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1 引言

冷屋面（Cool Roof）概念最早产生于美国，是指通过提高材料表面的太阳光反射比和热辐射率，减少太阳辐射热吸收，从而在夏季阳光下保持较低温度的建筑屋面。在美国，多项研究及测量证实：夏季气候温暖地区，建筑物使用冷屋面后高峰期用电需求降低了 10%~30%，除减少建筑物夏季空调能耗，由于冷屋面表面温度低，还能够减少对室外空间的热传递，进而降低城市建筑密集区空气温度、营造舒适的外部环境，减缓城市热岛效应 ^[1]。

冷屋面材料及产品涉及金属屋面产品、涂料产品、防水卷材、改性沥青瓦、混凝土瓦等，由于具有反射太阳热辐射的功能，也常被称为热反射涂料、热反射瓦、热反射金属屋面板等。近 10年，冷屋面产品在美国得以越来越广泛地应用。美国能源部能源之星（EnergyStar）和美国冷屋面评级理事会（Cool Roof Rating Council，简称CRRC）先后开展了冷屋面热性能评级和标识工作，冷屋面日益得到政府和企业的支持并逐渐在建筑法规和标准中得到认可。

近年来随着我国节能减排工作的快速发展，建筑整体节能效果越来越受到国家、政府乃至整个社会的高度重视。相关的建筑节能法律法规、标准规程相继出台。为了适应新形势下的市场需要，一些冷屋面产品如热反射涂料、热反射防水膜、热反射金属装饰板等节能材料相继出现，尤其是太阳热反射涂料，因其施工便捷、造价低廉、反射隔热效果显著，已应用于多类建筑工程中。多项研究 ^[2][3][4]及实践表明，热反射涂料对夏热冬暖地区建筑屋面和外墙隔热效果有明显的作用，节能效果显著，可单独作为外围护结构隔热措施；夏热冬冷地区，视冬夏季日照量变化，有一定的隔热节能效果，可配合适当的保温系统作为外围护保温隔热措施使用 ^[5]。

在我国寒冷地区的一些城市，夏季太阳辐射非常强烈，天气亦较为炎热，然而关于冷屋面技术在寒冷地区建筑的应用方面却少有研究。本文以北京为例，通过对比性建筑的温度监测和空调耗电量监测，结合理论分析，研究寒冷地区夏季反射隔热屋面的隔热节能效果，探讨冷屋面在寒冷地区应用的可能性。

2 理论分析

根据传热学理论，夏季屋面温差热负荷为 ^[2]：

式中：K 为屋面传热系数，W/(㎡K);

FW 为屋面面积，㎡；

tei 为室外空气温度，K；

ρ 为屋面对太阳辐射的吸收比，与太阳反射比 r 的关系为 ρ+r=1；

Ii 为水平表面太阳辐照度，W/㎡；

α_e 为外表面换热系数；

t₀为室内温度。

通过以上公式可知，在外界条件（包括太阳辐照度以及室外气温）一定时，若要减少建筑屋面的热负荷，可采取降低屋面传热系数、减少室内外温差、提高屋面的太阳反射比等节能措施。

式中的 tei+ρIi/αe 为室外空气综合温度，反映了气温和太阳辐射对建筑屋面的综合作用。ρIi/αe 考虑了太阳热辐射的影响，冷屋面具有较高的太阳反射比即低的太阳吸收比，可降低室外空气综合温度、减少屋面得热，在夏季，可减少室内空调的电耗，起到节约能源的作用。当屋面受到强烈的太阳辐射时，太阳辐照度 Ii 较室外空气对室外综合温度的影响更大，此时屋面对太阳辐射的吸收比显得尤为重要。因此，夏季，在具有高太阳辐射的地区，冷屋面技术对于建筑节能具有现实意义。

