J, Farnham C, Emura K. Development of a retro-reflective material as building coating and evaluation on albedo of urban canyons and building heat loads[J]. Energy and Buildings, 2015,103:107-117.

[12] Rossi F, Pisello A L, Nicolini A, et al. Analysis of retro-reflective surfaces for urban heat island mitigation: A new analytical model[J]. Applied Energy, 2014,114: 621-631.

[13] ANSI/ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy: Atlanta, American Society of Heating[J]. Refrigerating and Air Conditioning Engineers, 2004.

Thermal Performance Improvement of Prefab Houses by Covering Retro-reflective Material

Qi Quan1Li Yuanhao1Yin Jiefeng1Meng Xi2
( 1.Xian Thermal Power Research Institute Co., Ltd, Xi’an, 710000; 2.Sichuan Agricultural University, Chengdu, 610065 )

Owing to the small thermal inertia of prefab houses, indoor thermal environment is poor and occupants are tormented. Especially under the high solar radiation, both indoor air temperature and inner surface temperature increase rapidly and thereby, decreasing radiation heat gain is necessary for refining indoor thermal performance in prefab houses. To reveal the thermal performance improvement of prefab houses by covering retro-reflective materials, two prefab house models, one of which is covered by retro-reflective materials, are built. Results show that the indoor air temperature of the prefab house by covering retro-reflectivity materials can reduce by more than 7℃, while the reduced value is close to 10℃ for the peak radiant temperature and 7℃ for indoor average radiant temperature. It shows retro-reflective materials have a significant effect on thermal performance improvement of prefab houses. And it is found that the top, south and east walls are the better choices.

Retro-reflective Material; Indoor thermal environment; Prefab Houses

TU86

A

1671-6612（2017）01-086-05

齐 全（1981-）男，硕士，国家注册暖通工程师，主要从事采暖通风除尘设计及火力发电厂环保改造。

孟 曦（1986-

），男，博士研究生，讲师，E-mail：mengxihvac@163.com

2016-07-20