外墻外保溫和隔熱保溫涂料技術發展趨勢

    摘要：按照隔熱保溫機理，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。針對不同地區的氣候特點，提出結合外墻外保溫方案，合理選擇和使用各種隔熱保溫涂料，產生舒適的室內熱環境，同時達到節能的目的。


    關鍵詞：隔熱保溫涂料；反射率；發射率

    0前言

    建筑節能是我國節能工作的重點之一，而外墻外保溫已成為建筑節能的主產品。對于熱工設計時以保溫為主的地區，如嚴寒地區和寒冷地區，外墻外保溫不僅合理，而且適用，發展較快。而對于熱工設計時一般只考慮隔熱的夏熱冬暖地區，或熱工設計時以隔熱為主的夏熱冬冷地區，目前的一些外墻外保溫存在進一步完善的空間。本文提出根據房屋圍護結構太陽輻射熱平衡方程，針對不同地區的氣候特點，合理選擇和使用各種隔熱保溫涂料，組成復合體系，既保溫又隔熱，達到室內熱環境舒適和節能降耗的目的。


    1 圍護結構太陽輻射熱平衡方程

    太陽輻射能對建筑物的熱環境和能耗有著十分重要的作用。根據波長的長短，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%。可見，太陽能主要集中于可見光區和紅外區。


   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入室內，從而造成室內過熱。因此這些部位也是建筑物夏季隔熱的關鍵部位。房屋圍護結構太陽輻射熱平衡方程可以簡化如下：


    Q1=I0-Q2-Q3

    式中：


    Q1——外表面向室內傳導的熱量，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——外表面發射的熱量，W/m2。


    當然，嚴格地說，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流傳熱量。


    1.1外表面反射的太陽輻射熱量

    因為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，藍色將藍光反射出去，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，向室內傳導的熱量就越少，夏天空調負荷就越低。


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。外表面輻射熱量的計算如下：


Q3=εwCb(T/100)4

    式中：


    εw——外表面發射率，%；


    Cb——黑體發射常數，5.67W/（m2·K4）；


    T——外表面絕對溫度，K。


    嚴格來說，換熱要考慮角系數等因素。這里僅作定性分析。發射主要是長波輻射，即以紅外的形式把熱量發射出去。


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


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


    外表面涂膜的發射率越高，向室內傳導的熱量也就越少，降溫能耗就越低，即越節能。


    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。隔熱是通過對溫度波動的衰減和延遲而達到，保溫由熱阻來實現。按照隔熱保溫機理，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上發展而來，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，顏色對熱反射率有很大影響。另外，盡管薄層隔熱反射涂料導熱系數不高，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。可與其他保溫材料配合使用。


通過下例傳熱系數K值的計算能清楚說明這一點。已知：外墻為雙排孔混凝土小砌塊190mm×190mm，內側20mm石灰水泥砂漿找平層，如要求墻體K=1時，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——每層材料的導熱系數，W/（m·K）；


    Ri、Re——分別為外墻內、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27.6mm，這既不經濟又不可能。


    其實，要保溫，就要求有一定的熱阻。即要求材料不僅有低的導熱系數，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流傳熱。要達到高的熱反射率，必須選用高折光系數的顏料，涂膜顏色選用白色或淺色比較容易達到，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鍵之一是選擇較低吸收率的黑色顏料。美國軍標規定深色漆反射率在50%以上。建設部《建筑反射隔熱涂料》（討論稿）對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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    這種產品現已用于海上鉆井平臺，油罐，石油管道，建筑業的鋼結構屋頂和玻璃幕墻等，降低暴露在太陽熱輻射下裝備的表面溫度和內部溫度，改善工作環境，提高安全性等。


    反射隔熱涂料可單獨使用，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，構成高反射和低傳熱結構，達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熱系數和高熱阻來實現隔熱保溫的一種涂料。


    應用最廣泛的阻隔性隔熱保溫涂料是復合硅酸鹽隔熱保溫涂料。這類涂料是20世紀80年代末發展起來的，有不同的產品名稱，如復合硅酸鎂鋁隔熱涂料、稀土保溫涂料、涂覆型復合硅酸鹽隔熱涂料等。它是由無機和（或）有機粘結劑、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《硅酸鹽復合絕熱涂料》。復合硅酸鹽隔熱保溫涂料雖然導熱系數較低，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，粘結強度低、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，預期可用于外墻外保溫系統。


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射到空氣中，從而達到隔熱降溫的效果。作為外墻涂料，需高發射率。有機涂料的發射率一般在0.80~0.90，外墻輻射隔熱涂料的關鍵是制備具有高熱發射率的涂料。美國ASTMC1483—04《建筑外用太陽能輻射控制涂料標準規程》規定，太陽能輻射控制涂料在環境溫度下的紅外發射率應至少為80%。


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


    3隔熱保溫涂料和外墻外保溫的發展趨勢

    納米隔熱保溫涂料是以合成樹脂乳液為基料，引進反射率高、熱阻大的納米級反射隔熱材料，如中空陶瓷粉末、氧化釔等而制成的隔熱保溫涂料，具有較好的發展前景。納米隔熱保溫涂料是建立在低密度和超級細孔（小于50nm）結構基礎上，其導熱系數低而反射率高。


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


    研制生產復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理協同作用的結果，各種隔熱保溫涂料各有其特點，可進行復合，達到優勢互補，研制出性能優良的復合型隔熱保溫涂料。


    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，或制成以隔熱為主的外墻外保溫系統，以滿足夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區等的建筑節能需要。這也是外墻外保溫的發展趨勢。

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