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什么导致了不锈钢包层的节能效果?

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什么导致了不锈钢包层的节能效果?

搜不锈资讯 发表于 2017-7-24 16:25:42 浏览:  189 回复:  1 [显示全部楼层] 复制链接
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不锈钢卓越的热性能是由金属本身的R值(传热阻值)决定的,从而减少面板隔热系统的要求,以满足设计标准。更重要的是,它给设计者一个提高建筑物的能源效率的机会,一组面板和一个隔热系统。本文提供有关不锈钢对隔热建筑物的贡献方面的信息。


有一个高的太阳能反射屋顶对环境的好处是巨大的,但是他们的运行在成本上有什么变化吗?幸运的是,一个不锈钢解决方案的好处从节约能源的角度来看是一样巨大的,主要体现在较低了运营成本。


R值


很难将高反射率转化为“R”值,并使其直接受益,但如果在看似不同隔热要求的黑色屋顶和不锈钢屋顶在正常夏季高峰负荷下,是可以计算出其隔热要求的差异的。这可以转化为不同的成本,以避免产生不必要的空调能源成本。


这是公认的,在纬度为30--40°的地区,一个黑色的屋顶在晴朗的夏日里温度可以达到40°C以上。这些热量来源于吸收热量(800瓦特/平方米)的90%。而不锈钢屋顶只吸收热量的10%,因而与周围环境相比,温度只上升了10°C。因此,如果周围环境温度是35°C,那么建筑物内空调温度与黑色屋顶和不锈钢屋顶之间的温度差就不同了,建筑物内空调温度是25°C,黑色屋顶的表面温度为50°C,两者温差是25°C;而不锈钢屋顶的温度是45°C,温差为20°C。这种差异必须通过隔热或使用更多的能量来冷却黑色屋顶建筑来消除。


没有隔热的黑色屋顶建筑的热流量是吸收的太阳能的一半,或360瓦特/平方米。必要的热梯度为45°C ,使屋顶内部温度等于室内空气温度。这需要360瓦特/平方米/50°C的R值(公制)。1R = 7.2公制或1R = 41个正常的美国单位。不锈钢屋顶内部温度只有达到20°C以上,需要克服的热流量为40瓦特/平方米,所以它需要的R 值为2个单位公制,或是11个美国单位。夏季的不锈钢屋顶相对于黑色屋顶而言节约了30 R单位的能量。


一个良好的保温建筑的成本,如聚氨酯或聚氨酯泡沫的R值为 5,每平方米1.00美元/ R,一个黑色屋顶在获得不锈钢屋顶同等能量性能所带来的额外成本是30美元/平方米。


在冬季太阳能加热的影响是可以忽略不计的,因为冬季天气寒冷太阳高度角低且云层较多,所以隔离的太阳能(每日接收的总太阳能)较低。然而,辐射系数成为比反射率更重要的一个因素。为什么呢?举一个例子:相同的筑物采用相同的隔热措施,热损失的最后一步源于从外部表面的辐射。再者在没有风的干扰下,具有同等的隔热,热损失与辐射系数成正比,也就是物体表面发出热辐射的能力,或失去热量的能力。因为所有的损失是红外辐射波长,所发出的热量被困在大气中。不锈钢屋顶的辐射系数是0.21,而黑色屋顶的是0.90,也就是说隔热建筑的23%(0.21/0.9)与黑色屋顶建筑的热损失相等。因此,不锈钢的优势在冬季与夏季几乎是相同的。重要的是,寒冷气候的年度能源支出比炎热气候的更大。对于高反射率/低辐射系数的屋顶,特别是不锈钢屋顶,不受冷气候这个不良因素的影响。黑色屋顶在冬天取暖帮助的神话是根本没有根据的。一个黑色的屋顶,虽然它在冬天为数不多的阳光明媚的天气里升温比较迅速,但却比低辐射屋顶更容易失去热量。同样,一些“冷屋顶”自夸具有增强的辐射系数来对抗热岛效应,那么在冬季也会面临热量损失提高的难题。


因此,一个凉爽的不锈钢屋顶其R值是30,在温暖和寒冷的气候下全年都具有优势,并将其转化为隔热节能。除了这种纯隔热成本的节约外,还有一种节约成本的方式在于建筑师在隔热材料的厚度上有自由裁定的范围,可以选择厚度为5至7英寸以下的隔热材料,以及在安装上节约的成本,在重量和空间上也几乎没什么成本。


我们已经表明,不锈钢和其他高反射率,低辐射系数率的材料,它们的表面是具有抵抗热辐射变暖的特性,而这种热辐射来源包括建筑自身的覆盖材料以及周围的环境世界。此外,凭借着相同的表面性质,它们把这种结构当作辐射屏障,尽量地减少能量的损失。这是一种完美的方式,很难找到与之相比的其他方法。它们能预防全球变暖和热岛,同时尽量减少能源使用。还有谁能做到这样呢?


