影响混凝土密封剂性能的因素

  • 主题:建筑涂料、颜料、原材料
现代客厅内部木制餐具柜上方的复古粉色吸顶灯

作者:De Backer、MP Diebold 和 MP Milone,科慕公司

虽然墙壁亮度与照亮房间的电力需求之间存在直观的联系,但几乎没有数据报告可以量化这种关系。在这里,我们报告了在欧洲照明标准 EN12464-1:2011 规定的 500 勒克斯水平下照亮房间所需的相对电力负载,作为墙壁亮度的函数。房间被漆成白色、黑色和两种中间灰色阴影,并使用四种光级(用调光器控制)在多个位置和方向测量房间亮度,用于暖色和冷色荧光灯泡。结果与计算机建模进行了比较。根据这些结果,我们确定了涂有主要装饰涂料制造商指定的十多种“年度颜色”的房间的预期电气要求。结果与白墙的电气要求进行了比较。将深色墙壁涂成白色时,可以节省大量能源。

介绍

众所周知,在炎热的夏季气候地区,可以通过将建筑物的外表面,特别是屋顶涂成白色(或其他明亮的颜色)来减少电力消耗。这样可以最大限度地反射太阳辐射,从而最大限度地减少这些建筑物吸收的热量。这个概念已有数百年历史,但在过去十年中,它以“白色屋顶”或“白色建筑”倡议的形式重新引起了人们的兴趣和关注。1

虽然这些好处已得到广泛认可,但与鲜艳色彩相关的第二个鲜为人知的能源优势是。这种节省适用于足够明亮地照亮房间以执行该房间的任务所需的电量。根据任务的位置和方向(例如,在桌子上写字)以及灯具的位置,入射亮度的很大一部分可能来自房间墙壁反射的光。显然,墙壁的亮度会影响从它反射的光量。

照明用电量很大。在美国住宅领域,效率低下的白炽灯正被更高效的替代品(主要是 LED 和紧凑型荧光灯泡)积极取代。然而,这种转换远未完成。到2017年底,住宅照明使用的灯泡中有一半以上仍然是白炽灯。2那一年,住宅总能耗的 9% 用于照明。3

尽管欧洲在从白炽灯泡到更节能的光源的转变方面总体上更加完整,但仍有大量电力用于住宅照明。2017 年,英国 13% 的电力用于所有照明。4欧洲大陆的照明能源消耗更难以量化,因为在欧盟能源使用统计中照明与电器相结合。然而,据估计,在全球范围内,所有照明占总能耗的 15%,并且在 2015 年至 2030 年间,照明需求将增加 50% 。5

用明亮的颜色粉刷房间可以直接和间接节省电力。直接节省是显而易见的——随着亮度的增加,需要的光更少。在房间主动冷却期间获得间接节省。灯具中产生的大部分光的最终归宿是热量。对于白炽灯来说尤其如此,只有 2% 到 3% 的输入能量被转换成可见光;其余的以热量形式释放。通过减少用于产生足够光的能量,我们减少了冷却系统的电力负载。

我们可以将用于照明的电力与用于冷却建筑物的电力进行比较。在美国,估计 2017 年住宅用电量中有 9.6% 用于冷却。6在全球范围内,2017 年,总用电量的 10% 用于冷却。7虽然两种类型的能源消耗大致相等,但我们注意到凉爽的屋顶是当前公众感兴趣的话题,而明亮的房间则不然。

也就是说,建筑师意识到反射率会影响房间亮度,并且在建筑设计过程中有时会在计算中包括墙壁反射率,以确定照明设备的数量和位置。这些模型的基础是理论性的。这些模型已被用于优化办公室环境中的照明8,但据我们所知,还没有实验数据报告测量充分照亮实际房间所需的能量与墙壁亮度的函数关系。

