基于高光譜技術(shù)建筑反射隔熱涂料光譜特征減損規(guī)律的分析

引言

近年來，隨著我國國內(nèi)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)建筑規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，城鎮(zhèn)內(nèi)不透水面占比持續(xù)增加，城市熱島效應(yīng)日益突出，這加大了維持適宜冷熱環(huán)境而導(dǎo)致的能源損耗，因此如何降低太陽輻射能對建筑內(nèi)環(huán)境的干擾，提高建筑內(nèi)冷熱環(huán)境的穩(wěn)定性，降低能源損耗，已逐步成為建筑節(jié)能的研究熱點(diǎn)。

作為一種新型建筑涂料，建筑反射隔熱涂料可通過增強(qiáng)建筑外墻對太陽輻射能的有效反射，降低建筑外墻對太陽輻射能量的吸收，減少外墻表面熱累積，提升建筑內(nèi)冷熱環(huán)境的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。國內(nèi)外學(xué)者圍繞建筑反射隔熱涂料開展了大量研究，并取得一定的研究成果：鈦白粉、空心玻璃微珠能有效提升涂料的反射特征，提高涂料反射隔熱性能。建筑反射隔熱涂料的成膜樹脂應(yīng)盡量少含—C—O—C—，C==O等吸熱基團(tuán)，降低對太陽輻射的吸收作用，提升成膜樹脂的穿透性。不透水表面噴涂合適的建筑反射隔熱涂料將有助于降低空調(diào)能耗。涂料在350~2500nm區(qū)間內(nèi)的光譜反射率直接影響到涂料反射隔熱性能的高、低。白色涂料具有高反射特征；涂料的反射、吸收特征受施工厚度影響較大；加入填料與色漿有助于提升反射隔熱涂料的耐候性。建筑反射隔熱涂料易受外界不可控因子影響，涂料表面易被粉塵覆蓋，涂料內(nèi)部組分理化特征則易受溫度、降水等多因子綜合作用，致使建筑反射隔熱涂料的性能產(chǎn)生減損。當(dāng)前針對建筑反射隔熱涂料的研究多側(cè)重于涂料的理化組分信息，而針對建筑反射涂料性能在時間尺度上的演化規(guī)律的研究相對較少。

建筑反射隔熱涂料性能的減損是影響特定時間區(qū)間內(nèi)建筑節(jié)能效果的關(guān)鍵因素。為研究分析建筑反射隔熱涂料性能在時間維度的演化規(guī)律，以高光譜為主要技術(shù)手段，結(jié)合吸收峰深度、數(shù)學(xué)方法等光譜處理方法，定量分析涂料光譜反射特征、吸收特征，研究涂料反射特征、吸收特征在時間維度上的演化規(guī)律，從而為建筑反射隔熱涂料的設(shè)計(jì)、制作、施工提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

2、實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究分析建筑反射隔熱涂料的反射特征、吸收特征在時間維度的演化規(guī)律。試驗(yàn)板材為硅鈣板，底漆選用廣州美涂士建材股份有限公司生產(chǎn)的外墻保抗堿底漆，涂料采用廣州富美奧涂料有限公司生產(chǎn)的建筑反射隔熱涂料。實(shí)驗(yàn)基于建筑反射隔熱涂料施工規(guī)范制作涂料樣本。首先將硅鈣板板面采用砂紙打磨，然后涂一層底漆，將其置于通風(fēng)、干燥處，待底漆完全風(fēng)干后再涂一層底漆，采用同一處理方法風(fēng)干，待底漆完全風(fēng)干后再采用砂紙進(jìn)行打磨；最后采用涂抹器制作涂料樣本，涂料樣本厚度變化范圍為0.1~2.5mm，厚度間隔為0.1mm，共25個樣本。

涂料樣本制作完成后，立刻測定各樣本的光譜，并將首測的光譜作為標(biāo)準(zhǔn)，然后將涂料樣本垂直置于室外，距地高度為1.5m，并定期測定涂料的光譜，以研究分析涂料性能的變化規(guī)律。

2.2光譜數(shù)據(jù)采集

地物光譜反射率易受光照強(qiáng)度、入射角度及其他不可控因子的影響，為減弱其他因素對光譜測量的影響，選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展建筑反射隔熱涂料光譜數(shù)據(jù)的測定，涂料光譜數(shù)據(jù)測量模式如圖1所示。用地物光譜儀進(jìn)行光譜測量，可測定300~2500nm區(qū)間的涂料反射光譜，光譜分辨率為1nm。于不同的四天開展涂料光譜的測量。涂料樣本光譜測定前先用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行標(biāo)定與優(yōu)化，光照垂直于涂料樣本，分別在涂料樣本的不同位置進(jìn)行光譜采集，共采集10條光譜，取其平均值作為涂料樣本的光譜。

