摘要：簡述了建筑反射隔熱涂料的國內外標準及實際應用，并介紹了有關節(jié)能、CO2排放和緩解城市熱島效應等的相關計算。
關鍵詞：反射隔熱涂料；建筑；標準；節(jié)能；低碳；熱島效應
Abstract: This narrates the standards domestic and overseas and practical uses of building reflective thermal insulating coatings, and introduces the calculation related to energy saving, CO2 emission reduction and the alleviation of urban heat island effect.
Keywords: reflective thermal insulating coatings, building, standard, energy saving, low carbon, urban heat island effect
前言：對于建筑反射隔熱涂料標準，研究認為其關鍵指標是太陽反射比，即反射率。一般來說，鈦白粉既反射可見光，也反射紅外線，白色建筑涂料容易達到高反射率。但涂料的顏色是由裝飾決定的，白色建筑涂料使用率約占20％以下，有色建筑涂料使用率高達80％以上。因此，實用的是有色反射隔熱涂料的反射率。此外，為了更好地推廣應用反射隔熱涂料，本文也涉及了節(jié)能、低碳和緩解城市熱島效應的粗淺計算。
1反射隔熱涂料標準概述
目前關于反射隔熱涂料的標準大致有GB/T 25161-2010建筑用反射隔熱涂料，JG/T 235-2008建筑反射隔熱涂料，JC/T 1040-2007建筑外表面用熱反射隔熱涂料，GJB 1670-1993 GF-1熱反射涂料規(guī)范和美國ASTM C1483-04建筑外用太陽能輻射控制涂料標準規(guī)程。它們的性能要求分別如表1-表5。標準多，從側面也說明反射隔熱涂料是熱點。
可以看出，雖然各個標準規(guī)定有所不同，但主要二個指標是太陽反射比（也稱反射率）和半球發(fā)射率。涂料的半球發(fā)射率一般都在0.80以上，因此，太陽反射比就成為反射隔熱外墻涂料的關鍵指標。
|
序號
|
項目
|
指標
|
|
1
|
太陽反射比，白色 ≥
|
0.80
|
|
2
|
半球發(fā)射率 ≥
|
0.80
|
|
序號
|
項目
|
指標
|
|
1
|
太陽反射比（白色） ≥
|
0.80
|
|
2
|
半球發(fā)射率 ≥
|
0.80
|
|
3
|
隔熱溫差/℃ ≥
|
10
|
|
4
|
隔熱溫差衰減/℃ ≤
|
12
|
|
項目
|
技術指標
|
||
|
水性
|
溶劑型
|
||
|
太陽反射比（白色）
|
≥0.83
|
||
|
半球發(fā)射率
|
≥0.85
|
||
|
拉伸性能
|
拉伸強度/MPa
|
≥1.0
|
/
|
|
斷裂伸長率/%
|
≥100
|
/
|
|
|
耐人工老化性/
（水性400h，溶劑型500h）
|
外觀
|
不起泡，不剝落，無裂紋
|
|
|
粉化/級
|
≤1
|
||
|
變色（白色或淺色a）/級
|
≤2
|
||
|
太陽反射比（白色）
|
≥0.81
|
||
|
半球發(fā)射率
|
≥0.83
|
||
|
不透水性b
|
0.3MPa,30min不透水
|
/
|
|
|
水蒸氣透濕率b，g/(m2.s.Pa)
|
≥8.0×10-8
|
/
|
|
|
項目
|
指標
|
|
涂層外觀
|
白色、平整光亮
|
|
耐沖擊性/cm
|
50
|
|
柔韌性/mm
|
1
|
|
反射系數
|
≥0.80
|
|
輻射系數
|
≥0.85
|
|
耐熱沖擊
|
通過
|
|
耐濕熱/20周期
|
不起泡、不發(fā)粘、無鹽析
|
|
耐霉菌
|
3級
|
|
耐鹽霧/48h
|
無明顯變化
|
|
項目
|
指標
|
|
太陽反射比
|
≥0.80
|
|
紅外發(fā)射率
|
≥0.80
|
|
重量固含量
|
≥25%
|
|
體積固含量
|
≥25%
|
|
延伸率
|
>200%（25℃）
|
|
>100%（-18℃）
|
|
|
≥80%（按ASTM G 155 UV老化3000h后，25℃和-18℃）
|
|
|
附著力
|
按ASTM D 903測試，并表示各基材的測試結果
|
|
透汽性
|
>20 perms（按ASTM E 96 干燥法
|
|
耐火性
|
符合當地要求（按ASTM E 84）
|
|
防霉性
|
可接受（按ASTM D 3274）
|
|
吸水性
|
按ASTM D 471測試
|
|
