一種建筑節(jié)能涂料反射特性的實(shí)驗(yàn)研究

1、一種建筑節(jié)能涂料反射特性的實(shí)驗(yàn)研究1 引 言 太陽熱反射涂料因其對太陽光的高反射率成為一種建造節(jié)能涂料,用在外墻和屋頂可以顯著地降低夏日室內(nèi)溫度,節(jié)省空調(diào)耗電,提高室內(nèi)環(huán)境熱舒服性13。研究表明涂料的節(jié)能程度與其在太陽光譜波段的反射率成正比4。太陽輻射的能量主要集中在波長為0.22.5m的范圍內(nèi),其中紫外區(qū)(0.20.4m)占總能量的5%,可見光區(qū)(0.40.72m)占45%,近紅外區(qū)(0.722.5m)占50%5。研究節(jié)能涂料在太陽輻射能量集中區(qū)域的反射特性是很有須要的。 表征涂料反射性能的重要參數(shù)之一是反射比其定義是給定表面的反射輻射與入射輻射能量之比。目前國內(nèi)大多采用青島海洋化工研究院設(shè)

2、計的簡易裝置來測定涂料的太陽光反射比5,6。應(yīng)用該裝置測試反射比雖然容易,但存在一些弊端6。例如,測試裝置采用碘鎢燈來模擬太陽熱輻射,但碘鎢燈放射光譜中能量對波長的分布與太陽輻射光譜不全都,并且不同碘鎢燈的放射光譜也不同。 國外一般采用帶積分球的紫外/可見/近紅外分光光度計測量涂料的反射比6,7,樣品的入射角在610左右,因此只能得到近法向入射的反射比然而一天中太陽的高度是不斷變化的,太陽光對屋頂及外墻表面的入射角也在變化,因此研究涂料在不同入射角度的反射特性對建造墻體的傳熱分析具有重要意義。 雙向反射分布函數(shù)(BRDF)是描述表面反射特性的基本參數(shù),已廣泛應(yīng)用于材料表面性質(zhì)的研究810。張偉

3、等11測量了錫箔和陶瓷在不同入射角及不同波長譜段的雙向反射分布函數(shù),材料顯示出比較顯然的鏡向反射特性。謝鳴等12測量了花崗巖表面的雙向反射分布函數(shù),分析了入射角度和波長對雙向反射分布函數(shù)的影響。本文測量了太陽熱反射涂料的雙向反射分布函數(shù),分析入射角、入射波長和涂層厚度對反射率的影響。 2 雙向反射分布函數(shù)與半球反射率 2.1 雙向反射分布函數(shù) 雙向反射分布函數(shù)(BRDF)是某一方向的光譜輻射強(qiáng)度與入射能量之比,其定義式為13: 式中i和i分離為入射光芒的極角和方位角,r和r是反射光芒的極角和方位角,其定義如圖1所示。 Ii,icosidi是立體角di內(nèi)、單位時光、單位面積的入射能量,Ii,i;

4、r,r是由入射光引起的r,r方向的光譜輻射強(qiáng)度。BRDF是一個描述表面反射特性的基本參數(shù),倘若已知半球空間內(nèi)全部方向的fBRDF-i,i;r,r,則可求出表面全部的反射特性參數(shù)13。 2.2 半球反射率 光譜方向-半球反射率i,i,2表示囫圇半球內(nèi)反射的能量占入射能量的比例,其定義為13: 它與BRDF的關(guān)系是13: 入射方位角i不變時,若BRDF與反射方位角r無關(guān),則(3)式可簡化成: 3 試驗(yàn)測量 3.1 樣品制作 試驗(yàn)所用涂料以丙烯酸乳液加入空心玻璃微珠和金屬微粒制備而成。測試樣品的打算過程是先將玻璃用去離子水清洗后晾干,然后再抹上涂料自然干燥。樣品分成3組,每組4塊樣品的涂層厚度基本相

5、同,第1組平均厚度為0.24mm,第2組為0.31mm,第3組為0.42mm。以下論述中,樣品標(biāo)號第1個數(shù)字表示組別,第2個數(shù)字表示該組中樣品序號。目測樣品表面勻稱,無顯然凸起和凹坑,用高精度表面粗糙度測量儀測得樣品#2-3的粗糙度Ra為0.735m。 3.2 試驗(yàn)系統(tǒng) BRDF的測量分為直接測量和間接測量,本次試驗(yàn)采用的是直接測量,其測量方程如下14,15: 式中Si和Sr是探測器接收的入射輻射和反射輻射的信號值。dr是反射立體角,dr=Ar/D2,式中Ar是探測器的接收面積,D是探測器和樣品之間的距離。試驗(yàn)裝置由光源系統(tǒng)、自動測角儀和探測器組成。激光光源帶有驅(qū)動器和溫控儀,輸出功率穩(wěn)定,波