圖1室內(nèi)涂料樣本光譜采集方式示意圖

2.3光譜預(yù)處理方法

為避免涂料光譜曲線間的干擾，明確分析各涂料光譜的變化，將涂料光譜置于以橫軸為時間、縱軸為波長的圖譜坐標(biāo)內(nèi)。為便于定量分析建筑反射隔熱涂料光譜的反射、吸收特征在時間維度的減損規(guī)律，以首次測定的涂料光譜為標(biāo)準(zhǔn)，分別將4月—10月份測定的涂料光譜與首次測定的光譜進(jìn)行除法、減法處理，以定量分析涂料反射率的減損規(guī)律；針對涂料光譜的吸收特征的減損規(guī)律，選用去包絡(luò)線、吸收峰深度法對涂料進(jìn)行光譜處理，以研究分析涂料吸收特征的減損特征。借助ENVI5.1專業(yè)軟件對光譜進(jìn)行去包絡(luò)線處理，然后基于去包絡(luò)線提取光譜的吸收峰深度，其具體計(jì)算公式如式（1）

Di=1-Ri （1）

式（1）中，Di為位于inm處的吸收峰深度，Ri為位于inm處去包絡(luò)線的值。

3、結(jié)果與討論

3.1光譜分析

為便于直觀分析建筑反射隔熱涂料光譜反射率隨時間的變化規(guī)律，將0.1~2.5mm厚度的反射隔熱涂料的光譜利用圖譜形式展示，如圖1所示，其中厚度為0.4和0.5mm的建筑反射隔熱涂料受外界環(huán)境影響較大，其光譜與其他厚度的光譜在近紅外區(qū)域的差異較大，為客觀反映建筑反射隔熱涂料光譜反射率或涂料性能的減損規(guī)律，將0.4和0.5mm的涂料光譜不納入分析范圍。

圖2 3月—10月0.1~2.5mm厚度的涂料光譜圖

由圖2可知，0.1~2.5nm厚度的建筑反射隔熱涂料光譜反射率均隨時間的遞增而逐步減弱，350~1650nm區(qū)域的光譜反射特征減弱特征明顯，而位于1650~2250nm的近紅外區(qū)域光譜反射率的減弱幅度相對較少，而位于2250~2500nm的反射率則呈先降低后增加的趨勢；3月、4月、5月、10月測得的各厚度反射隔熱涂料的光譜反射率都隨厚度的增加先逐步增加，但厚度達(dá)到1.0mm后，建筑反射隔熱涂料的光譜率無明顯增加，這表明厚度對涂料光譜反射率或涂料性能的影響具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

綜上可知，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率在350~2250nm區(qū)域內(nèi)隨時間的增加而呈降低趨勢，而在2250~2500nm內(nèi)則呈先降低后增加的趨勢；厚度對涂料光譜反射率或涂料性能的影響有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖3 3月—10月0.1~2.5mm厚度涂料光譜的吸收峰深度圖

圖3為建筑反射隔熱涂料的反射光譜的吸收峰深度，由圖3可知，涂料在350~430與2200~2350nm區(qū)間內(nèi)具有較強(qiáng)的吸收特征，而在其他區(qū)間的吸收特征則相對較弱。在3月、4月、5月、10月采集的光譜于2200~2350nm區(qū)間吸收峰深度隨涂料厚度的增加而逐步增加，且各厚度涂料光譜的吸收峰深度的差異隨時間的增加而逐步減弱，當(dāng)厚度達(dá)到1.0mm后，厚度對涂料吸收峰深度的影響達(dá)到飽和；位于350~430nm區(qū)間的吸收峰深度隨時間增加的減弱幅度相對較小。從整體分析可知，位于350~430nm區(qū)間的吸收峰隨時間的增加而逐步降低，而位于2200~2350nm區(qū)間的吸收峰隨時間的增加則呈先增加而降低的趨勢，究其原因是涂料表面受外界因素影響覆蓋有其他雜質(zhì)，從而影響了涂料的光譜特征；綜上可知，建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時間的增加而降低，而涂料光譜吸收峰在不同光譜區(qū)間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。

3.2涂料反射光譜特性

減損特征圖4是4月—10月各建筑反射隔熱涂料光譜反射率與3月光譜反射率的比值。由圖4所示，從涂料光譜的整體分析可知，各建筑反射隔熱涂料的光譜反射率比值在時間尺度上呈遞減的趨勢；單一厚度涂料的各月光譜在350~2500nm內(nèi)的反射率比值的變化規(guī)律具有較高的一致性；涂料光譜反射率比值在350~950nm區(qū)間的減弱幅度較大，其次為950~1750nm區(qū)間的光譜反射率比值。綜上可知，涂料的光譜反射率比值在時間維度呈遞減趨勢，尤其在350~950nm區(qū)間具有明顯變化；各厚度涂料光譜反射率比值的變化趨勢具有較強(qiáng)的一致性。

