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建筑反射隔热涂料隔热性能影响因素及应用技术要点,在夏热冬冷和夏热冬暖地区,建筑外墙涂饰建筑反射隔热涂料后
2020年02月22日    阅读量:3254     新闻来源:中国建材网 cnprofit.com    |  投稿

0 前言

目前,建筑节能受到全社会的广泛关注,提高建筑物的保温隔热性能是节约能源、提高建筑物使用功能的重要途径。建筑反射隔热涂料通过有效反射夏季的太阳热辐射,降低建筑物表面对太阳辐射能量的吸收。因此,外墙表面涂装这类涂料后,涂膜表面温度不会大幅度升高,从而减少通过墙体向建筑物内的传热中国建材网cnprofit.com


在夏热冬冷和夏热冬暖地区,涂饰建筑反射隔热涂料后,除了夏季能降低墙面温度,减少热量向室内传入,解决或减轻涂膜加速老化和外保温系统的裂渗等问题外,还具有明显的节能效果。对建筑反射隔热涂料节能效果的实测研究表明,对于居住建筑,其外墙采用反射隔热涂料后,全年可节能2%(全年空调)~5%(仅夏季空调)。


相关数据显示,将温度降低1 ℃所需能耗是将温度升高1 ℃所需能耗的4 倍。因此,开发反射隔热涂料,以降低建筑物表面温度,对节约能源、保护环境、创建人与自然的和谐关系具有重要的意义。近年来,我国相继出台了一系列建筑反射隔热涂料的标准,包括建材行业标准JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》、建工行业标准JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》和国家标准GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》。


这些标准的颁布实施,促进了建筑反射隔热涂料在夏热冬冷和夏热冬暖地区的推广应用。但由于这3 项标准均仅对白色建筑反射隔热涂料的性能作了规定,白色涂料的隔热性能较容易达到标准规定要求,而在实际应用中白色涂料仅约占20%,彩色涂料的使用率达到80%以上,建筑设计师大多采用各种彩色涂料,甚至是深色涂料。


因此,需要加强对彩色建筑反射隔热涂料的研究,目前正在制订的一些标准,充分考虑了彩色反射隔热涂料的热反射性能,这将对建筑反射隔热涂料的进一步推广应用起到积极的作用。

 

1 建筑反射隔热涂料的隔热机理

太阳光到达地球后的主要能量分布为:少量的紫外线(占所有能量的5%)、可见光(43%)和近红外(52%)波段(见图1)。

到达地球的太阳光能量分布

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入射在涂层上的太阳辐射被吸收、透射或反射,其吸收率σ、透射率ρ 和反射率τ 之间的关系见式(1):

σ+ρ+τ=1 (1)

由于涂膜是不透明的,其透射率ρ 近似为0。因此,为了降低涂膜表面温度,就需要提高涂层的反射率τ,才能使涂层表面吸收较少的能量。反射型建筑隔热涂料就是通过适当选择透明性好的树脂和反射率高的颜填料,制得高反射率的涂膜,以达到反射光和热的目的。反射型建筑隔热涂料利用涂膜对光和热的高反射作用,使太阳照射到涂膜上的大部分能量得到反射,而不是被涂膜吸收,热反射隔热如图2 所示。同时,这类涂膜本身的导热系数很小[约0.06 W/(m·K)],绝热性能很好,这就阻止了热量通过涂膜的传导。

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热反射隔热示意

大气对红外辐射在2.5~5 μm 和8~13.5 μm 有2 个窗口,即大气对这2 个区域的红外辐射吸收能力较弱,透过率一般在80%以上。因此,要实现物体的持续降温,就要把吸收的热量尽可能通过这2 个窗口辐射到外层空间去。


传热方式有辐射、对流和传导3 种。太阳辐射热在涂层中的传递主要通过传导进行,基本上没有辐射和对流的贡献,这是因为:(1)干燥后的涂层是不透明的,避免了热量通过辐射方式向内部传递;(2)对流传热需要有液体或气体介质,干燥后的涂层内部可以认为不存在液体介质,气体介质主要是残存于涂层气泡内的空气,通过合理的配方和正确的施工工艺,可以使气泡完全消除或基本无气泡,至少不会形成对流通路,因此,可以认为气体对流传热也不会发生。