在本文中,我们详细介绍了我们的实验结果,以确定作为平均大小的室内办公室墙壁亮度的函数的电能需求。然后,我们将实验结果与知名架构软件模型计算的结果进行比较。

实验性的

一间内部办公室被涂上了四种亮度的无彩色涂料:最亮的白色、两种灰色和黑色。这些涂料的三色 Y 反射值分别为 91、60、20 和 5。图 12显示了房间的示意图,显示了测量和灯具的位置,以及涂成黑色的房间图片. 房间有标准的吸音瓷砖天花板(三色 Y 反射值为 84)和中/深色地毯(三色 Y 反射值为 35)。天花板高度为 3.0 m,大多数测量距离地板 90 cm。例外情况是在每个照明设备下方 60 厘米处进行测量。这些测量用于确定光源的亮度,目的是在这些位置测量的所有光直接来自光源,而不是从墙壁反射。

亮度是在房间的六个位置测量的,仪表在这些位置以不同的角度定向(例如,水平、45°、面向最近的墙壁或面向内部)并使用两个不同的可调光荧光灯泡(25 W 4100K 和 32 W 6500K)。房间里有两个灯具,位于中心位置,每个灯具装有四个灯泡。每个固定装置上都放置了一个扩散板。在设定的墙壁亮度和灯泡类型中,在每个位置和方向探索了四个电功率级别。亮度随标准调光器而变化。

总共测量了 776 个亮度值,包括一式三份进行的一组测量。这些是使用 4100K 灯并在所有房间位置和方向进行测量的浅灰色房间。由此我们计算出光强度的平均标准偏差为 14.1 勒克斯,功率设置的平均标准偏差为 0.5 瓦。

典型结果如图 3所示。在这里,我们显示亮度值(在 y 轴上),对于每种房间颜色(单独的线),对于具有朝上方向的照度计的房间中间,作为四种不同调光器设置的函数(在x 轴)用于 4100K 灯。Lux 值 500 和 800 以红色突出显示。这些涵盖了通常推荐用于阅读和其他活动的值(见下文)。如图 3 中给出的高 Pearson R 平方值所示,每种墙壁颜色的功率设置和亮度值之间存在极好的线性关系。对于这些数据,R 平方值高于 0.980(R 值高于 0.990)在 0.01 水平上是显着的。图 3 中的所有四个实验线都满足此条件,确认光强度和功率之间的关系在这个范围内是线性的。线性是预期的,因为它表明在我们研究的范围内,光的照明效率不会随功率变化。9

结果和讨论

在这项研究中,我们有意使用了一个室内房间,而不是一个有窗户的房间。窗口会增加复杂性并混淆结果。我们预计白天的用电量会减少,此时房间会受益于明亮的户外环境,但晚上的用电量会显着增加,因为大部分落在窗户上的光线都会散失到室外。白天节省和晚上损失之间的平衡很难量化,因为这取决于房间的使用(工作或家庭)、一天的长度以及白天和夜间的活动小时数。此外,许多办公室没有窗户——在 2015 年对办公室员工的调查中,61.2% 的人表示他们没有坐在靠近窗户的地方,因此自然光很少。10

我们的兴趣在于两个勒克斯水平:500 勒克斯,这是欧洲照明标准 EN12464-1:2011 规定的,以及 800 勒克斯,在 2015 年的一项调查中被 60% 的欧洲办公室员工所青睐6,并推荐给 45 岁的员工使用或更老。11我们发现亮度对功率电平的响应在所有情况下都是线性的(示例参见图 3),因此对于给定的房间颜色和灯类型,将房间照明到 500 勒克斯所需的额外电力百分比,与将房间照明到 800 勒克斯所需的额外电力百分比相同(即,亮度与电力成线性关系)。

通过在每个灯具正下方放置一个光度计来确定四种灯光设置中每一种的灯光亮度。这是针对每种房间颜色进行的测量,以确认所测量的辐射完全来自灯光本身,只有微不足道的辐射量(如果有的话)来自墙壁。这被证实是这种情况。

我们的分析包括所有数据点,但为简洁起见,本文不会详细介绍所有这些点。相反,我们将专注于我们认为代表整个数据集的结果子集。该子集包括:

  • 房间中心;面向仪表的面朝上;4100K灯泡
  • 房间中心;仪表指向 45°;4100K灯泡
  • 靠墙(图1中的“墙2” );面向仪表的面朝上;4100K灯泡
  • 靠墙(图1中的“墙2” );仪表与房间成 45° 角;4100K灯泡

