隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    摘要：按照隔热保温机理,可将隔热保温涂料分为反射隔热涂料、辐射隔热涂料及阻隔性隔热保温涂料三类。针对不同地区的气候特点,将隔热保温涂料和外墙外保温组合起来,产生舒适的室内热环境,达到节能的目的。

    关键词：隔热保温涂料；外墙外保温；组合

    0 前言

    建筑节能是我国节能工作的重点之一,而外墙外保温已成为建筑节能的主产品。对于热工设计时以保温为主的地区,如严寒地区和寒冷地区,外墙外保温不仅合理,而且适用,发展较快。而对于热工设计时一般只考虑隔热的夏热冬暖地区,或热工设计时以隔热为主的夏热冬冷地区,目前的一些外墙外保温系统存在进一步完善的空间。针对不同地区的气候特点,将隔热保温涂料和外墙外保温匹配组合,既保温又隔热,以达到室内热环境舒适和节能降耗的目的。

    1 隔热保温涂料

    具有隔热保温性能的涂料称为隔热保温涂料。保温通常由提高热阻来实现,而隔热可通过对太阳辐射能的反射,以及对温度波动的衰减和延迟等而达到。按照隔热保温机理,可将隔热保温涂料分为反射隔热涂料、辐射隔热涂料及阻隔性隔热保温涂料三类。

    1.1 反射隔热涂料

    反射隔热涂料是由基料、热反射颜料、填料和助剂等组成。它是通过反射太阳光来达到隔热目的的。薄层隔热反射涂料是这类涂料的代表。要达到高的热反射率,必须选用高折光系数的颜料[1],但颜色对热反射率有很大影响,通常随着明度的降低,热反射率下降。因此,反射隔热涂料的颜色选用白色或浅色比较容易达到,或采用光谱选择性材料配成一定颜色。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[2]。美国军标规定深色涂料反射率在50%以上[3]。美国ASTMC1483-04《建筑外用太阳能辐射控制涂料标准规程》[4]规定,太阳能辐射控制涂料的反射率应不小于80%。建设部《建筑反射隔热涂料》(讨论稿)对建筑反射隔热涂料的隔热性能要求见表1。

表1建筑反射隔热涂料的隔热性能

    注：根据不同工程的需要,由设计确定。

    另外,尽管薄层反射隔热涂料导热系数不高,但因涂膜厚度比较薄,总热阻有限,保温效果不大。通过下例传热系数K值的计算能清楚说明这一点。已知：外墙为双排孔混凝土小砌块190mm×190mm,内侧20mm石灰水泥砂浆找平层,反射隔热涂料导热系数为0.05W/(m·K),如要求墙体K=1时,问需多厚反射隔热涂料?

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：

    δ——每层材料的厚度,m；

    λ——每层材料的导热系数,W/(m·K)；

    Ri、Re——分别为外墙内、外表面换热传热阻,取0.11m2·K/W和0.04m2·K/W。

    代入得δ3=0.0276m=27.6mm,也就是说涂膜厚度要达27.6mm,这是既不经济,又不可能的。

    其实,要保温,就要求有一定的热阻。即要求材料不仅有低的导热系数,而且还要有一定的厚度,二者缺一不可。

    这种产品现已用于海上钻井平台、油罐、石油管道、建筑业的钢结构屋顶等,降低暴露在太阳热辐射下装备的表面温度和内部温度,改善工作环境,提高安全性等。反射隔热涂料可单独使用,也可与其他多孔保温材料配合使用,如作为外墙外保温的配套材料,尤其是用于夏热冬冷和夏热冬暖地区,构成高反射和低传热结构,达到既隔热又保温的效果。该涂料可刷涂和喷涂施工。

    1.2 辐射隔热涂料

    辐射隔热涂料是通过辐射的形式把建筑物吸收的太阳能以长波形式发射到空气中,从而达到隔热降温的效果。作为外墙涂料,需高发射率。有机涂料的发射率一般在0.80～0.90,外墙辐射隔热涂料关键是制备具有高热发射率的涂料。美国ASTMC1483-04《建筑外用太阳能辐射控制涂料标准规程》[4]规定,太阳能辐射控制涂料在环境温度下的红外发射率应至少为80%。辐射隔热涂料能够以热发射的形式将吸收的热量辐射出去,从而使室内降温,达到隔热效果。用于夏热冬暖地区和夏热冬冷地区隔热,它是不错的选择。与外墙外保温结合使用效果更佳。作为内墙涂料,常温下低发射率有利于提高舒适度和节能。很多人知道lowE玻璃能提高舒适度和节能,但很少有人知道lowE内墙涂料也能做到。

    1.3 阻隔性隔热保温涂料

    阻隔性隔热保温涂料是通过低导热系数和高热阻来实现隔热保温的一种涂料。应用最广泛的阻隔性隔热保温涂料是复合硅酸盐隔热保温涂料；其是20世纪80年代末发展起来的。它是由无机和(或)有机粘结剂、隔热骨料(如海泡石、蛭石、珍珠岩粉等)和引气剂等制成的阻隔性隔热保温涂料。该类涂料的性能要求可参见GB/T17371-1998《硅酸盐复合绝热涂料》。复合硅酸盐隔热保温涂料虽然导热系数较低,成本也低,但干燥周期长,抗冲击能力弱,干燥收缩大,吸湿率大,粘结强度低,装饰效果较差等。这类涂料目前主要用于铸造模具、油罐和管道等的隔热,目前还不能用于外墙外保温,将来通过改性,预期可用于外墙外保温系统。