根据上述分析,理想的太阳热反射隔热涂料形成的涂层应具有以下特点:(1)不透明;(2)对太阳光全波段,至少是可见光和红外光波段具有高反射率;(3)能够将所吸收的辐射能全部转化为2.5~5 μm 和8~13.5 μm 波长范围内的红外光辐射到外层空间去;(4)成膜物质具有尽可能低的传热系数;(5)具有较好的耐候性及其它综合性能。

 

2 反射隔热涂料隔热性能的影响因素

2.1 基料的选择

建筑反射保温隔热涂料的基料应根据反射率、吸收率和对涂膜的耐候性要求选用。太阳热反射隔热涂料处于强太阳光的直接照射下,采用的树脂必须能耐紫外线破坏。常用乳液,如丙烯酸乳液、有机硅改性丙烯酸乳液、有机硅乳液、苯丙乳液、环氧乳液、氟碳乳液等都可以用作太阳热反射隔热涂料的基料。用于反射型建筑隔热涂料的树脂要求对可见光和近红外光的吸收率低,通常要求树脂的透明度高(透光率应在80%以上),对辐射能吸收率低(树脂分子结构中尽量少含C—O—C、C=O、—OH 等吸能基团)。廖翌滏等[5]分别选择不同乳液品种配制固含量为50%的清漆,将这些清漆分别均匀地涂刷在试片上,测试结果显示,不同种类清漆涂层间的下表面温度相差仅1 ℃左右,可见不同种类基料树脂对涂料隔热性能的影响较小。


2.2 颜填料的影响

涂层热反射率取决于颜填料折光指数(np)与树脂折光指数(nr)的比值(np/nr ) 、颜填料粒径、颜填料纯度和颜料体积浓度(PVC)等。当颜填料的折光指数和基料的折光指数相等时,涂料是透明的;当颜填料的折光指数大于基料的折光指数时,涂料就产生遮盖力,遮盖力大小取决于颜填料和基料折光指数之差。


物体对光的反射包括全反射和散射,涂层中颜填料对光的反射主要以散射为主。颜填料折光指数与树脂折光指数相差越大、颜填料遮盖力越强,散射能力越强。通常树脂的折光指数为1.45~1.50。


颜填料粒径对反射太阳热辐射有影响。当颜填料粒径与入射光波长比(d/λ)为0.1~10 时,表现为菲涅耳型反射,对温控有利;当d/λ 小于0.1 时,表现为瑞利散射,对温控无效。因此,颜填料粒径大对反射太阳热辐射有利,一般应不小于0.02μm,否则对温控没有贡献。


但是颜填料粒径大,涂膜表面粗糙、孔隙多、易沾污,导致表面反射能力下降,因此,应选择一个合适的粒径搭配,使涂膜既具有良好的反射能力,又具有较好的耐沾污性能。


2.2.1 常用颜填料

热反射隔热涂料常用的颜料有:钛白粉、滑石粉、云母粉等;功能性填料有:空心玻璃微珠、漂珠、红外陶瓷粉、珠光云母粉、SiO2、Al2O3 等。按照光学原理,当光照射到材料上时,将发生选择性反射、吸收、散射等物理过程。物体吸收光能后,可以自身特有的波长再发射出去。禁带宽度Eg 为0.5~1.8 eV 的材料吸收近红外辐射,Eg 为1.8~3.1 eV 的材料吸收可见光。因此,要避免可见光及近红外光的吸收,填料的Eg 应大于3.1eV 或小于0.5 eV,可作为辐射型功能填料。几种常用颜料的太阳光反射性能见表1。

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几种单一颜料色漆体系的热反射性能

从表1 可以看出,颜色的明度越高,太阳光反射比越高,而对于明度低的颜料,红外反射率呈现明显高于可见光波段反射率的特征。在德国,不同颜色、不同明度的表面温度实测结果如表2所示。

