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一种建筑节能涂料反射特性的实验研究
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内容提示：太阳热反射涂料用在建筑物上可以节约空调制冷耗能,提高室内环境热舒适性。其作用效果与节能涂料的反射率密切相关。在太阳光谱范围内,反射率越大,效果越明显。通过实验研究波长、入射角及涂料厚度对反射率的影响。测量涂料在可见光区域内波长为635 nm及近红外区域内波长为980 nm的双向反射分布函数(BRDF),根据双向反射分布函数得到法向半球反射率,比较涂层厚度对半球反射率的影响。
1 引 言
太阳热反射涂料因其对太阳光的高反射率成为一种建筑节能涂料,用在外墙和屋顶可以显著地降低夏日室内温度,节约空调耗电,提高室内环境热舒适性[1~3]。研究表明涂料的节能程度与其在太阳光谱波段的反射率成正比[4]。太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2~2.5μm的范围内,其中紫外区(0.2~0.4μm)占总能量的5%,可见光区(0.4~0.72μm)占45%,近红外区(0.72~2.5μm)占50%[5]。研究节能涂料在太阳辐射能量集中区域的反射特性是很有必要的。（参考《建筑中文网》）
表征涂料反射性能的重要参数之一是反射比其定义是给定表面的反射辐射与入射辐射能量之比。目前国内大多采用青岛海洋化工研究院设计的简易装置来测定涂料的太阳光反射比[5,6]。应用该装置测试反射比虽然简单,但存在一些弊端[6]。例如,测试装置采用碘钨灯来模拟太阳热辐射,但碘钨灯发射光谱中能量对波长的分布与太阳辐射光谱不一致,并且不同碘钨灯的发射光谱也不同。
国外一般采用带积分球的紫外/可见/近红外分光光度计测量涂料的反射比[6,7],样品的入射角在6°~10°左右,因此只能得到近法向入射的反射比然而一天中太阳的高度是不断变化的,太阳光对屋顶及外墙表面的入射角也在变化,因此研究涂料在不同入射角度的反射特性对建筑墙体的传热分析具有重要意义。
双向反射分布函数(BRDF)是描述表面反射特性的基本参数,已广泛应用于材料表面性质的研究[8~10]。张伟等[11]测量了锡箔和陶瓷在不同入射角及不同波长谱段的双向反射分布函数,材料显示出比较明显的镜向反射特性。谢鸣等[12]测量了花岗岩表面的双向反射分布函数,分析了入射角度和波长对双向反射分布函数的影响。本文测量了太阳热反射涂料的双向反射分布函数,分析入射角、入射波长和涂层厚度对反射率的影响。
2 双向反射分布函数与半球反射率
2.1 双向反射分布函数
双向反射分布函数(BRDF)是某一方向的光谱辐射强度与入射能量之比,其定义式为[13]:
式中θi和βi分别为入射光线的极角和方位角,θr和βr是反射光线的极角和方位角,其定义如图1所示。
Iλθi,βicosθidΩi是立体角dΩi内、单位时间、单位面积的入射能量,I′λθi,βi;θr,βr是由入射光引起的θr,βr方向的光谱辐射强度。BRDF是一个描述表面反射特性的基本参数,如果已知半球空间内所有方向的fBRDF-λθi,βi;θr,βr,则可求出表面所有的反射特性参数[13]。
2.2 半球反射率
光谱方向-半球反射率ρλθi,βi,2π表示整个半球内反射的能量占入射能量的比例,其定义为[13]:
它与BRDF的关系是[13]:
入射方位角βi不变时,若BRDF与反射方位角βr无关,则(3)式可简化成:
3 实验测量
3.1 样品制作
实验所用涂料以丙烯酸乳液加入空心玻璃微珠和金属微粒制备而成。测试样品的准备过程是先将玻璃用去离子水清洗后晾干,然后再抹上涂料自然干燥。样品分成3组,每组4块样品的涂层厚度基本相同,第1组平均厚度为0.24mm,第2组为0.31mm,第3组为0.42mm。以下论述中,样品标号第1个数字表示组别,第2个数字表示该组中样品序号。目测样品表面均匀,无明显凸起和凹坑,用高精度表面粗糙度测量仪测得样品#2-3的粗糙度Ra为0.735μm。
3.2 实验系统
BRDF的测量分为直接测量和间接测量,本次实验采用的是直接测量,其测量方程如下[14,15]:
式中Si和Sr是探测器接收的入射辐射和反射辐射的信号值。dΩr是反射立体角,dΩr=Ar/D2,式中Ar是探测器的接收面积,D是探测器和样品之间的距离。实验装置由光源系统、自动测角仪和探测器组成。激光光源带有驱动器和温控仪,输出功率稳定,波长漂移小。激光发出的单色光通过光阑、透镜、扩束镜、斩光器和起偏器后,被分束镜分成两束,一束光作为参比信号,另一束投射到样品,其反射信号被在半球面上移动的探测器接收。参比信号和反射信号经过前置放大器和锁相放大器后输出。计算机通过高精度转台改变样品和探测器的角度。实验系统的原理如图2所示。
4 测量结果及分析
4.1 BRDF特性分析
从实验结果来看,当入射角、入射波长和偏振状态相同时,不同样品的BRDF变化规律基本一致,图3给出了12块样品BRDF的平均值及样品标准方差,图中曲线表示的是BRDF的平均值,误差线给出了样品标准方差。从图中可以看出,只有在反射极角较大的情况下方差比较大。为方便讨论,图4~7均以涂刷两次的样品的测量值来描述。
图3(a)的测试条件是p偏振入射。当入射角为0时,BRDF曲线关于法向基本对称。入射角为45°时,BRDF随反射角变化比较平缓;但在反射角为±45°位置上BRDF曲线出现微弱的双峰。入射角为15°和30°时BRDF的变化情况与45°的类似,图3(a)中未显示。与入射角为45°相比,入射角为60°时,镜反射方向上的峰值明显增大,而在反射角为-60°的峰值也有所增大。
图3(b)的测试条件是入射为s偏振。入射角为0时BRDF曲线关于法向基本对称。当入射角为45°和60°时,BRDF在镜反射方向附近出现峰值,且随着入射角的增大,峰值也增大,入射角为60°时BRDF的峰值是45°的4倍。比较图3(a),(b),涂料在s偏振下的BRDF值大于p偏振的BRDF。原因可能是:粗糙表面可以看成由很多微表面组成,入射光在微表面的反射为镜向反射。如果入射角和反射角都相同,BRDF与微表面的镜向反射率成正比[16]。材料s偏振的反射率比p偏振的大。因此,BRDF的特点是s偏振比p偏振大。
大多数情况下热辐射都是非偏振的,因此研究非偏振入射光的BRDF更有实际意义。图4给出了波长为635nm无偏振入射光的BRDF,图中可见BRDF的变化趋势基本和s偏振入射相同,变化规律也是BRDF随着入射角的增大,前向散射峰值变大,镜向反射特性更明显。这与表面粗糙度的影响有关,一种划分表面粗糙度的标准是[12]:光滑表面(h<λ/25cosθi);中等粗糙面(λ/25cosθi<h<λ/8cosθi);粗糙表面(h>λ/8cosθi)(h表示表面上两点的相对高度)。因此对于同一样品,当入射波长λ不变时,随着θ的增大,表面表现得更为光滑,镜向反射特性更为突出。
图5比较了不同波长的BRDF。入射波长为980nm的BRDF比635nm镜向反射特性更为突出,即前向散射峰值增大。这是由于波长越大,同一样品对入射光变得更为光滑。
图6给出了样品#2-2在法向入射时,不同反射方位角的BRDF。可以看出:除了反射极角很大的情况,方位角不同引起的BRDF的差别较小。反射极角为大角度时不同方位角的BRDF的差别较大,原因可能是这些位置上测量值的不确定度较大。总体上看,法向入射时反射方位角对BRDF的影响较小,涂料表现为各向同性。
4.2 法向半球反射率
根据(4)式,如果BRDF和反射方位角无关,只要测量入射平面的BRDF,就可以计算法向半球反射率。尽管涂料测量结果显示出反射极角为大角度Fig.6BRDFofdifferentreflectionazimuthangle时不同方位角的BRDF存在一定差别,然而由于乘积中存在cosθr项,其对计算结果的影响可以忽略。法向入射时入射平面的BRDF如图7所示,波长为635nm的BRDF基本比980nm的要大。虽然3组样品的厚度不同,但计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之间时,涂层厚度对半球反射率的影响很小。入射波长为635nm时半球反射率是83%,波长为980nm时半球反射率是75%。
5 结 论
通过实验研究了多种因素对太阳热反射涂料双向反射分布函数的影响。法向入射时,BRDF曲线关于法向基本对称。斜向入射时,BRDF曲线在镜反射方向出现峰值。入射光为p偏振时,在后向散射方向,也会出现微弱的峰值。非偏振入射光的BRDF曲线与s偏振时的BRDF基本类似,随着入射角度和波长的增大,镜向反射特性表现得越来越明显,即前向散射峰值增大。通过入射平面内BRDF的测量值计算了涂料的法向-半球反射率,结果表明涂层厚度对法向-半球反射率的影响很小。涂料厚度在0.24mm到0.42mm之间时,波长为635nm时的半球反射率是83%,波长为980nm时的半球反射率是75%。