我们分析这些特定位置和方向的原因是我们相信它们与房间的不同用途相关。如果房间被用作会议室,那么桌子最有可能的位置是房间的中心。如果它被用作办公室,那么办公桌最有可能的位置是沿着墙壁。两种不同的方向(面朝上和 45°)用于观察平放在桌子或书桌上的物体,或用于在这些位置拿着书。

我们对这项工作的主要兴趣是确定将房间照明到不同墙壁暗度的相同水平所需的额外能量的相对量。我们将白色房间的结果视为基线,指定值为 1.0,并计算相对于基线值需要多少能量才能将房间照明到与白色房间相同的亮度水平。平均值报告在表 1 中并绘制在图 4 中。请注意,我们的分析中省略了一个数据点——房间中心,45° 方向,浅灰色房间——因为它是异常的。

房间中心的结果,仪表水平放置,对墙壁亮度最不敏感。这是意料之中的,因为它位于灯光之下,因此大多数照明将直接来自光源。面向房间 45° 的墙壁位置是第二个最不敏感的位置。此处仪表几乎指向灯,但由于该位置比中心位置更远,因此电力需求大于中心位置。对墙壁亮度最敏感的位置和方向是面向上的墙壁。这是可以理解的,因为照射到该表面的大部分光线将来自墙壁。*

总的来说,我们发现,对于黑色油漆,与白色房间相比,需要 41% 到 85% 的额外照明。虽然这是一种极端情况(房间,尤其是那些没有窗户的房间,很少被漆成黑色),但即使是浅灰色油漆,与白色房间相比也需要 21% 到 31% 的额外照明。这是电力需求的显着增加,如上所述,它构成了全球总电力需求的重要部分。

我们将在下面讨论这些结果对现实世界房间颜色的影响。

*我们可以通过想象墙壁是一面镜子来看到这一点。在这种情况下,大约一半的照明将来自房间内的灯光,一半来自镜子中的灯光。因此,用黑色油漆代替镜子预计会使墙壁上的照明减少大约一半。

造型

建模是使用 DIALux 软件完成的。12该软件广泛可用,并被建筑师和建筑设计师大量使用。

虽然我们希望对四个房间位置和方向中的每一个进行建模,但该软件仅限于对水平方向进行建模。此外,最低墙壁亮度为 0.10,而不是我们通过实验获得的 0.05。因此,我们对壁反射率值为 0.90、0.60、0.20 和 0.10 的水平中心和壁位置进行建模。可用于建模的光源与我们的两个灯都不匹配,因此模型中使用了 32 瓦荧光 5208K 光源。这应该不会影响我们的结论,因为我们关注的是在相对基础(相对于亮白色)而不是绝对基础上分析能源需求。

正如对实验结果所做的那样,我们在表 2 中报告了在相同亮度下,对于四种墙壁颜色,在两个位置中的每一个的相对电力需求。该数据以图形方式显示在图 5 中

以图形方式比较表 12 中的结果(图 5),我们看到该模型与中心读数的实验结果非常吻合,但比靠近墙壁测量的实验结果高 8%。这可以从图 5 中最佳拟合线的斜率中看出(参见表 3)。线的斜率是该位置和方向的亮度对墙壁黑暗的敏感度的度量。假设我们的结果代表了大多数办公室,这表明建筑师可能会指定比某些情况下所需的更亮的光强度。我们无法解释这种差异,因为我们不知道该模型如何进行计算的详细信息。

对油漆消费者的影响

颜色是室内建筑(装饰)涂料的首要考虑因素,而颜色选择通常是顾客进入涂料店时被问到的第一个问题。虽然没有关于哪些颜色在企业和业主中受欢迎的统计数据,但传统的选择是灰白色。然而,许多室内设计师向他们的客户推荐更深、更大胆的颜色,作为一种脱颖而出并成为时尚宣言的方式。这反映在许多室内建筑生产商对“年度颜色”的选择上。我们收集了过去两年中的 19 种颜色。这些涂料的三刺激 Y 值和相应的 L* 值在表 4中给出。