北京虽然地处寒冷地区，但由于空气湿度相对较低，夏季到达地面的太阳辐射强度反而高于夏热冬暖地区的广州、福州等城市。夏季北京地区垂直太阳辐射日总量可达 8200W/㎡ 左右，白天最高辐射强度近 1000 W/㎡，而广州的数据分别为 7462 W/㎡和 962 W/㎡ 左右，因此理论上讲，在夏季的北京，冷屋面可以起到改善室内热环境、节约空调电耗的作用。

3 实地测试

为了验证夏季冷屋面在北京地区的实际隔热节能效果，本研究选取了位于北京东郊某砖混结构连体平房作为测试对象。选取位于整排房屋中央的相邻的 2 间作为试验房，试验房南北朝向，屋内面积 24㎡，室内净高 3.2m，屋面为平顶。

2 间试验房围护结构做法、邻室情况、采光等条件完全相同，具备充分的可比性。试验房屋面为平屋面，从下至上依次为：内饰面层、15mm 找平砂浆、130mm 厚预制圆孔楼板、150mm 焦渣保温层、SBS 防水卷材。

为了此次冷屋面测试，在 SBS 防水卷材上浇注 20mm 找平砂浆，再刮涂耐水腻子，两个试验房屋面最外层分别辊涂热反射涂料（太阳反射比为 0.80）和与之对比的普通涂料（太阳反射比为0.20），以下分别称冷屋面和普通屋面。

屋面结构见图 1。

图1  试验房屋面结构图

试验房屋面涂装后如图 2 所示，浅色为冷屋面，深色为普通屋面。

图2  试验房屋面

试验房室内有少量办公家具和实验器具；两间试验房同一位置安装型号相同的空调。

2011 年 7 月 26 日至 8 月 29 日，对冷屋面试验房和普通屋面试验房进行了为期一个月的连续测试。试验分为 3 个阶段进行，第 1 阶段：7月 26 日至 8 月 7 日，测试内容包括屋面内外表面温度、室内外空气温度、水平面太阳辐照度和空调耗电量测试，空调设置温度为 26℃，试验期间关闭门窗。结束后清洗室外机。第 2 阶段：8月 13 至 8 月 26 日，为了消除空调器能效比可能不同的影响，交换屋面（原热反射涂料上辊涂灰色外墙涂料，原灰色涂料上辊涂白色热反射涂料），重复上述测试。第 3 阶段：8 月 27 日 ~8 月 29 日，关闭空调，进行屋内舒适度试验。

整个测试期间，白天平均气温 26~34℃，室外最高温度基本在 30℃以上，晴天和多云间阴为主，偶尔雨天。

4 实测结果及分析

以天气晴朗、分属 1、2 阶段的 7 月 26 日和8 月 20 日为例，分析普通屋面和冷屋面温度变化以及空调耗电量的差异。

测试结果如图 3~ 图 6 所示：

图3   7月31日温度测试结果

图4   7月31日辐照度测试结果

图5   8月20日温度测试结果

图6    8月20日辐照度测试结果

冷屋面和普通屋面测试结果对比见表 1 和表2

表1   7月31日测试结果对比

夏季晴朗天气时，普通屋面外表面温度可高达将近 60℃，而刷涂了热反射涂料的冷屋面最高温度只有 40℃左右，与室外最高气温接近。普通屋面与冷屋面外表面平均温差差 7~8℃，最高温16度差值在可达 17℃以上；内表面温度两者相差3℃左右，最高温度差值将近 6℃，冷屋面隔热作用非常明显。

表2   8月20日测试结果对比

白天，屋面外表面温度变化与太阳辐照强度的变化是一致的，屋面温度曲线，尤其是普通屋面温度曲线与辐照强度曲线相似，反映了太阳辐射强度直接影响着屋面的室外综合温度，证实了上述的理论分析。

与屋面外表面温度和室外气温不同，屋面内表面温度波峰出现在傍晚 7、8 点的时候，这是由于重质屋面的热惰性较大，导致屋面内表面温度变化产生滞后的效应，延迟的时间有 5、6 个小时。