試樣膜厚
|
按ASTM C 419 測試
|
|
戶外耐久性
|
按ASTM G 26測試
|
2反射隔熱涂料實際應用
太陽能對建筑物的熱環(huán)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%�？梢姽獠ㄩL在400nm-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%�？梢姡柲苤饕杏诳梢姽鈪^(qū)和紅外區(qū)。對于反射隔熱外墻涂料，可以有作為的也就是紅外區(qū)。
反射隔熱涂料通過對太陽能的反射和發(fā)射達到隔熱效果。
反射隔熱涂料要達到高的熱反射率，必須選用高折光系數的顏料。顏色對熱反射率有很大影響。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。通常隨著明度的降低，顏色變深，熱反射率下降。因此，反射隔熱涂料的顏色選用白色或淺色比較容易達到，尤其是使用鈦白粉的白色涂料，它既反射可見光，又反射紅外線。
在德國，不同顏色、不同明度的表面溫度實測結果如表6所示。
|
顏色
|
明度
|
2001年8月，西南1950 ，墻
|
2003年8月,450傾角、西南1950
|
|
白色
|
91
|
40.6
|
45.4
|
|
黃色
|
70
|
48.9
|
54.5
|
|
65
|
51.1
|
59.3
|
|
|
橙色
|
70
|
46.0
|
50.7
|
|
51
|
50.1
|
56.9
|
|
|
23
|
55.1
|
64.1
|
|
|
紅色
|
70
|
44.9
|
49.7
|
|
48
|
49.0
|
55.1
|
|
|
18
|
59.9
|
66.8
|
|
|
11
|
60.9
|
70.9
|
|
|
紫色
|
69
|
45.2
|
51.2
|
|
55
|
49.0
|
56.6
|
|
|
23
|
58.0
|
65.9
|
|
|
6
|
63.8
|
72.6
|
|
|
藍色
|
68
|
47.1
|
53.6
|
|
54
|
51.5
|
57.5
|
|
|
26
|
59.5
|
66.1
|
|
|
5
|
68.1
|
81.0
|
|
|
綠色
|
70
|
46.1
|
53.2
|
|
47
|
51.4
|
61.4
|
|
|
21
|
60.0
|
72.1
|
|
|
18
|
60.5
|
72.9
|
|
|
灰色
|
73
|
43.8
|
50.7
|
|
42
|
59.4
|
70.0
|
|
|
19
|
69.4
|
79.7
|
|
|
黑色
|
4
|
73.7
|
86.8
|
用相同顏色涂料裝飾的外墻面，反射隔熱涂料和普通涂料相比，其表面溫度會較低。顏色越深，明度越低，差值越大，大致如表7所示。
表7 反射隔熱涂料和普通涂料之間的溫差/℃
|
明度
|
20
|
50
|
70
|
|
溫差
|
24
|
20
|
11
|
外墻表面溫度較低，一是降低內外墻溫差，減少傳入室內熱量，節(jié)省空調能耗；二是使發(fā)射的紅外線較多通過大氣窗發(fā)至大氣外層，緩解城市熱島效應；三是減慢涂膜降解速度，提高涂膜使用壽命；四是改善涂膜的耐沾污性，因為乳膠漆用乳液基本上是熱塑性的，溫度高時，變軟，易粘灰；五是提高外墻外保溫系統抗裂能力。因為夏天氣溫高，太陽輻射強，日照時間長，保溫板導熱系數低，在普通深色飾面層和防護層處，溫度可達70℃左右，如果突然下雨，溫度一下降至三十多度，溫變范圍大，容易開裂。相同顏色反射隔熱涂料飾面溫度低得多，所以增加抗裂性。
3節(jié)能和低碳等計算
反射隔熱涂料不僅節(jié)能和低碳，而且還能緩解城市熱島效應等。
3.1節(jié)能
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。
外表面涂膜的反射率越高，包括可見光區(qū)和紅外區(qū)，外表面反射的太陽熱量就越多，而吸收的太陽熱量就越少。也就是說，向室內傳導的熱量就越少，夏天空調負荷就越低。
如果反射隔熱涂料的太陽光反射比為80％，則房屋圍護結構得熱就只有20％。從而降低空調能耗，為低碳經濟做貢獻。
美國能源部報告說采用反射隔熱涂料節(jié)能可達21.9%。有的通過模型計算，采用反射率70％反射隔熱涂料，對于制冷房間，空調節(jié)電20.6％。實際效果與氣候狀況、墻體傳熱系數、涂料反射率等因素有關。
以反射隔熱涂料為飾面的外墻外保溫系統，集保溫和隔熱為一身，能很好滿足夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū)外墻保溫和隔熱要求。
