秦巴山地建筑辐射屏障屋顶夏季隔热性能研究

围护结构是影响夏季室内热环境的重要因素之一，屋顶是建筑围护结构中热损失的主要来源，约占总热损失的70%，因此加强屋顶隔热构造尤为重要。目前对屋顶隔热设计的研究包括绝缘材料、绿色屋顶、自然通风技术、反射技术和其他技术，其中反射技术是采用一种表面具有低发射率和高反射的光滑薄铝箔层，以减少空气辐射换热。

调节阁楼屋顶的辐射传热可降低通过屋顶传入室内的热量，在阁楼屋顶应用辐射屏障是个可行的隔热措施。Miguel and Helena为评估辐射屏障应用阁楼的实际效果，在葡萄牙北部两栋建筑进行测试，结果表明辐射屏障可有效减少室内温度最高值。Medina研究发现辐射屏障发射率的微小变化会导致夏季热通量显著变化，冬季会减少热量进入室内空间。近年来，为改善室内热舒适度，辐射屏障出现了一些新型铝箔复合材料，在辐射屏障中间添加一层保温隔热材料，进一步减少了通过屋顶瓦进入阁楼空间的热量。Kosny等对新型的气凝胶基辐射屏障用于阁楼的隔热效果进行测试，结果表明应用辐射屏障的阁楼热负荷显著降低。热负荷降低是低发射率及热阻共同作用的结果，但研究中并未指出辐射传热在气凝胶基辐射屏障的贡献。

基于以上研究背景，本文提出一种屋顶隔热构造——辐射屏障屋顶，将坡屋顶屋面、辐射屏障和阁楼空间组成一种隔热屋顶构造——辐射屏障屋顶。这种屋顶隔热构造有望推广到整个夏热冬冷地区乡村建筑中，是因为目前大多数乡村建筑即使未建造阁楼也会为了室内美观安装吊顶，形成了类似阁楼的空间。为在秦巴山区普及这种辐射屏障屋顶，有必要对辐射屏障屋顶的隔热性能进行研究。为研究辐射屏障屋顶的隔热性能，课题组于2019年夏季对秦巴山区乡村建筑室内热环境进行实地测试，研究为秦巴山区乡村建筑的夏季隔热提供了新思路和方法。

1　测试对象

2019年7月27至28日，在汉中市金星村气候条件下进行了辐射屏障的热工性能对比试验。测试对象为两栋特征极为相似的平行建筑，由于构造极为相似，故可进行对比试验，住宅1平面尺寸为14.4 m×9.5 m，住宅2平面尺寸为12.6 m×8.9 m。为尽可能寻求相似条件，两栋建筑二层无人居住，窗户关闭。屋顶形式均为坡屋顶，屋顶坡度均为30°。屋顶做法为木椽上直接挂瓦，无保温层。外墙为240 mm厚实心粘土砖墙，墙体内外抹灰，无保温层。考虑到铝箔气泡复合材料具有易安装、成本低、效率高等特点，辐射屏障采用铝箔气泡复合材料。在住宅1的阁楼屋面瓦内表面应用铝箔气泡复合材料直接覆盖在木椽上，住宅2阁楼构造不变。

2　测试方案

测试内容为室内外空气温度、壁面温度、太阳辐射强度。两栋住宅测试仪器放置在相似位置。空气温度采用TR-72U型自计式温湿度计测量，测试精度为±0.2 ℃。住宅1使用三个温湿度计，分别放置在阁楼、二层卧室及室外，其中室外的温湿度计放置在避免阳光直晒位置；在住宅2使用两个温湿度计，分别放在阁楼及二层卧室。壁面温度采用LR5021热电偶测量，测试精度为±0.5 ℃，进行24 h连续测试，数据采集时间间隔为1 h。

在住宅1中热电偶用于测试朝南的屋顶瓦上、瓦下、辐射屏障上及屏障下、阁楼地板、卧室天花板和阁楼外壁面（东南西北外墙）的温度。因住宅1和住宅2构造相似，因此只测试住宅1中的围护结构外表面温度。在住宅2中热电偶用于测试朝南屋顶瓦下表面、阁楼地板和二层卧室天花板的壁面温度。

太阳辐射强度采用TBD-1型遮光环带与TBQ-2型总辐射表配合测量，测量范围为0~2 000 W/㎡，灵敏度系数8.789 μV/（W/㎡），采集时间间隔为1 h，测点位于室外空旷处，周围无遮挡。

3　测试结果

测试数据用于验证ANSYS.CFX模型的准确性和辐射屏障屋顶的有效性，并进行数值模拟分析，量化辐射传热及热传导对减少天花板温度峰值的贡献；模拟分析辐射屏障的发射率及热阻值对卧室天花板温度的影响；以研究铝箔气泡复合材料在冬季的应用效果。

对金星村两栋相似的建筑进行实地测试，包括屋顶瓦温度、阁楼空气温度、阁楼地板温度、天花板温度和二层卧室温度，现场测试期间（2019年7月27至28日）室外条件如图2和图3所示。测试期间总辐射强度峰值为974 W/㎡，平均值为676 W/㎡，太阳直射辐射强度占总辐射强度的76%。从测试结果可看出夏季太阳辐射强度较高。室外空气温度平均值为29.5℃，气温日较差5℃。

两个测试住宅的屋顶、阁楼地板和天花板的温度，在两栋建筑中屋顶瓦下表面温度相差不大，但由于辐射屏障的应用，屋顶内表面温度有明显差别，住宅2的辐射屏障下表面温度最大值比住宅1屋顶瓦下表面温度降了约15.1℃，可见辐射屏障的隔热效果明显。同时可以看出，在有辐射屏障的住宅1中，辐射屏障下表面温度最大值比屋顶瓦下表面低约17.2℃。温度差值较大有2方面原因：一是由于铝箔复合气泡材料贴附在木椽下使得铝箔与粘土瓦之间存在较小的空气腔，使双面铝箔得到充分的利用，可有效降低屋顶瓦向阁楼地板的辐射传热；二是由于辐射屏障阻碍了向阁楼地板传递的热量，停留的热量会加热屋顶瓦内表面，使粘土瓦底部温度微升。阁楼地板下表面的温度总是高于无辐射屏障的地板温度。

应用辐射屏障显著改善了阁楼的热稳定性，使白天阁楼温度峰值降低7℃，平均温度降低2.1℃，但夜间温度略有提升。住宅1的卧室温度始终低于住宅2的卧室温度，平均温度降低了1.1℃。

4　结论

测试结果表明：（1）在有辐射屏障的住宅1中，辐射屏障下表面温度最大值比屋顶瓦下表面低约17.2℃；（2）应用铝箔气泡复合材料的住宅与传统住宅相比，卧室平均温度降低了1.1℃，证明了辐射屏障屋顶有优越的隔热性能，可在夏热冬冷地区乡村建筑中推广。