由于冷屋面强烈的热反射作用，其屋面得热面小，因此内表面温度低于普通屋面的内表面温度，减少了屋面向室内辐射的热量，从而使空调日耗电量降低 2~3 度，节电量可达 30% 以上，7 月31 日达到了 48%，节能效果显著。

为了考察冷屋面对室内舒适度的影响，8 月27~8 月 29 日，关闭空调，测量屋面内外表面温度以及室内温度，同时，实验人员进入试验房内感受热环境及舒适度。8 月 28 日测试结果见图 7、图 8 和表 3。

图7   8月8日温度测试结果

图8   8月28日辐照度测试结果

表3   8月28日测试结果对比

测得冷屋面与普通屋面内表面温度最大相差 5.6℃，平均相差 3.2℃；室内气温差值最大2℃。在温度最高时的傍晚，工作人员在两间试验房内能够感觉到温度的差异，在冷屋面试验房内具有较好的舒适度。8 月 28 日已属于夏末秋初，与盛夏相比，室外温度和太阳辐照度都有所降低，白天最高温度 33.3 度，最大太阳辐照度为 561W/㎡。可以预见，如果在炎热的盛夏，冷屋面可明显改善室内热环境，增加体感舒适度。

图 9 和图 10 是整个第一阶段连续测试结果。

试验房屋面内外表面温度随着日夜交替呈现周期性变化，白天屋面外表面温度走势与太阳辐射强度一致；冷屋面内外表面温度始终低于普通屋面内外表面温度；普通屋面和冷屋面表面之间的温差（以下简称温差）亦呈现周期性变化，太阳辐照强度越大，温差也越大。随着时间的推移，白天总的辐照强度慢慢变小，温差也随之变小。另外，屋面污染程度也直接影响着屋面外表面的温差，污染越重，温差越小。7 月 29 日北京下了一场大雨，经过雨水的冲刷，冷屋面表面灰尘减少，因此 7 月 30 日又呈现了较高的温差（外表面温差最大 10℃），随后，最大温差又慢慢呈降低态势。

测试期间，两间试验房耗电量及冷屋面试验房节电量随天气情况变化有所波动，每天的节电量在 20%~50% 之间，总节电量和日最高节电量如表 4 所示。由此可见，夏季北京地区，冷屋面可降低建筑、尤其是顶层的冷负荷，起到节能减排作用。

表4   空调电耗对比

图9   冷屋面与普通屋面温差测试结果

图10   辐照度测试结果

5 结 语

理论分析和实测验证都表明：在北京地区，冷屋面在夏季能够起到反射隔热、减少屋面热负荷、改善室内热环境的作用，从而可以降低空调电耗，具有明显的节能效果。其峰值冷负荷可降低 45% 左右，夏季累计冷负荷减少 30% 左右。

以北京为代表的一些北方城市，虽然地处寒冷地区，但是夏季太阳辐射强烈、天气炎热，因此冷屋面技术可以有选择地应用于一些特定的建筑，如粮食储备库、移动基站设备房等。

在寒冷地区，冷屋面在冬季会增加建筑的采暖能耗，因此尚需对整个年度的数据进行综合分析，对于冷屋面应用于寒冷地区建筑的总体节能效果，有待进一步研究。

参考文献

^[1]王新春，美国屋面制品热性能评价及标识的进展, 建筑维护结构国外节能法规标准和技术跟踪研究考察报告，2010

^[2] 邱童、范宏武等，热反射隔热屋面的应用研究，建筑节能，2010(12)：58~60

^[3] 沈辉、谭洪卫，夏热冬暖地区太阳热反射涂料的节能性实证研究，节能技术，2009(10)：30~33

^[4] 郭卫琳、卢国豪等，夏季热反射隔热涂料对建筑墙体的节能实效研究，施工技术，2010(7)：80~83

^[5] 徐锦峰、吴志敏等，热反射外墙涂料的节能机理与效果分析，建筑节能，2008(10)：31~33

文章来源：期刊《中国建材科技 2014 年第1期》