水泥和瀝青建筑材料對太陽能量吸收特性

■羅劍峰陳健美謝克光袁彥波楊震宇易海清劉孟祥（.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；.長沙華藝工程設(shè)計有限公司）

水泥和瀝青建筑材料對太陽能量吸收特性

■羅劍峰1*陳健美1謝克光2袁彥波2楊震宇1易海清1劉孟祥1
（1.湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2.長沙華藝工程設(shè)計有限公司）

采用5780 K的黑體模擬太陽輻射，在未考慮與大氣作用的情況下，運(yùn)用譜帶模型研究水泥和瀝青兩種建筑材料對太陽能量的平均反射率。研究顯示，水泥砂漿對太陽能量的反射率不超過40％；瀝青對太陽能量的反射率僅為5.5％，是一種太陽能量的強(qiáng)吸收性材料。

溫室效應(yīng)；太陽輻射；反射率；城市化進(jìn)程；建筑材料

0　引言

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展使城市化進(jìn)程不斷加快，大量城市建筑拔地而起。對于南方城市，夏季建筑物外表面對太陽能量的吸收會導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高，從而要開啟空調(diào)向室外大氣環(huán)境散熱，這相當(dāng)于建筑物外表面吸收的太陽能量最終用來加熱大氣。另一方面，空調(diào)機(jī)運(yùn)行所耗電能由鍋爐燒煤產(chǎn)生，從而還造成CO2等溫室氣體排放，且煤燃燒直接加熱大氣，進(jìn)一步加劇地球溫室效應(yīng)。因此，建筑物外表面對太陽能量的吸收對溫室效應(yīng)具有多重影響，應(yīng)當(dāng)提高人們對建筑外表面材料對太陽能量吸收特性的認(rèn)識。

節(jié)能減排，充分利用風(fēng)能和太陽能發(fā)電、采暖等，從而減少對化石能源的消耗，是控制地球溫室效應(yīng)的有效措施。2015年，韓中合等［1］研究了利用太陽能熱作為CO2吸收劑解吸的脫碳及脫硝系統(tǒng)；葉學(xué)民等［2］研究了集成新能源的燃煤機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排問題；劉華財?shù)龋?］研究了生物質(zhì)氣化發(fā)電能耗和溫室氣體排放問題。2014年，王璋元等［4］研究了新型環(huán)路熱管太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能減排；針對工業(yè)低溫余熱的高效綜合回收，楊衛(wèi)衛(wèi)等［5］提出了一種帶中間換熱器的雙熱源高溫?zé)岜孟到y(tǒng)；王如竹等［6］對家用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水系統(tǒng)設(shè)計過程中的一些問題進(jìn)行了研究。

本文運(yùn)用分光光度計對不同水泥與砂子配比的水泥砂漿和瀝青建筑材料的光譜反射率進(jìn)行測量，并結(jié)合譜帶模型概念研究其對太陽能量的吸收特性。

1　黑體輻射基本定律

普朗克定律揭示了黑體單色輻射出射度與波長和溫度的關(guān)系，可表示為：

式中，λ為波長，m；T為黑體溫度，K；C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.742×10-16W·m2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.4388×10-2W·K。

由普朗克定律可推導(dǎo)出斯蒂芬-波爾茲曼定律：

式中，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，σ= 5.67×10-8W/（m2·K4）。

若把太陽看作溫度為5780 K的黑體，則依據(jù)普朗克定律可畫出太陽輻射能量隨波長的變化，如圖1所示。由圖1可知，太陽輻射能量的最大值位于可見光波段（0.38～0.76 μm）的0.5 μm左右。

圖1　5780 K黑體的單色輻射出射度隨波長的變化

2　實(shí)際物體輻射特性

2.1實(shí)際物體輻射特性參數(shù)是波長變化引起的復(fù)雜函數(shù)

黑體和灰體都是理想化的物體，其輻射特性參數(shù)與波長無關(guān)，但實(shí)際物體的輻射特性參數(shù)，如反射率，則隨波長的變化呈現(xiàn)出很復(fù)雜的變化關(guān)系。

