外墻外保溫和隔熱保溫涂料技術(shù)發(fā)展趨勢

    摘要：按照隔熱保溫機(jī)理，可將隔熱保溫涂料分為阻隔性隔熱保溫涂料、反射隔熱涂料及輻射隔熱保溫涂料3類。針對(duì)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，提出結(jié)合外墻外保溫方案，合理選擇和使用各種隔熱保溫涂料，產(chǎn)生舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。


    關(guān)鍵詞：隔熱保溫涂料；反射率；發(fā)射率

    0前言

    建筑節(jié)能是我國節(jié)能工作的重點(diǎn)之一，而外墻外保溫已成為建筑節(jié)能的主產(chǎn)品。對(duì)于熱工設(shè)計(jì)時(shí)以保溫為主的地區(qū)，如嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，外墻外保溫不僅合理，而且適用，發(fā)展較快。而對(duì)于熱工設(shè)計(jì)時(shí)一般只考慮隔熱的夏熱冬暖地區(qū)，或熱工設(shè)計(jì)時(shí)以隔熱為主的夏熱冬冷地區(qū)，目前的一些外墻外保溫存在進(jìn)一步完善的空間。本文提出根據(jù)房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射熱平衡方程，針對(duì)不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)，合理選擇和使用各種隔熱保溫涂料，組成復(fù)合體系，既保溫又隔熱，達(dá)到室內(nèi)熱環(huán)境舒適和節(jié)能降耗的目的。


    1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射熱平衡方程

    太陽輻射能對(duì)建筑物的熱環(huán)境和能耗有著十分重要的作用。根據(jù)波長的長短，太陽光可以分為紫外線、可見光和紅外線。紫外線的波長小于400nm，約占太陽總能量的5%。可見光波長在400~760nm，約占太陽總能量的45%。而紅外線的波長大于760nm，約占太陽總能量的50%�？梢姡�太陽能主要集中于可見光區(qū)和紅外區(qū)。


   太陽輻射熱通過向陽面，特別是東、西向窗戶和外墻以及屋面進(jìn)入室內(nèi)，從而造成室內(nèi)過熱。因此這些部位也是建筑物夏季隔熱的關(guān)鍵部位。房屋圍護(hù)結(jié)構(gòu)太陽輻射熱平衡方程可以簡化如下：


    Q1=I0-Q2-Q3

    式中：


    Q1——外表面向室內(nèi)傳導(dǎo)的熱量，W/m2；


    I0——太陽輻照度，W/m2；


    Q2——外表面反射的太陽輻射熱量，W/m2；


    Q3——外表面發(fā)射的熱量，W/m2。


    當(dāng)然，嚴(yán)格地說，還有外表面吸收的大氣輻射熱量，外表面吸收的地面及物體輻射熱量，以及室外空氣和外表面對(duì)流傳熱量。


    1.1外表面反射的太陽輻射熱量

    因?yàn)?a href='../../zsk/ct.asp?id=6880' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>涂膜外表面是非透明的，所以太陽輻射熱量一部分被外表面反射，一部分被吸收。其中外表面反射的太陽輻射熱量可按下式計(jì)算：


    Q2=αI0=（1-ρ）I0

    式中：


    α——外表面反射率，%；


    ρ——外表面吸收率，%。


    就顏色來說，紅色將紅光反射出去，藍(lán)色將藍(lán)光反射出去，白色反射熱量最多，黑色吸收熱量最多。這也就是為什么絕大多數(shù)熱反射涂料是白色和淺色的原因。此外，還有反射紅外線的材料，畢竟紅外部分占了太陽50%的能量。這就是說，也可以通過選擇吸收生產(chǎn)有色熱反射隔熱涂料。


    可以看出：外表面涂膜的全反射率越高，外表面反射的太陽輻射熱量就越多，而吸收的太陽輻射熱量就越少。也就是說，向室內(nèi)傳導(dǎo)的熱量就越少，夏天空調(diào)負(fù)荷就越低。