圖4 4月—10月光譜除以3月光譜反射率

為分析建筑反射隔熱涂料的光譜特征的降幅規(guī)律，將各月建筑反射隔熱涂料的光譜反射率逐月相減，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，各建筑反射隔熱涂料的光譜反射特征的減弱幅度隨時間的增加呈先增加后降低的趨勢，且在5月達(dá)到最高，這表明建筑反射隔熱涂料的性能隨時間的增加而降低；在1950~2500nm區(qū)間，建筑反射隔熱涂層的光譜特征的減弱幅度隨時間的增加呈先增加后減少的趨勢，3月—4月、4月—5月、5月—10月內(nèi)各建筑反射隔熱涂料光譜的減弱幅度隨厚度的增加而增加，這表明涂料厚度的增加有助于保持建筑反射隔熱涂料的性能。在950~1950nm區(qū)間內(nèi)的涂料光譜減弱幅度隨時間的增加而呈持續(xù)降低的規(guī)律；在350~950nm涂料光譜減弱幅度隨時間的增加而呈先升后降的規(guī)律，3月—4月、4月—5月、5月—10月內(nèi)各建筑反射隔熱涂料的減弱幅度隨厚度的增加而逐步減弱。綜上可知，涂料光譜反射率的減弱幅度在時間維度上呈先增后降的趨勢；涂料厚度對涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響，不同光譜區(qū)間具有不同的變化規(guī)律。

圖5 各月涂料光譜逐次遞減圖

從圖2—圖5可知，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時間的增加而降低，光譜反射率的降低幅度隨時間的增加呈先增后減的規(guī)律，且在可見光區(qū)間的降低幅度明顯高于近紅外；建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時間的增加而降低，而涂料光譜吸收峰在不同光譜區(qū)間呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；厚度對涂料光譜反射率或涂料性能具有重要影響且擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，厚度對涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響，不同光譜區(qū)間具有不同的變化規(guī)律。單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時間變化的一致性，隨時間的增加而變?nèi)酢?/p>

3.3討論

建筑反射隔熱涂的性能是建筑節(jié)能效果的主要評價指標(biāo)，然而受外界光照、氣象及其他因素的影響，建筑反射隔熱涂料的反射隔熱性能會受到不同程度的減損，因此建筑反射隔熱涂料性能的演化是建筑在一定時段內(nèi)節(jié)能效果的重要基礎(chǔ)資料。然而當(dāng)前研究多偏重于涂料組分的研究偏多，少見針對開展涂料室外外置實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究，為探尋外置建筑反射隔熱涂料在時間尺度上的減損特征，以地面實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定量分析建筑反射隔熱涂料的反射特征、吸收特征在時間尺度的演化特征，從而為涂料的維護(hù)與建筑節(jié)能的評價提供基礎(chǔ)理論與方法，結(jié)果表明：涂料光譜反射率在時間維度的變化規(guī)律受波長影響較大：其中，位于350~2250nm區(qū)間的建筑反射隔熱涂料的反射率整體隨外置時間的增加而呈先增后降的規(guī)律，而在2250~2500nm區(qū)間的涂料反射率則隨時間的增加而呈先降后升的規(guī)律，究其原因是由于涂料表面易受土壤顆粒、灰塵等粉塵覆蓋影響，對光的穿透性具有較強(qiáng)影響，因而在不同區(qū)間呈現(xiàn)不同的演化規(guī)律；在涂料光譜的吸收峰深度方面，單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時間變化的一致性，隨時間的增加而變?nèi)酢Ｍ苛瞎庾V反射率的減弱幅度在時間維度上呈先增后降的趨勢，且厚度對涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響。

盡管本研究借助高光譜技術(shù)研究分析了不同厚度涂料性能的演化規(guī)律，但仍存在不足具體如下：

（1）雖然研究深入分析了各厚度涂料的演化規(guī)律，確認(rèn)了涂料施工厚度變化區(qū)間，但未構(gòu)建用于描述建筑反射隔熱涂料在時間尺度上的減損特征的模型，仍需進(jìn)一步深入研究。

（2）本研究將涂料樣本置于同一高度，未能分析高度對建筑反射隔熱涂料性能減損的影響，而涂料距地面的高度也是影響涂料減損的因子，因此，仍需開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)分析。

4、結(jié)論

通過分析0~2.5mm厚度的涂料的光譜反射率隨時間增加的變化規(guī)律，研究建筑反射隔熱涂料性能隨時間的減損性能，以期為建筑反射隔熱涂料的施工參量提供基礎(chǔ)方法與理論支撐，研究結(jié)論如下：

（1）在350~2250nm波段區(qū)間內(nèi)，建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時間的增加而降低；光譜反射率的降低幅度在1月—5月內(nèi)呈增加趨勢，而在5月—10月內(nèi)呈遞減規(guī)律，且光譜反射率在可見光區(qū)間的降低幅啡明顯高于近紅外區(qū)域。

（2）建筑反射隔熱涂料的吸收峰深度隨時間的增加而降低，降低幅度在0~0.163內(nèi)。

（3）厚度對涂料光譜反射率或涂料性能具有重要影響且擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，厚度對涂料光譜反射率的減弱幅度具有較強(qiáng)影響。單一厚度的建筑反射隔熱涂料的光譜反射率隨時間變化的一致性，隨時間的增加而變?nèi)酢?/p>

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審核編輯 黃宇