設(shè)溫度為T的黑體在波長λ附近的單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射能量為Ebλ，即普朗克定律式（1），該能量入射在物體不透明表面后，一部分被反射qλ′，另一部分則被吸收qλ″（）

qλ″=Ebλ-qλ′，因此物體不透明表面的平均光譜反射率ρλ和平均光譜吸收率αλ可分別定義為：

根據(jù)基爾霍夫定律，物體的光譜發(fā)射率ελ等于光譜吸收率αλ，即：

實(shí)際物體的光譜反射率不僅與入射方向有關(guān)，還與反射方向有關(guān)，通常用式（3）來定義平均光譜反射率，相當(dāng)于假設(shè)實(shí)際物體表面為漫反射。

物體反射黑體在全波段λ∈（）0，∞發(fā)射的總能量為：

黑體在全波段發(fā)射的能量即為式（2），因此物體對黑體全波段發(fā)射能量的平均反射率ρ可表示為：

可以推得物體對來自黑體全波段輻射的平均吸收率α為：

又根據(jù)基爾霍夫定律，物體的發(fā)射率ε等于吸收率得：

2.2實(shí)際物體輻射特性的譜帶模型描述

由于實(shí)際物體的輻射特性參數(shù)，如光譜反射率，是波長λ很復(fù)雜的函數(shù)，并且很難擬合出一個關(guān)系式來描述這種變化關(guān)系，因此式（7）事實(shí)上無法積分求解。為了解決這一困難，通常利用譜帶模型的概念來研究實(shí)際物體的輻射特性。所謂譜帶模型是指根據(jù)實(shí)際物體的輻射特性曲線，在一定波段內(nèi)將該輻射特性參數(shù)看作是常數(shù)，只要劃分的譜帶足夠多，則建立起的譜帶模型能夠真實(shí)反映實(shí)際物體的輻射特性。

設(shè)在全波段λ∈（0，∞）內(nèi)，物體的輻射特性參數(shù)可劃分為N1個譜帶區(qū)間，對于第k個譜帶區(qū)間［λ1，λ2］，反射率ρλ可看作常數(shù)ρk，下標(biāo)k表示譜帶模型k區(qū)域，則物體反射來自黑體在譜帶k發(fā)射的能量為：

式中，由于在譜帶k的波長區(qū)間［］λ1，λ2內(nèi)，ρλ可看作常數(shù)ρk，故可從積分號中提出放到積分號前面，而積分號里面的項(xiàng)是普朗克定律表達(dá)式，是可以積分的，從而大幅簡化了所研究問題的復(fù)雜性。

定義在譜帶k黑體發(fā)射的能量占全波段輻射的能量份額為Ak，即：

式中，只要已知第k個譜帶區(qū)間的上、下限波長λ2和λ1，即可求出Ak的值，Ak值的取值范圍在0～1之間。

運(yùn)用Ak的定義可將式（10）改寫為如下形式：

引入譜帶模型概念后，物體在全波段反射來自黑體的輻射能量可表示為：

因此，將上述結(jié)果代入式（7）可求得物體對來自黑體全波段發(fā)射能量的平均反射率：

3　水泥砂漿和瀝青對太陽能量的平均反射率

我們制作了常見的建筑外墻表面裝飾材料試件，包括33種瓷磚、10種大理石、不同配比的水泥砂漿和瀝青、不同顏色的墻漆等，為滿足實(shí)驗(yàn)儀器的測量要求，利用角向磨光機(jī)將瓷磚、大理石等切割成尺寸為60 mm×60 mm的小塊。下文著重介紹水泥砂漿和瀝青兩種建筑材料對太陽能量吸收特性的研究。

測量光譜反射率所采用的儀器為分光光度計，型號為：U-4100 Spectrophotometer（Hitachi），該儀器測量波長范圍為190～2600 nm。計算表明，在該波長范圍黑體在5780 K（模擬太陽輻射）發(fā)射的輻射能量占全波長輻射能量的96.8％，因此，我們所研究的波長范圍已充分包含太陽的輻射波長區(qū)間。

3.1水泥砂漿試件的光譜反射率比較

3.1.1水泥砂漿試件的光譜反射率

水泥是一種非常常見的建筑材料，通過制作不同體積的沙子與水泥比例的樣品，研究其對太陽能量的平均反射率。沙子取自建筑工地，水泥采用復(fù)合硅酸鹽水泥，型號為XK08-001-03176。將一定體積比的水泥與砂子混合均勻，再加適量水?dāng)嚢杈鶆颍缓筇畛溆谑孪戎坪玫哪＞咧心ㄆ健⒏稍锍尚汀?/p>