1.2外表面輻射熱量

    在外表面吸收的熱量中，一部分被外表面輻射出去，一部分傳至室內(nèi)。外表面輻射熱量的計(jì)算如下：


Q3=εwCb(T/100)4

    式中：


    εw——外表面發(fā)射率，%；


    Cb——黑體發(fā)射常數(shù)，5.67W/（m2·K4）；


    T——外表面絕對(duì)溫度，K。


    嚴(yán)格來說，換熱要考慮角系數(shù)等因素。這里僅作定性分析。發(fā)射主要是長波輻射，即以紅外的形式把熱量發(fā)射出去。


    對(duì)于某些光譜帶，如8~13.5μm，存在大氣窗，即大氣中二氧化碳和水蒸氣等對(duì)這些光譜帶的光是不吸收的，它們會(huì)無阻礙地通過大氣，而被發(fā)射至大氣外層。這不僅有利于隔熱，還對(duì)解決熱島效應(yīng)有好處。


    比如說，夏天涂膜外表面溫度為47℃，則對(duì)應(yīng)最大光譜輻射力的波長約為9.06μm，因此發(fā)射的紅外線基本在8~13.5μm光譜帶范圍內(nèi)。關(guān)鍵是提高在該波段的發(fā)射率。


    外表面涂膜的發(fā)射率越高，向室內(nèi)傳導(dǎo)的熱量也就越少，降溫能耗就越低，即越節(jié)能。


    2隔熱保溫涂料

    具有隔熱保溫性能的涂料叫隔熱保溫涂料。隔熱是通過對(duì)溫度波動(dòng)的衰減和延遲而達(dá)到，保溫由熱阻來實(shí)現(xiàn)。按照隔熱保溫機(jī)理，可將隔熱保溫涂料分為阻隔性隔熱保溫涂料、反射隔熱涂料及輻射隔熱保溫涂料3類。


    2.1反射隔熱涂料

    反射隔熱涂料是在鋁基反射隔熱涂料的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，通過選擇合適的原料和配方等，制得高反射率涂層，反射太陽光來達(dá)到隔熱目的。薄層隔熱反射涂料是這類涂料的代表。它由基料、熱反射顏填料和助劑等組成。


    這種薄層隔熱反射涂料的熱反射率高，一般在80%以上，隔熱作用明顯。但如上所述，顏色對(duì)熱反射率有很大影響。另外，盡管薄層隔熱反射涂料導(dǎo)熱系數(shù)不高，自身熱阻較大，但因涂膜厚度比較薄，總熱阻有限，保溫效果不大�？膳c其他保溫材料配合使用。


通過下例傳熱系數(shù)K值的計(jì)算能清楚說明這一點(diǎn)。已知：外墻為雙排孔混凝土小砌塊190mm×190mm，內(nèi)側(cè)20mm石灰水泥砂漿找平層，如要求墻體K=1時(shí)，需要多厚的隔熱保溫涂料?




隔熱保溫

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    式中：


    δ——每層材料的厚度，m；


    λ——每層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；


    Ri、Re——分別為外墻內(nèi)、外表面換熱傳熱阻，取0.11m2·K/W和0.04m2·K/W。代入，得δ3=0.0276m=27.6mm，也就是說涂膜厚度要達(dá)27.6mm，這既不經(jīng)濟(jì)又不可能。


    其實(shí)，要保溫，就要求有一定的熱阻。即要求材料不僅有低的導(dǎo)熱系數(shù)，而且還要有一定的厚度，二者缺一不可。


薄層隔熱反射涂料的隔熱原理主要是因熱反射率高，有效地降低輻射傳熱和對(duì)流傳熱。要達(dá)到高的熱反射率，必須選用高折光系數(shù)的顏料，涂膜顏色選用白色或淺色比較容易達(dá)到，或采用光譜選擇性材料配成一定顏色。配制有色隔熱反射涂料的關(guān)鍵之一是選擇較低吸收率的黑色顏料。美國軍標(biāo)規(guī)定深色漆反射率在50%以上。建設(shè)部《建筑反射隔熱涂料》（討論稿）對(duì)建筑反射隔熱涂料的隔熱性能要求見表1。




表1 建筑反射隔熱涂料的隔熱性能

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    這種產(chǎn)品現(xiàn)已用于海上鉆井平臺(tái)，油罐，石油管道，建筑業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)屋頂和玻璃幕墻等，降低暴露在太陽熱輻射下裝備的表面溫度和內(nèi)部溫度，改善工作環(huán)境，提高安全性等。


