缓解城市热岛效应 | 实现节能措施

Evaluating optical characteristic of functional material that is used for countermeasuring against heatisland and energy-saving

　在城市住宅和商业楼宇密集地区，往往可以观测到“热岛效应”（Heat Island Effect）的存在。由于城市建筑群密集、柏油路和水泥路面比郊区的土壤、植被具有更大的吸热率和更小的比热容，使得城市地区升温较快，并向四周和大气中大量辐射，造成了同一时间城区气温普遍高于周围的郊区气温。这种现象尤其在北京、上海、东京、纽约等大城市较为显著。它严重危及着人们的生活与健康，而且高温促使人们更多的使用空调、电扇等制冷设备，而这些都需要消耗大量的电力，这完全有悖于节能理念。因此，现在很多住宅和大厦等建筑物的屋顶、外墙涂料以及道路施工材料都采用可以把太阳光中红外线产生的热量返辐射回去的特殊材料，以此来抵挡室外热量传入室内。比如，目前已研发出可降低红外线透射率的玻璃膜等。
　日立紫外可见近红外分光光度计UH4150，作为分析光学材料性能的重要工具之一，用于研究解决“热岛效应”和能源浪费问题的功能性材料的光学特性。

隔热涂料

测定反射率

　隔热涂料和普通涂料颜色一样，它可以反射太阳光中的红外线，防止热辐射进入到建筑物内部。将这种隔热涂料涂于住宅或大厦的屋顶，不但可以起到隔热的作用，还不影响建筑物外观。解决“热岛效应”的同时实现了空调系统的高效节能。因此，近年来隔热涂料的光学特性测定受到广泛的关注。
　此次实验我们准备了黑色隔热涂料和普通涂料两种样品，通过UH4150的检测，对比它们的光学反射率。由于涂料具有漫反射性，反射光会发散向各个方向，因此，需要搭配积分球检测器（图1）进行测定。

图1　积分球检测器
将样品置于积分球后面，测定其全反射（镜面反射和漫反射）率

　根据测定结果（图2），普通涂料在可见区和红外区都展现出很低的反射率，而隔热涂料在红外区的反射率更高。根据日本JISK5602，定量分析两者的太阳光反射率特性。经计算得出，普通涂料的太阳光反射率为4.3％，而隔热涂料则高达22.5％。因此，我们可以得出结论：隔热涂料对太阳光的反射效率更高。

图2　隔热和普通涂料的全反射光谱

　这一系列的计算，无需人工手动计算，仅通过选配日立报告生成器和专业计算表，根据光谱反射率的测定结果，即可轻松获得输出分析报告。下面，是实验报告示例。

图3　太阳光反射率测定结果报告

色度分析

　在隔热涂料的开发和品质管理方面，除太阳光反射特性外，色调的管理也十分重要。这里，我们也可以通过UH4150进行色度分析。
　首先，使用150mm积分球测定普通涂料和隔热涂料的漫反射率，利用L*a*b*调色体系，在D₆₅光源、视觉区为10°的条件下，计算色度。

　L*代表明度，a*和b*分别代表色相和彩度（a*：绿色、红色，b*：蓝色、黄色）

　经计算得出，隔热涂料的L*为22.44，普通涂料的L*为24.96，普通涂料的亮度比隔热涂料的明亮度略高。a*和b*的数值接近零，表示样品的色调为非彩色。虽然普通涂料的明度较高，但是二者的色相和彩度大致一样，因此，我们可以确定，两种涂料均为黑色。
　这些色度分析数据，可以通过日立选配专业软件（色度计算程序），轻松获得。图4为专业软件的分析数据，其内容包括：彩色显示色度坐标（x，y），L*a*b*调色体系，HunterLab调色体系的色度图，同时还可以确认待测样品的坐标和颜色。为便于多样品对比，色度分析数据都以表格形式呈现出来。

图4　通过色度计算程序获得的隔热涂料分析结果

　通过UH4150和色度分析程序，不仅适用于涂料，还可以用于窗帘、百叶窗、比值等建筑内装材料的分析，这种方法也是定量管理颜色的有效手段。

调光膜

　以建筑物内部损耗热量最大的窗户为例，太阳光通过窗户射入室内，会使室温升高。为此，我们通过采用能够阻断红外光射入，只允许可见光射入的窗户玻璃专用功能性薄膜。这种薄膜就是调光膜，它可以大幅降低太阳能热量进入室内。与传统的百叶窗和窗帘不同，调光膜依然保证室内光照充足、房间明亮，而且室外风景一览无余。此外，它还可以间接提高室内空调系统的制冷效率，达到高效节能的效果。下面，我们也对调光膜的透射率作了进一步的分析。
　取3种不同的调光膜A、B、C，使用UH4150分别测定其紫外线透射率（300-380nm）、可见光透射率（380-780nm）和总日照透过率（300-2500nm）。测定结果（图5）可知，每种调光膜在可见区域的透射率都很高，但在紫外、红外区域的透射率均较低。根据JIS A5759计算：三种调光膜的紫外线透射率都在1％以下，这说明三种薄膜隔绝紫外线的效果都很好；A在红外区900～1100nm处，过滤了大量的红外光，波长特征显著；与B相比，A的可见光透射率高，总日照透射率低。由此得出结论：调光膜A可以在隔绝大量太阳光的同时，保持较高的可见光透过。调光膜C的可见光透射率虽然较低，但是可以最大程度上隔绝太阳光。

图5　调光膜的透射光谱

　城市“热岛效应”，由于人为原因，改变了城市地表的局部温度、湿度、空气对流等因素，加之近年来空气污染的雾霾现象，现已应引起人们的高度重视，治理刻不容缓。多个城市社区现已积极修复生态体系、改造新建城市基础设施建设，全面推进海绵城市建设。日立集团基于“通过开发先进的自主技术和产品为社会做贡献”这一企业理念，希望通过自主研发技术对解决“热岛效应”问题这一重要的社会课题做贡献，实现可持续发展社会的目标。