定義比率α為：

α=沙子體積/水泥體積（15）

不同α試件的光譜反射率如圖2所示。由圖2可知，各曲線隨波長的波動規(guī)律相似，但光譜反射率隨α的變化未呈現(xiàn)出特定規(guī)律。

圖2　水泥砂漿光譜反射率

3.1.2水泥砂漿對太陽能量的平均反射率

純水泥（α=0）光譜反射率譜帶區(qū)間的劃分如圖3和表1所示。

圖3　純水泥光譜反射率譜帶區(qū)間劃分（α=0）

表1　純水泥光譜反射率譜帶區(qū)間劃分（α=0）

不同α值時水泥砂漿光譜反射率譜帶區(qū)間的劃分如圖4、表2所示。

圖4　不同α值水泥砂漿光譜反射率譜帶區(qū)間劃分

表2　α在1～3時水泥砂漿光譜反射率譜帶區(qū)間劃分

表3　α在1/4～1/2時水泥砂漿光譜反射率譜帶區(qū)間劃分

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，由式（14）可計算出不同水泥與河沙比例的水泥砂漿對太陽能量的平均反射率，計算結(jié)果見表4。

由表4可知，水泥砂漿對太陽能量的反射率不高，不超過40％，因此是一種比較強(qiáng)的吸收太陽能量的材料。

表4　不同α值的水泥砂漿對太陽能量的平均反射率

3.2瀝青建筑材料對太陽能量的平均反射率

瀝青是一種十分常見的建筑材料，由于其具有極好防水性能和耐腐蝕能力，因此在建筑物屋頂常鋪一層瀝青使房屋不漏水；同時瀝青也常用來鋪設(shè)公路。其光譜反射率及譜帶區(qū)間劃分如圖5和表5所示。

圖5　瀝青建筑材料的光譜反射率譜帶區(qū)間劃分

表5　瀝青建筑材料的光譜反射率譜帶區(qū)間劃分

4　結(jié)論

城市化進(jìn)程導(dǎo)致城市面積越來越大，城市建筑外表面材料對太陽能量的吸收會導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇，因此應(yīng)提高人們對城市建筑外表面對太陽能量的吸收與溫室氣體排放之間的關(guān)系的認(rèn)識，為采取更多手段來減少溫室氣體排放提供理論依據(jù)。對于南方建筑在夏季應(yīng)盡量減少城市建筑物外表面對太陽能量的吸收。

用分光光度計對水泥砂漿和瀝青兩種建筑材料的光譜反射率進(jìn)行了測量，用5780 K的黑體模擬太陽輻射，在未考慮大氣作用的情況下，運(yùn)用譜帶模型研究了這兩種建筑材料對太陽能量的平均反射率。從本文的研究可看出：1）水泥砂漿的光譜反射率隨砂子與水泥體積比參數(shù)α的變化未呈現(xiàn)出某種特定規(guī)律；2）水泥砂漿對太陽能量的反射率不超過40％，因此是一種較強(qiáng)的吸收太陽能量的材料；3）瀝青對太陽能量的反射率僅為5.5％，是一種太陽能量的強(qiáng)吸收性材料。

［1］韓中合，王繼選，劉小貞，等.太陽能-燃煤電廠污染物減排熱力系統(tǒng)性能分析［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（10）：2369-2376.

［2］葉學(xué)民，王佳，李春曦.集成新能源的燃煤機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排潛力研究［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（7）：1717-1723.

［3］劉華財，陰秀麗，吳創(chuàng)之.生物質(zhì)氣化發(fā)電能耗和溫室氣體排放分析［J］.太陽能學(xué)報，2015，36（10）：2553-2558.

［4］王璋元，楊晚生，趙旭東.新型環(huán)路熱管太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能減排評估［J］.太陽能學(xué)報，2014，35（10）：825-829.

［5］楊衛(wèi)衛(wèi)，曹興起，何雅玲，等.一種帶中間換熱器的雙熱源高溫?zé)岜孟到y(tǒng)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2014，48（11）：70-80.

［6］王如竹，張川，翟曉強(qiáng).關(guān)于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計要素的思考［J］.中國電力，2014，34（1）：32-41.

［6］王如竹，張川，翟曉強(qiáng).關(guān)于住宅用空氣源熱泵空調(diào)、供暖與熱水設(shè)計要素的思考［J］.中國電力，2014，34（1）：32-41.

2016-01-24

國家自然科學(xué)基金（51276193；51176040）

羅劍峰（1968—），男，博士、副研究員，主要從事輻射換熱方面的研究。luo-jianfeng@263.net