    反射隔熱涂料可單獨(dú)使用，也可與其他多孔保溫材料配合使用，如作為外墻外保溫的配套材料，尤其是用于夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)，構(gòu)成高反射和低傳熱結(jié)構(gòu)，達(dá)到既隔熱又保溫的效果。該涂料可刷涂和噴涂施工。


    2.2阻隔性隔熱保溫涂料

    阻隔性隔熱保溫涂料是通過低導(dǎo)熱系數(shù)和高熱阻來實(shí)現(xiàn)隔熱保溫的一種涂料。


    應(yīng)用最廣泛的阻隔性隔熱保溫涂料是復(fù)合硅酸鹽隔熱保溫涂料。這類涂料是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的，有不同的產(chǎn)品名稱，如復(fù)合硅酸鎂鋁隔熱涂料、稀土保溫涂料、涂覆型復(fù)合硅酸鹽隔熱涂料等。它是由無機(jī)和（或）有機(jī)粘結(jié)劑、隔熱骨料（如海泡石、蛭石、珍珠巖粉等）和引氣劑等制成的保溫涂料。


    該類涂料的性能要求可參見GB/T17371—1998《硅酸鹽復(fù)合絕熱涂料》。復(fù)合硅酸鹽隔熱保溫涂料雖然導(dǎo)熱系數(shù)較低，成本也低，但干燥周期長，抗沖擊能力弱，干燥收縮大，吸濕率大，粘結(jié)強(qiáng)度低、裝飾效果較差等。這類涂料目前主要用于鑄造模具、油罐和管道等的隔熱。


    這種涂料目前還不能用于外墻外保溫。將來通過改性，預(yù)期可用于外墻外保溫系統(tǒng)。


2.3輻射隔熱保溫涂料

    輻射隔熱涂料是通過輻射的形式把建筑物吸收的太陽能以長波形式發(fā)射到空氣中，從而達(dá)到隔熱降溫的效果。作為外墻涂料，需高發(fā)射率。有機(jī)涂料的發(fā)射率一般在0.80~0.90，外墻輻射隔熱涂料的關(guān)鍵是制備具有高熱發(fā)射率的涂料。美國ASTMC1483—04《建筑外用太陽能輻射控制涂料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》規(guī)定，太陽能輻射控制涂料在環(huán)境溫度下的紅外發(fā)射率應(yīng)至少為80%。


    輻射隔熱涂料能夠以熱發(fā)射的形式將吸收的熱量輻射出去，從而使室內(nèi)降溫，達(dá)到隔熱效果。用于夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)的隔熱，它是不錯(cuò)的選擇。與外墻外保溫結(jié)合使用效果更佳。作為內(nèi)墻涂料，常溫下低發(fā)射率有利于提高舒適度和節(jié)能。好多人知道lowE玻璃能提高舒適度和節(jié)能，但很少有人知道lowE內(nèi)墻涂料能提高舒適度和節(jié)能。


    3隔熱保溫涂料和外墻外保溫的發(fā)展趨勢

    納米隔熱保溫涂料是以合成樹脂乳液為基料，引進(jìn)反射率高、熱阻大的納米級(jí)反射隔熱材料，如中空陶瓷粉末、氧化釔等而制成的隔熱保溫涂料，具有較好的發(fā)展前景。納米隔熱保溫涂料是建立在低密度和超級(jí)細(xì)孔（小于50nm）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，其導(dǎo)熱系數(shù)低而反射率高。


    真空狀態(tài)使分子傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱完全消失。因此采用真空填料以制備性能優(yōu)良的保溫涂料成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。美國將采用太空科技的ASTEC陶瓷絕熱涂料用于建筑中，施以薄層即可達(dá)到隔熱保溫效果。


    研制生產(chǎn)復(fù)合型多功能隔熱保溫涂料。一種隔熱保溫效果良好的涂料往往是兩種或多種隔熱保溫機(jī)理協(xié)同作用的結(jié)果，各種隔熱保溫涂料各有其特點(diǎn)，可進(jìn)行復(fù)合，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，研制出性能優(yōu)良的復(fù)合型隔熱保溫涂料。


    將不同的隔熱保溫涂料和保溫材料組合，制成既隔熱又保溫的外墻外保溫系統(tǒng)，或制成以隔熱為主的外墻外保溫系統(tǒng)，以滿足夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)等的建筑節(jié)能需要。這也是外墻外保溫的發(fā)展趨勢。

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