反射率不会降低


在众多的建筑外墙高SRI(太阳能反射指数)产品中,不锈钢最明显的好处就是对环境的不透水性。这对金属材料来说腐蚀是最大的敌人。历史上最耐腐蚀的金属也是最珍贵的金属如:金、银和铂。除极少数外,这些都是一般建筑负担不起的。当铝首次被推广使用时,它有很大的潜力,但使用时如果建筑没有涂层,那它的耐腐蚀性是不够的。钢铁也是如此。锌和铜也容易腐蚀,但腐蚀的外观也有一些崇拜者。铅也具有相同的原因常在建筑中使用,尽管它是有毒的弱金属和重金属。只有不锈钢和钛在人类可以生活的任何环境中都有耐腐蚀性。因此,他们脱颖而出作为两种可行的裸金属可以无限期的保持其初始的表面品质。


为什么耐腐蚀性如此重要?当金属氧化,也就是腐蚀,它表面就具有其氧化物的物理性质。氧化物具有低反射率和高辐射系数。因此,当金属腐蚀,其最初的优越性能,如SRI特性就会降低。而这种腐蚀可能很快发生。如钢铁生锈只需几个小时,铜的氧化只需数日,铝则在几个月内就能氧化。第一个不锈钢建筑已经存在了将近100年而没有退化的迹象。非金属材料老化有其自身的问题。涂料是有机化学品。它们容易被环境中光(主要是紫外线)、温度、磨损和化学物品等因素降解。这些因素聚集在一起形成风化作用。当材料所处的天气,SRI和外观发生变化,所产生的结果是不好的。这就是最初的SRI值必须附上至少经历3年风化后现场测试的SRI值的原因。


有一定使用时间的不锈钢数据观测点不是三年的风化。匹兹堡市的大卫•劳伦斯会展中心140000平方米的不锈钢屋顶的数据观测是10年。很明显,即使是最好的涂料也会降解,三年内的平均下降速率是5%。没有更好的办法使其减速。因此,对于具有30年寿命的建筑物,其涂层的降解率为50%是不能排除的,而是实际上可能发生的。而不锈钢的变化只不过是表面上留下没有被风和雨清除的污垢。


隔热节能的高SRI材料不能作为仅具有隔热节能的材料进行记录,所以建筑师必须谨慎地判断材料。


都一样吗?


所有的不锈钢都一样吗?不,不锈钢的许多不同类型是因为化学成分的不同,因而有很多不同的表面处理方式。这两个因素决定了不锈钢的耐腐蚀性和抗污性。建筑上最常见的不锈钢是304型。它能完全抵御非海洋气候的腐蚀。在海洋气候,316不锈钢可以应用,它含有2%钼的,这是一个昂贵的成分。在更恶劣的环境中可以使用2003或2205不锈钢。这些后两者的含钼量较多,而且难以成型,但已成功地应用在阿拉伯半岛和夏威夷这种极端恶劣气候的建筑屋顶上。选择正确的不锈钢是重要的但也不困难,因为有很多可用的专家资源。


表面处理的影响更微妙。不锈钢热处理实现了制造商所需的机械和物理性能。热处理会产生大规模的氧化物,所以在这一步骤之后必须要用非常强的酸(即酸洗)去清除氧化物,这也溶解了表层上任何耐腐蚀性较低的地方,这在使用中可能会导致点蚀和穿孔。只要表面没有除去这种耐蚀性部分,那么材料就是完好无损的。


不幸的是,一些不锈钢如果制成不锈钢薄片后也会磨损。不锈钢表面处理可以追溯到20世纪三十年代,这是当时唯一一种使不锈钢拥有均一表面的方法,因为酸洗而表面斑驳。不锈钢的研磨,在生产# 4不锈钢表面的情况下,可以撕去表面。由于未经酸洗,耐腐蚀性受到损害。这种损失的大小约等于304和316之间的差异。这是非常重要的,所以要谨慎选择,不要使用磨损的不锈钢在建筑外部结构上。