不同颜色及不同明度的表面温度

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2.2.2 红外反射颜料(冷颜料)

冷颜料通常定义为具有高太阳光反射率和耐温性、耐候性良好,并且自身化学稳定性非常优异的一类颜料。复合无机颜料通常经800 ℃以上的高温煅烧而成,因而具有优异的耐候性、耐高温性和环保特性。冷颜料的开发和应用已成为目前颜料领域研究的热点。

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颜色决定涂料的装饰效果,实际应用中不可能都选用白色或浅色涂料。通常,白色建筑涂料使用率占20%以下,有色建筑涂料使用率高达80%以上。因此,十分必要开发有色反射隔热涂料。


可采用光谱选择性颜料,即红外反射颜料,配成一定颜色。红外反射颜料能提高红外区的反射率。配制有色反射隔热涂料的关键之一是选择较低吸收率的黑色颜料。一般,配制相同颜色的涂料,用红外反射颜料的涂料和用普通颜料的涂料相比其反射率会较高。且颜色越深,差值越大,最大可达20%以上。


美国军标规定深色涂料反射率在50%以上。美国绿色涂料环境标志(GS-11 Green Seal Environmental Standardfor Paints and Coatings)对墙面建筑涂料的要求是浅色涂料反射率在65%以上,深色涂料反射率在40%以上。用相同颜色涂料涂饰的外墙面,反射隔热涂料和普通涂料相比,其表面温度会较低,颜色越深、明度越低,差值越大( 见表3)。


不同明度反射隔热涂料和普通涂料表面的温差

 

颜料的颜色特性决定了该着色物体对太阳光的吸收和反射率的高低。作为“冷颜料”的特殊功能,它主要体现在着色物体对太阳光的反射率方面,颜料越“冷”,其反射率越高。因紫外线的穿透性很强,所有颜料往往在该波段几乎都不反射,所以,在可见光和近红外波段,反射率的高低决定着该颜料是否是“冷颜料”的关键。


无疑,白色的颜料(全反射可见光)大多是“冷颜料”,而且反射率和冷效果最好。相反,黑色颜料(全吸收可见光)则应该是“热颜料”,几种颜料的反射率曲线见图3。

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几种颜料的反射率曲线

钛白粉作为传统的白色颜料,具有良好的太阳全反射性能,是“天然”的冷颜料。地中海和中东一带一些城市的浅色和白色的建筑物不仅赏心悦目,而且即使是最热的夏季也极为凉快和舒适。表4 为几种普通颜料与冷颜料的基本性能对比。

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几种普通颜料与冷颜料的基本性能对比

颜料应用在涂料体系中,一般很少会出现纯透明体系涂料,而且大多数涂料中都会加入白色填料如钛白粉,这就使得浅色涂料系统往往会自带“冷涂料”的效果(实际为钛白粉的作用)。因为黑色颜料一般为全吸收,如炭黑无论加入何种涂料体系中其TSR 值都很低,所以黑色复合无机冷颜料的出现无疑对“冷涂料”的发展和推广具有重要意义。

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以Ferro 公司Eclipse 品牌的复合无机冷颜料为例,对其在PVDF 氟碳涂料体系按透明和不透明(1∶4 钛白粉比例)体系,测试涂料的TSR 值,结果见表5。

Ferro 冷颜料用于透明和不透明体系涂料的反射率指标

由表5 可见,2 种黑色冷颜料PBLK-12(钛铁黑)和PG-17(铁铬黑)在透明涂料体系中TSR 值已有超过30%的,这拓宽了冷涂料在黑色和深色涂料体系中的应用。由于复合无机颜料大都为金属化合物经过高温煅烧生产而成,所以相比其它无机颜料而言其成本相对较高。


冷颜料在国内涂料领域中的应用目前还处于推广起步阶段,前不久,亨斯迈公司向中国市场推出了红外反射颜料(冷颜料),与欧美国家及周边的日本和韩国在涂料产品中的应用相比,目前还非常有限,也正因如此,使该类型颜料在国内具有广阔的市场发展前景。