表 4可以看出,“年度颜色”涂料相对较深(平均三刺激 Y 值为 23.3,平均 L* 值为 49.8)。这与他们的许多名称一致,例如“Dark Navy”和“Deep Onyx”。

为了估算与这些颜色相关的照明成本,我们在图 6 中指出了它们的反射率值以及我们分析的四个位置/方向对的最佳拟合线(来自图 5)。我们在表 4 中列出了我们房间的四个位置/方向对的额外电力负载。我们从该表中看到,与白墙相比,这些涂料的额外电力需求从 12% 到 84% 不等。很明显,在内墙上使用相对较暗的油漆所带来的额外电力负担是非常真实的。

经济和环境后果

根据我们的数据,我们可以计算明亮墙壁的房间照明比暗墙壁房间的照明成本。虽然电力成本在全球范围内各不相同,但我们将计算一个特定区域的这些成本,作为一般亮墙价值的指标。对于此计算,我们将使用来自美国的数据,其中每千瓦时电力的平均用户成本为 0.133 美元。13我们假设房间每周使用 5 天,每天使用 9 小时。

我们房间的这些计算结果显示在表 5 中,对两种光类型进行了平均。在这里,我们考虑两个照明级别(500 lux 和 800 lux)和两个测量位置(墙壁和房间中心,都朝上)。与白色房间相比,暗房的财务成本是巨大的——一年多来,暗房的额外电费从 16.40 美元到 84.23 美元不等,具体取决于照明水平和房间内测量光强度的位置。在油漆的使用寿命期间,照亮黑色房间的额外成本远远超过油漆的初始成本,并且使用大量 TiO 2 来照亮房间的成本很快就会被节电所抵消。

除了暗墙的货币成本外,还有一个重要的环境成本。该成本是 释放到环境中的 CO 2量,用于制造 TiO 2 颜料和产生由灯消耗的电力。我们可以在一个回报方面量化这一成本期间-如何花费用于CO长2 使用较少的电力以抵消CO积蓄2 使得在TiO时产生2 白色颜料。对于这个计算,我们假定发电导致0.71磅CO的释放的每千瓦时214,该白色涂料含有2.5磅的TiO 2 每加仑,每磅 TiO 2 的生产 导致 5.0 lb CO 2的释放。

表 5 所示,该环境回收期非常短——最低照明目标的最不敏感位置(房间中心)为 8 周多一点,而最敏感位置(墙壁)和最高照明目标的位置不到两周照度水平。

与白屋顶节能的比较

多年来,已经有许多减少电力消耗的举措,以降低成本和保护环境。其中一项计划是凉爽屋顶(或白色建筑)计划。这个概念很简单——通过用浅色屋顶代替深色屋顶,很多太阳能可以从结构反射出去,而不是以热量的形式被吸收。在炎热的夏季,这可以显着减少结构的冷却负担。

请注意,这不仅会导致总用电量减少,而且会在用电高峰期发生,因为在许多城市,一年中最热的日子用电量最大。通过降低高峰需求,为一个城市提供服务所需的发电厂数量将减少,因为这个数量是由高峰(最大)电力需求决定的,而不是平均需求。

通过从0.2的太阳能反射率值增加屋顶的反照率至0.6的值,在世界各地的27个城市获得的节省电力的估计值,据报道2007年15这些节省,当然,更大的在城市中,其特征在于在非常炎热的夏天比在更温和的气候下。总体而言,对于这种亮度增加水平,夏季节电估计在 11% 到 75% 之间。这些估计值与我们估计的用明亮颜色粉刷房间的节能潜力相当,强化了使用深色室内颜色对整体电力消耗的影响。

结论

我们的工作为我们的测试室量化了满足照明目标所需的相对能量作为墙壁反射率的函数。虽然我们只研究了一个房间,但我们相信我们从中得出的结论对于类似的房间是有效的,至少在半定量水平上是这样。

我们发现将房间照明到 500 勒克斯所需的电量,这是普遍接受的适合办公室工作的最低水平,而 800 勒克斯(许多人喜欢的水平)与房间油漆的亮度密切相关。这种能量需求在我们研究的范围内是线性的。在亮白色和黑色油漆之间,电力需求增加了 1.85 倍。