6、長漂移小。激光發(fā)出的單色光通過光闌、透鏡、擴(kuò)束鏡、斬光器和起偏器后,被分束鏡分成兩束,一束光作為參比信號,另一束投射到樣品,其反射信號被在半球面上移動的探測器接收。參比信號和反射信號經(jīng)過前置放大器和鎖相放大器后輸出。計算機(jī)通過高精度轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)變樣品和探測器的角度。試驗(yàn)系統(tǒng)的原理如圖2所示。 4 測量結(jié)果及分析 4.1 BRDF特性分析 從試驗(yàn)結(jié)果來看,當(dāng)入射角、入射波長和偏振狀態(tài)相同時,不同樣品的BRDF變化邏輯基本全都,圖3給出了12塊樣品BRDF的平均值及樣品標(biāo)準(zhǔn)方差,圖中曲線表示的是BRDF的平均值,誤差線給出了樣品標(biāo)準(zhǔn)方差。從圖中可以看出,惟獨(dú)在反射極角較大的狀況下方差比較大。為便利爭論,

7、圖47均以涂刷兩次的樣品的測量值來描述。 圖3(a)的測試條件是p偏振入射。當(dāng)入射角為0時,BRDF曲線關(guān)于法向基本對稱。入射角為45時,BRDF隨反射角變化比較平緩;但在反射角為45位置上BRDF曲線消失微弱的雙峰。入射角為15和30時BRDF的變化狀況與45的類似,圖3(a)中未顯示。與入射角為45相比,入射角為60時,鏡反射方向上的峰值顯然增大,而在反射角為-60的峰值也有所增大。 圖3(b)的測試條件是入射為s偏振。入射角為0時BRDF曲線關(guān)于法向基本對稱。當(dāng)入射角為45和60時,BRDF在鏡反射方向附近消失峰值,且隨著入射角的增大,峰值也增大,入射角為60時BRDF的峰值是45的4倍

8、。比較圖3(a),(b),涂料在s偏振下的BRDF值大于p偏振的BRDF。緣由可能是:粗糙表面可以看成由許多微表面組成,入射光在微表面的反射為鏡向反射。倘若入射角和反射角都相同,BRDF與微表面的鏡向反射率成正比16。材料s偏振的反射率比p偏振的大。因此,BRDF的特點(diǎn)是s偏振比p偏振大。 大多數(shù)狀況下熱輻射都是非偏振的,因此研究非偏振入射光的BRDF更有實(shí)際意義。圖4給出了波長為635nm無偏振入射光的BRDF,圖中可見BRDF的變化趨勢基本和s偏振入射相同,變化邏輯也是BRDF隨著入射角的增大,前向散射峰值變大,鏡向反射特性更顯然。這與表面粗糙度的影響有關(guān),一種劃分表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)是12:

9、光潔表面(h/25cosi);中等粗糙面(/25cosih/8cosi);粗糙表面(h/8cosi)(h表示表面上兩點(diǎn)的相對高度)。因此對于同一樣品,當(dāng)入射波長不變時,隨著的增大,表面表現(xiàn)得更為光潔,鏡向反射特性更為突出。 圖5比較了不同波長的BRDF。入射波長為980nm的BRDF比635nm鏡向反射特性更為突出,即前向散射峰值增大。這是因?yàn)椴ㄩL越大,同一樣品對入射光變得更為光潔。 圖6給出了樣品#2-2在法向入射時,不同反射方位角的BRDF?？梢钥闯?除了反射極角很大的狀況,方位角不同引起的BRDF的差別較小。反射極角為大角度時不同方位角的BRDF的差別較大,緣由可能是這些位置上測量值的不

10、決定度較大。總體上看,法向入射時反射方位角對BRDF的影響較小,涂料表現(xiàn)為各向同性。 4.2 法向半球反射率 按照(4)式,倘若BRDF和反射方位角無關(guān),只要測量入射平面的BRDF,就可以計算法向半球反射率。盡管涂料測量結(jié)果顯示出反射極角為大角度Fig.6BRDFofdifferentreflectionazimuthangle時不同方位角的BRDF存在一定差別,然而因?yàn)槌朔e中存在cosr項,其對計算結(jié)果的影響可以忽視。法向入射時入射平面的BRDF如圖7所示,波長為635nm的BRDF基本比980nm的要大。雖然3組樣品的厚度不同,但計算得到的法向半球反射率基本相同。涂料厚度在0.24mm到0.42mm之間時,涂層厚度對半球反射率的影響很小。入射波長為635nm時半球反射率是83%,波長為980nm時半球反射率是75%。 5 結(jié) 論 通過試驗(yàn)研究了多種因素對太陽熱反射涂料雙向反射分布函數(shù)的影響。法向入射時,BRDF曲線關(guān)于法向基本對稱。斜向入射時,BRDF曲線在鏡反射方向消失峰值。入射光為p偏振時,在后向散射方向,也會消失微弱的峰值。非偏振入射光的BRDF曲線與s偏振時的BRDF基本