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表6 为采用功能反射填料,几种以白色为主色的复色涂料的太阳光反射性能。

复色涂料的太阳光反射性能

从表6 可见,采用特殊黑色隔热颜料的涂料太阳光反射比远大于炭黑的太阳光反射比,用该颜料调配的涂料比用一般颜料制备的涂料太阳光反射性能好很多。同时,由普通颜料制备的不同复色涂料太阳光反射比差异较大,其中的可见光部分反射率对总反射率的贡献较大。


2.3 耐沾污性的影响

目前建筑反射隔热涂料大部分为丙烯酸涂料,随涂饰面使用时间的延长,涂料的耐沾污性问题便显现出来,一般3 年内反射效果将降低50%,在部分空气污染严重的城市,不到2年热反射效果就会降低50%。因此,反射隔热涂料除应具有良好的隔热性能外还应具有优异的耐沾污性和耐老化性,以实现隔热效果的持久性。


郭岳峰等研究比较了氟碳与丙烯酸热反射隔热涂料的耐沾污性能对隔热效果的影响,并通过优化颜填料,制备了耐沾污性和耐老化性能优异的反射型节能涂料。结果表明,氟碳热反射涂料较丙烯酸热反射涂料在耐沾污试验后有更佳的隔热效果。氟碳热反射涂料耐沾污试验前后试板背面温度最大变化为1~2 ℃,丙烯酸热反射涂料温度最大变化为4~5 ℃。

 

3 建筑反射隔热涂料的应用

3.1 应用系统

建筑热反射隔热涂料用于建筑外墙时,必须配合相应的外保温系统才能满足建筑节能50%的要求。目前,在满足公安部消防局下发的公消[2011]65 号文《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》要求的条件下,可以针对不同地区的气候特点及建筑节能要求,将建筑反射隔热涂料与其它保温隔热材料进行复合应用,成为既保温又隔热的外墙外保温系统,以满足夏热冬冷和夏热冬暖地区的建筑节能保温要求。


(1)用于无机保温砂浆外保温系统饰面

该保温系统的应用方式是构成建筑反射隔热涂料-无机保温砂浆外墙外保温系统。其建筑反射隔热涂层由底涂层、柔性耐水腻子层和建筑反射隔热涂料构成,整个系统的构造见图4。

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建筑反射隔热涂料-无机保温砂浆外墙外保温系统构造示意

该系统中,建筑反射隔热涂料的应用可以减薄保温层的设计厚度,同时反射隔热涂料除了起到装饰功能外,还能显著降低墙面在夏季的温度,解决或者减轻由此带来的一系列问题,如防护层开裂、涂膜耐沾污性降低、老化加剧等。

(2)用于自保温墙体饰面

当建筑反射隔热涂料用于热工性能较好的自保温墙体时,由于这类墙体往往无需外墙外保温系统,这种情况下可配用保温腻子,即形成建筑反射隔热涂料-保温腻子层系统。该系统由保温腻子层、底涂层、柔性耐水腻子层和建筑反射隔热涂料构成,整个系统的构造见图5。

建筑反射隔热涂料-自保温墙体外保温系统构造示意

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3.2 等效热阻取值

建筑反射隔热涂料的等效热阻取值一直是影响其推广应用的重要问题,明确了等效热阻就可以相应降低对保温系统中其它节能措施的技术要求,进而平衡整个保温系统的成本,提高该保温系统的市场竞争力。GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》和JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》均在附录中规定了反射隔热涂料的等效热阻计算方法。


目前已有多个省市制订了建筑反射隔热涂料的相关建筑节能设计标准和应用技术规程,对外墙外保温系统的等效热阻或传热系数进行适当的修正[11]。例如,广东省住房和城乡建设厅发布了广东省地方标准DBJ 15-75—2010《广东省建筑反射隔热涂料应用技术规程》。


上海市城乡建设和交通委员会发布的上海市工程建设规范DGJ 08-205—2011《居住建筑节能设计标准》规定,当外墙采用建筑反射隔热涂料时,其传热系数可以按表7 取值。