太阳热反射涂料因其对太阳光的高反射率成为一种建筑节能涂料,用在外墙和屋顶可以显著地降低夏日室内温度,节约空调耗电,提高室内环境热舒适性[1~3]。研究表明涂料的节能程度与其在太阳光谱波段的反射率成正比[4]。太阳辐射的能量主要集中在波长为0.2~2.5μm的范围内,其中紫外区(0.2~0.4μm)占总能量的5%,可见光区(0.4~0.72μm)占45%,近红外区(0.72~2.5μm)占50%[5]。研究节能涂料在太阳辐射能量集中区域的反射特性是很有必要的。（参考《建筑中文网》）
表征涂料反射性能的重要参数之一是反射比其定义是给定表面的反射辐射与入射辐射能量之比。目前国内大多采用青岛海洋化工研究院设计的简易装置来测定涂料的太阳光反射比[5,6]。应用该装置测试反射比虽然简单,但存在一些弊端[6]。例如,测试装置采用碘钨灯来模拟太阳热辐射,但碘钨灯发射光谱中能量对波长的分布与太阳辐射光谱不一致,并且不同碘钨灯的发射光谱也不同。
国外一般采用带积分球的紫外/可见/近红外分光光度计测量涂料的反射比[6,7],样品的入射角在6°~10°左右,因此只能得到近法向入射的反射比然而一天中太阳的高度是不断变化的,太阳光对屋顶及外墙表面的入射角也在变化,因此研究涂料在不同入射角度的反射特性对建筑墙体的传热分析具有重要意义。
双向反射分布函数(BRDF)是描述表面反射特性的基本参数,已广泛应用于材料表面性质的研究[8~10]。张伟等[11]测量了锡箔和陶瓷在不同入射角及不同波长谱段的双向反射分布函数,材料显示出比较明显的镜向反射特性。谢鸣等[12]测量了花岗岩表面的双向反射分布函数,分析了入射角度和波长对双向反射分布函数的影响。本文测量了太阳热反射涂料的双向反射分布函数,分析入射角、入射波长和涂层厚度对反射率的影响。
2 双向反射分布函数与半球反射率
2.1 双向反射分布函数
双向反射分布函数(BRDF)是某一方向的光谱辐射强度与入射能量之比,其定义式为[13]:
式中θi和βi分别为入射光线的极角和方位角,θr和βr是反射光线的极角和方位角,其定义如图1所示。
Iλθi,βicosθidΩi是立体角dΩi内、单位时间、单位面积的入射能量,I′λθi,βi;θr,βr是由入射光引起的θr,βr方向的光谱辐射强度。BRDF是一个描述表面反射特性的基本参数,如果已知半球空间内所有方向的fBRDF-λθi,βi;θr,βr,则可求出表面所有的反射特性参数[13]。
2.2 半球反射率
光谱方向-半球反射率ρλθi,βi,2π表示整个半球内反射的能量占入射能量的比例,其定义为[13]:
它与BRDF的关系是[13]:
入射方位角βi不变时,若BRDF与反射方位角βr无关,则(3)式可简化成:
3 实验测量
3.1 样品制作
实验所用涂料以丙烯酸乳液加入空心玻璃微珠和金属微粒制备而成。测试样品的准备过程是先将玻璃用去离子水清洗后晾干,然后再抹上涂料自然干燥。样品分成3组,每组4块样品的涂层厚度基本相同,第1组平均厚度为0.24mm,第2组为0.31mm,第3组为0.42mm。以下论述中,样品标号第1个数字表示组别,第2个数字表示该组中样品序号。目测样品表面均匀,无明显凸起和凹坑,用高精度表面粗糙度测量仪测得样品#2-3的粗糙度Ra为0.735μm。
3.2 实验系统
BRDF的测量分为直接测量和间接测量,本次实验采用的是直接测量,其测量方程如下[14,15]:
式中Si和Sr是探测器接收的入射辐射和反射辐射的信号值。dΩr是反射立体角,dΩr=Ar/D2,式中Ar是探测器的接收面积,D是探测器和样品之间的距离。实验装置由光源系统、自动测角仪和探测器组成。激光光源带有驱动器和温控仪,输出功率稳定,波长漂移小。激光发出的单色光通过光阑、透镜、扩束镜、斩光器和起偏器后,被分束镜分成两束,一束光作为参比信号,另一束投射到样品,其反射信号被在半球面上移动的探测器接收。参比信号和反射信号经过前置放大器和锁相放大器后输出。计算机通过高精度转台改变样品和探测器的角度。实验系统的原理如图2所示。
4 测量结果及分析
4.1 BRDF特性分析