虽然这是一个极端的亮度范围(预计很少有房间被漆成黑色),但油漆制造商选择的一些“年度颜色”非常暗。对于我们检查的颜色,我们估计它们的额外电力需求(相对于白墙的需求)以 1.12 到 1.84 的系数变化。这些值非常重要——作为参考点,根据位置的不同,当屋顶的反射率从 0.20 增加到 0.60 时,据估计,冷屋顶可以将冷却成本降低 11% 到 75%。在百分比基础上,这些节省与我们为明亮的白色房间展示的电力节省相当,与涂有“年度颜色”的房间相比(12% 到 84%)。

暗室电力消耗的增加是有代价的——经济和环境方面的。根据房间的使用方式(办公室或会议室),为我们的房间照明暗室的年度额外费用从 16.40 美元到 84.23 美元不等。至于环保方面的考虑,我们的分析表明,对于二氧化钛的两种货币成本非常快的盈亏平衡时间(数周)2 的白色涂料和CO使用2 在生产二氧化钛的释放2

我们还发现,一个流行的建筑建模程序将墙壁颜色对照明需求的影响高估了 8%。仅依靠这种模式会导致比必要的更亮的照明,但会增加额外的成本和环境负担。

虽然个人偏好始终是颜色选择的主要因素,但重要的是让消费者了解给定颜色选项的所有成本——不仅是金钱成本(以更高的电费的形式),还有环境成本成本(发电厂的排放)。那些想要“绿色”涂料的消费者可能会发现他们想要的颜色实际上是白色。

参考

  1. “酷屋顶”,https://www.energy.gov/energysaver/energy-efficient-home-design/cool-roofs。
  2. “2018 年年度能源展望”,https://www.cooperative.com/news/documents/eia-annual-energy-outlook-2018.pdf)。
  3. “美国有多少电力用于照明”,https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=99&t=3。
  4. “英国ECUK 2018 年的能源消耗”,https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/729317/Energy_Consumption_in_the_UK__ECUK__2018.pdf)。
  5. “崛起与闪耀——用 100 亿个 LED 灯泡照亮世界”,https://www.energy.gov/articles/rise-and-shine-lighting-world-10-billion-led-bulbs)。
  6. “美国有多少电力用于冷却”,https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=1174&t=1。
  7. “空调使用成为全球电力需求增长的主要驱动因素之一,”https://www.iea.org/newsroom/news/2018/may/air-conditioning-use-emerges-as-one-of -the-key-drivers-of-global-electricity-dema.html。
  8. “人造光对建筑空间的影响”,论文,Ana Teresa Luis Negrao,https://fenix.tecnico.ulisboa.pt/downloadFile/395145552805/EXTENDED%20ABSTRACT_Ana%20Negr%C3%A3o_2013.pdf。
  9. “勒克斯、流明和瓦特:我们的指南”,https://greenbusinesslight.com/resources/lighting-lux-lumens-watts/。
  10. “奥德堡关于办公室照明质量感知的新研究”,https://www.thefuturebuild.com/news/new-zumtobel-research-on-lighting-quality-perceived-in-offices。
  11. “飞利浦照明质疑办公室工作人员的适当光级标准,”https://www.ledsmagazine.com/articles/iif/2015/03/philips-lighting-questions-proper-light-level-standards-for-office-工人.html。
  12. “面向照明设计师和制造商的 DIALux 系列”,https://www.dial.de/en/dialux。
  13. “温室气体当量计算器”,https://www.epa.gov/energy/greenhouse-gases-equivalencies-calculator-calculations-and-references。
  14. “各州电费率(2019 年 3 月更新)”,https://www.electricchoice.com/electricity-prices-by-state/。
  15. Synnefa, A.、Santamouris, M. 和 Akbari, H.,“估计在各种气候条件下使用冷涂层对住宅建筑的能量负荷和热舒适度的影响”,能源与建筑 39 (2007) 1167–1174 ( 10.1016/j.enbuild.2007.01.004)。

涂料科技 | 卷。16、9号| 2019 年 9 月

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