外墙采用建筑反射隔热涂料时传热系数的修正系数

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重庆市建委制定的工程建设标准DBJ/T 50-076—2008《建筑反射隔热涂料外墙保温系统技术规程》规定,当外墙外保温系统使用建筑反射隔热涂装体系时,外墙的平均传热系数可按式(2)进行修正:

K'=β·K (2)

式中:K、K'———修正前、后外墙的平均传热系数,W(/ m2·K);

β———修正系数,根据设计计算的传热系数K' 按表8 取值。

修正系数β 取值

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江苏省建设厅发布的苏JG/T 026—2009《建筑反射隔热涂料应用技术规程》规定,在进行建筑节能设计时,对不同方向的墙面使用反射隔热涂料可选取不同的等效热阻:东、西方向墙体的等效热阻为0.20(m2·K)/W;朝南方向墙体的等效热阻为0.19(m2·K)/W;朝北方向墙体的等效热阻为0.18(m2·K)/W。


该规程所考虑的反射隔热涂料的等效热阻比上海市《居住建筑节能设计标准》中规定的大。对于热工设计中的另一个重要参数,即热惰性指标,由于涂膜较薄,一般认为使用反射隔热涂料不提高墙体的热惰性指标。

 

4 涂料制备及应用中应注意的问题

4.1 涂料制备过程中应避免空心微珠的破碎

在建筑反射保温隔热涂料的制备过程中应注意避免空心玻璃微珠等功能填料空心结构的破坏,以免使其失去隔热反射能力。应在涂料制备的最后阶段加入空心玻璃微珠等功能填料,并只能对其低速搅拌(约400 r/min)。

4.2 体系的相容性

建筑反射隔热涂料应用时,保温体系中所用的材料不仅有涂料,还涉及保温层材料、界面材料,以及保温腻子和配套腻子等,因而涂层体系或外墙外保温体系中使用的材料相互之间必须相容。

4.3 涂层厚度

一般认为涂膜反射是表面反射,反射性能只与涂膜表面的反射率有关,而与涂膜厚度无关。但实际上,在一定的涂膜厚度范围内,反射率随涂膜厚度的增加而提高,只有在涂膜厚度达到一定值后,由于光线并不能透过涂膜照射到基层,因而涂膜厚度再增加,涂膜的反射率提高却不明显。同时,涂膜厚度对于其延伸率及其遮蔽基层裂缝能力的影响也很大。因而,应用时应给出建筑反射隔热涂料的最小设计膜厚。

廖翌滏等选取空心玻璃微珠含量为11%的反射隔热涂料样品,研究了涂层厚度从0.2~1.3 mm 的隔热效果。结果表明,当涂层厚度为0.2 mm 时,涂层下表面温度为43.4 ℃,随着涂层厚度的增加,涂层下表面的温度呈明显的下降趋势,直到厚度增加到1.2 mm 时,涂层下表面温度达到最低值39.3℃;继续增加涂层厚度,涂层下表面温度不再有明显的变化。此现象说明了反射隔热涂料的涂层厚度对反射隔热效果有显著的影响。当涂层较薄时,光线容易透过涂层,被底材吸收,隔热效果较差;随着涂层厚度的增加,透过的光线量也随之减少,因此,反射隔热效果也随着增强。当厚度达到一定值时,光线完全不能穿过,反射隔热效果达到最大值。

4.4 应进行必要的维护

建筑反射隔热涂料在使用中应进行正常的维护。当涂层体系的隔热性能、装饰性能不能满足要求时,应及时进行维修或翻新。由于在设计涂层体系时已考虑了建筑反射隔热涂料对节能的贡献,因而应采用建筑反射隔热涂料进行维修和翻新,以保持建筑外墙外保温体系的保温效果。


张雪芹1,曲生华1,苏蓉芳2,徐超1

(1.中国新型建筑材料工业杭州设计研究院,浙江杭州310003;2.浙江五州工程项目管理有限公司,浙江杭州310053)


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