从实验结果来看,当入射角、入射波长和偏振状态相同时,不同样品的BRDF变化规律基本一致,图3给出了12块样品BRDF的平均值及样品标准方差,图中曲线表示的是BRDF的平均值,误差线给出了样品标准方差。从图中可以看出,只有在反射极角较大的情况下方差比较大。为方便讨论,图4~7均以涂刷两次的样品的测量值来描述。
图3(a)的测试条件是p偏振入射。当入射角为0时,BRDF曲线关于法向基本对称。入射角为45°时,BRDF随反射角变化比较平缓;但在反射角为±45°位置上BRDF曲线出现微弱的双峰。入射角为15°和30°时BRDF的变化情况与45°的类似,图3(a)中未显示。与入射角为45°相比,入射角为60°时,镜反射方向上的峰值明显增大,而在反射角为-60°的峰值也有所增大。
图3(b)的测试条件是入射为s偏振。入射角为0时BRDF曲线关于法向基本对称。当入射角为45°和60°时,BRDF在镜反射方向附近出现峰值,且随着入射角的增大,峰值也增大,入射角为60°时BRDF的峰值是45°的4倍。比较图3(a),(b),涂料在s偏振下的BRDF值大于p偏振的BRDF。原因可能是:粗糙表面可以看成由很多微表面组成,入射光在微表面的反射为镜向反射。如果入射角和反射角都相同,BRDF与微表面的镜向反射率成正比[16]。材料s偏振的反射率比p偏振的大。因此,BRDF的特点是s偏振比p偏振大。
大多数情况下热辐射都是非偏振的,因此研究非偏振入射光的BRDF更有实际意义。图4给出了波长为635nm无偏振入射光的BRDF,图中可见BRDF的变化趋势基本和s偏振入射相同,变化规律也是BRDF随着入射角的增大,前向散射峰值变大,镜向反射特性更明显。这与表面粗糙度的影响有关,一种划分表面粗糙度的标准是[12]:光滑表面(h<λ/25cosθi);中等粗糙面(λ/25cosθi<h<λ/8cosθi);粗糙表面(h>λ/8cosθi)(h表示表面上两点的相对高度)。因此对于同一样品,当入射波长λ不变时,随着θ的增大,表面表现得更为光滑,镜向反射特性更为突出。
图5比较了不同波长的BRDF。入射波长为980nm的BRDF比635nm镜向反射特性更为突出,即前向散射峰值增大。这是由于波长越大,同一样品对入射光变得更为光滑。
图6给出了样品#2-2在法向入射时,不同反射方位角的BRDF。可以看出:除了反射极角很大的情况,方位角不同引起的BRDF的差别较小。反射极角为大角度时不同方位角的BRDF的差别较大,原因可能是这些位置上测量值的不确定度较大。总体上看,法向入射时反射方位角对BRDF的影响较小,涂料表现为各向同性。
4.2 法向半球反射率
根据(4)式,如果BRDF和反射方位角无关,只要测量入射平面的BRDF,就可以计算法向半球反射率。尽管涂料测量结果显示出反射极角为大角度Fig.6BRDFofdifferentreflectionazimuthangle时不同方位角的BRDF存在一定差别,然而由于乘积中存在cosθr项,其对计算结果的影响可以忽略。法向入射时入射平面的BRDF如图7所示,波长为635nm的BRDF基本比980nm的要大。虽然3组样品的厚度不同,但计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之间时,涂层厚度对半球反射率的影响很小。入射波长为635nm时半球反射率是83%,波长为980nm时半球反射率是75%。
5 结 论
通过实验研究了多种因素对太阳热反射涂料双向反射分布函数的影响。法向入射时,BRDF曲线关于法向基本对称。斜向入射时,BRDF曲线在镜反射方向出现峰值。入射光为p偏振时,在后向散射方向,也会出现微弱的峰值。非偏振入射光的BRDF曲线与s偏振时的BRDF基本类似,随着入射角度和波长的增大,镜向反射特性表现得越来越明显,即前向散射峰值增大。通过入射平面内BRDF的测量值计算了涂料的法向-半球反射率,结果表明涂层厚度对法向-半球反射率的影响很小。涂料厚度在0.24mm到0.42mm之间时,波长为635nm时的半球反射率是83%,波长为980nm时的半球反射率是75%。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14858.htm
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