    2 隔热涂料的应用

    隔热涂料可与外墙外保温结合使用,也可单独使用。

    2.1 围护结构得热

    太阳辐射能对建筑物的热环境和能耗有着十分重要的作用。根据波长的长短,太阳光可以分为紫外线、可见光和红外线。紫外线的波长小于400nm,约占太阳总能量的5%；可见光波长在400～760nm,约占太阳总能量的45%；而红外线的波长大于760nm,约占太阳总能量的50%。可见,太阳能主要集中于可见光区和红外区。太阳辐射热通过向阳面,特别是东、西向窗户和外墙以及屋面进入室内,从而造成室内过热,因此这些部位也是建筑物夏季隔热的关键部位。外表面上因太阳辐射引起的得热按(1)式计算：

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：

    qsol——太阳辐射引起的得热,W/m2；

    Is——太阳辐射照度,W/m2；

    ρs——外表面的太阳光反射比。

    就颜色来讲,红色将红光反射出去,蓝色将蓝光反射出去,白色反射热量最多,黑色吸收热量最多。这也就是为什么绝大多数热反射涂料是白色和浅色的原因。此外,还有反射红外的材料,毕竟红外光部分占了太阳50%的能量。这就是说,也可以通过选择吸收生产有色热反射隔热涂料。可以看出,外表面涂膜的反射比越高,外表面反射的太阳辐射热量就越多,而吸收的太阳辐射热量就越少,即向室内传导的热量就越少,夏天空调负荷就越低。如果反射隔热涂料的太阳光反射比为80％,则房屋围护结构得热就只有20％。

    2.2 外表面和外界的换热

    外表面和外界的换热按(2)式计算：

 

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：qt——外表面和外界的换热,W/m2；

    αec——外表面对流换热数,W/(m2·K)；

    αer——外表面辐射换热数,W/(m2·K)；

    Ts——外表面温度,K；

    Te——室外空气温度,K；

    Trm——室外平均辐射温度,K。

    当进行实际建筑的能耗计算时,反射隔热涂料对对流换热系数αec基本没有影响。

    外表面辐射换热系数αer按(3)式计算：

  

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：εH——外表面半球发射率；

    σ——斯蒂芬-波尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2·K4)。

    室外平均辐射温度按(4)式计算：

  

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：Fgd——外表面相对地面(即水平线以下区域)的角系数；

    Fsky——外表面相对天空的角系数；

    fclr——晴空的比例系数；

    Jsky——晴空辐射照度。

    外表面相对地面和天空的角系数分别按(5)式和(6)式计算：

  

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    式中：θ——壁面内表面与水平地面之间的夹角(见图1)。

    水平屋面的θ=0°,Fsky=1；

    垂直墙体的θ=90°,Fsky=0.5；

    外挑楼板的θ=180°,Fsky=0。

图1内表面与地面间的夹角

    当晴空辐射照度Jsky已知时,可直接代入(4)式,否则应先按(7)式计算：

隔热涂料和外墙外保温的技术匹配组合

    发射主要是长波辐射,即以红外的形式把热量发射出去。对于某些光谱带,如8～13.5μm,存在大气窗,即大气中二氧化碳和水蒸气等对这些光谱带的光是不吸收的,它们会无阻碍地通过大气,而被发至大气外层。这不仅有利于隔热,还对解决热岛效应有好处。

    比如说,夏天涂膜外表面温度为47℃,则对应最大光谱辐射力的波长约为9.06μm,因此发射的红外基本在8～13.5μm光谱带范围内。关键是提高在该波段的发射率。

表2夏热冬冷和夏热冬暖地区外墙保温和隔热要求

    外表面涂膜的发射率越高,其结果向室内传导的热量也就越少,降温能耗就越低,即越节能。

    2.3 隔热涂料和外墙外保温的组合

    隔热涂料和外墙外保温的组合,能很好满足夏热冬冷和夏热冬暖地区外墙保温和隔热要求。夏热冬冷和夏热冬暖地区外墙保温和隔热要求见表2。夏热冬冷和夏热冬暖地区隔热保温材料现状举例见表3。由表3可以看出：采用轻质材料后,保温性能大幅提高,而隔热性能却变化不大。通常以重质材料提高隔热性能,但成本较高。能否采用较低成本材料提高隔热性能,采用反射隔热涂料就是一个很好的选择,如表4所示。由表4可见,反射隔热涂料的吸收系数只要≤0.35,即太阳反射比≥65％,计算D值只要不小于

表3 190mm单排孔混凝土空心砌块墙体保温热工指标

表4 小砌块外墙隔热性能满足θi.max≤30.5℃时的K、D和ρs对应关系

    1.5 即可满足要求。这是很容易做到的。

    3 隔热保温涂料和外墙外保温的发展趋势

    (1) 纳米隔热保温涂料是建立在低密度和超级细孔(小于50nm)结构基础上,其导热系数低而反射率高。纳米隔热保温涂料是以合成树脂乳液为基料,引进反射率高、热阻大的纳米级反射隔热材料如中空陶瓷粉末、氧化钇等而制成的隔热保温涂料[5],具有较好发展前景。(2) 真空状态使分子传导传热和对流传热完全消失。因此采用真空填料以制备性能优良的保温涂料成为当前研究的热点之一。(3) 研制生产复合型多功能隔热保温涂料。将两种或多种隔热保温机理协同作用,进行复合,达到优势互补,研制出性能优良的复合型隔热保温涂料。(4) 将不同的隔热保温涂料和保温材料组合,制成既隔热又保温的外墙外保温系统,或制成以隔热为主的外墙外保温系统,以满足夏热冬冷地区和夏热冬暖地区等的建筑节能需要,这也是外墙外保温的发展趋势。