有什么其他的选择吗?有一些非常好的。磨损的不锈钢表面可以通过变形辊轧制进行复制。这避免了表面耐腐蚀性的去除和损失。此外,还有其他滚动研磨抛光方式,可以形成各种各样的外观,包括那些重复的媒介喷射表面(媒介喷射是另一个研磨过程,可以保护耐腐蚀性)。在结构上来说,滚轧处理的表面具有一个更大的好处可能是,能形成非常均一和可再生的表面。这是在不锈钢粗磨下从来没有的,粗磨的表面会随着研磨介质的降解而不断变化。


滚轧成型可以复制磨损或喷丸处理的不锈钢表面,却不损伤不锈钢表面,并能减少视觉眩光,也能减少太阳照射的光而不显著降低材料的太阳能反射率或增加辐射系数。


保持洁净


高SRI的饰面保持清洁的能力差别很大。涂料是有机的,所以,大多数是容易弄脏的。有极性的有机分子吸引着其他极性分子。金属没有极性,因为它们分散的电子进行了云结合。清除金属表面的污渍和清除涂层表面的污渍是存在一些差别的。


第二个因素是机械损伤。金属比任何有机涂层都要硬得多,所以即使是在风和雨的驱动下,灰尘颗粒不能嵌入不锈钢中。


最后一个因素是捕获。这是表面在微观范围内而言的。大多数涂料是相当顺滑的,至少在最初阶段是这样的,所以在这方面他们是好的。


维护


屋顶往往是建筑物维护的最大负担,尤其是随着使用年龄的增长。大卫•劳伦斯会展中心的不锈钢屋顶其中一个伟大而又意想不到的好处是,它终身完全不需要维护。它可能永远都不需要。这座大楼刚刚获得LEED维护和运营的白金奖。它的管理层很高兴因为屋顶从来不是一个困难的来源。有趣的是,几年前主办G20会议的建筑,采用的是经研磨处理的同样的304不锈钢外墙板,却需要昂贵的手工清洗脏污费用。

匹兹堡市的一个研究案例


匹兹堡市的大卫•劳伦斯会展中心(DLCC)是一个因其绿色品质而受到高度赞扬的建筑,同时也获得了LEED金奖的认证。而它对环境的贡献远比当初设想的更大。140000平方米的屋顶是由304不锈钢制成的,尽管它具有低光泽的外观,但对太阳辐射的反射却很高。它将90%的太阳辐射反射到太空中,相比而言,美国城市建筑的平均水平只有15%。这避免了160瓦特/平方米的太阳能及其产生的全球变暖效应。这相当于25兆瓦的地球能源(根据美国的平均值200瓦特/平方米来计算全年平均太阳辐射)与一个城市平均值相比,城市均值相当于耗资6000万美元的15大型风力发电机运行均值的36%。DLCC只使用约2兆瓦,所以它非常有益于环境的平衡。DLCC具有良好的能源效率,对于它的建筑大小及运行使用来说,消耗的能源是很少的。但它有利于环境的被动反射太阳能效率远远超过LEED提出的有限的能源效率观点。随着这一足迹在匹兹堡市1%的地区蔓延,在金三角地区通过提高市中心的反射率来应对全球变暖。25兆瓦的风电厂不需要建造,其电厂所形成的能量相当于匹兹堡市中心其他办公大楼所需的电量。


DLCC不锈钢屋顶比黑色聚合物屋顶所增加的成本大约是每平方米约20美元,增加总值大约在280万美元。但它避免了6000万美元的环境成本。DLCC屋顶建设其实并非是绿色设计的预期核心。其主要意义在于可持续性和节省维护成本。意外的是很少有人知道不锈钢在设计的时候,它的特殊反射率对于节约能源和缓解热岛效应有关联作用。这是一个冒险的尝试也是一种奖励。DLCC不锈钢屋顶的SRI值在十年当中没有显著的改变,也不需要维护。因为它是不锈钢,它的寿命将超过100年。


结论


不锈钢包层的建筑是节能的,这一点我们在文中进行了详述,而不锈钢建筑对热岛的缓解作用是一个有利例证。

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iswvi 发表于 2018-1-14 11:54:02 显示全部楼层
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