按JGJ/T 14-2004《混凝土小型空心砌塊建筑技術規(guī)程》附錄C，G1=ρ/(R0.αe.αi)，G2=ρ/(mαe), m=2.62e0.46D。
式中 G1-熱阻抗隔熱指數；
G2-熱穩(wěn)定隔熱指數；
ρ-外表面太陽輻射吸收系數；
R0-外墻傳熱阻；
αe－外表面熱交換系數；
αi－內表面熱交換系數；
m- 綜合熱穩(wěn)定系數；
D-外墻熱惰性指標；
e-自然對數的底。
若G1和G2分別不大于0.0060和0.0035(m2.K)/W時，符合隔熱要求。
當G1=0.0060時，αe＝19 w/(m2.K)，αi＝8.7 w/(m2.K)，K=G1αe.αi/ρ=0.9918/ρ, 即得外表面太陽輻射吸收系數、反射率和傳熱系數K的關系，如表8。
表8 太陽輻射吸收系數、反射率和傳熱系數K的關系
|
ρ
|
0.7
|
0.65
|
0.6
|
0.55
|
0.5
|
0.45
|
0.4
|
0.35
|
0.3
|
0.25
|
0.2
|
0.15
|
|
反射率
|
0.3
|
0.35
|
0.4
|
0.45
|
0.5
|
0.55
|
0.6
|
0.65
|
0.7
|
0.75
|
0.8
|
0.85
|
|
K
|
1.42
|
1.53
|
1.65
|
1.80
|
1.98
|
2.20
|
2.48
|
2.83
|
3.31
|
3.97
|
4.96
|
6.61
|
當G2=0.0035時，αe＝19 w/(m2.K)，D=ln(5.7395396*ρ)/0.46, 即得外表面太陽輻射吸收系數、反射率和熱惰性指標D的關系，如表9。
表9 太陽輻射吸收系數、反射率和熱惰性指標D的關系
|
ρ
|
0.7
|
0.65
|
0.6
|
0.55
|
0.5
|
0.45
|
0.4
|
0.35
|
0.3
|
0.25
|
0.2
|
0.15
|
|
反射率
|
0.3
|
0.35
|
0.4
|
0.45
|
0.5
|
0.55
|
0.6
|
0.65
|
0.7
|
0.75
|
0.8
|
0.85
|
|
D
|
3.0
|
2.9
|
2.7
|
2.5
|
2.3
|
2.1
|
1.8
|
1.5
|
1.2
|
0.8
|
0.3
|
-0.3
|
還有通過GB 50176-93民用建筑熱工設計規(guī)范中的太陽輻射吸收系數、當量附加熱阻、等效涂料熱阻、外墻平均傳熱系數的修正系數等進行節(jié)能計算。
當然對比數據取值應科學合理，經得起實際檢驗，應以相同顏色作對比。有的以反射隔熱涂料的反射率為80％，以普通涂料的反射率為30％，進行計算，就不是在同一水平上比較。
3.2低碳
外表面涂膜的反射率和發(fā)射率越高，其結果向室內傳導的熱量也就越少，降溫能耗就越低，即越節(jié)能，越低碳。
隔熱節(jié)能效果還與外墻平均熱阻、氣候條件等因素有關。外墻平均熱阻較低，隔熱節(jié)能效果較好。
以JGJ 134-2001夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準和JGJ 75-2003夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準的節(jié)能要求空調年耗電量為基礎，采用以反射隔熱涂料為飾面的外墻外保溫系統，節(jié)電10％，每1KWh排放1.324kgCO2，每戶90m2計，夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)每平方米住宅和每戶CO2減排量如表10和表11所示。
表10 夏熱冬冷地區(qū)每平方米住宅和每戶CO2減排量
|
城市
|
CDD26
|
耗冷量指標qc/ W/m2
|
空調年耗電量Ec/ kWh/m2
|
CO2減排kg/m2
|
戶CO2減排
kg/戶
|
|
合肥
|
116
|
23.8
|
20.5
|
2.71
|
244.28
|
|
南京
|
175
|
27.3
|
24.9
|
3.30
|
296.71
|
|
上海
|
164
|
26.6
|
24.1
|
3.19
|
287.18
|
|
杭州
|
196
|
28.6
|
26.5
|
3.51
|
315.77
|
|
武漢
|
195
|
28.5
|
26.4
|
3.50
|
314.58
|
|
長沙
|
275
|
33.3
|
32.4
|
4.29
|
386.08
|
|
南昌
|
254
|
32
|
30.8
|
4.08
|
367.01
|
|
成都
|
27
|
18.5
|
13.9
|
1.84
|
165.63
|
|
重慶
|
241
|
31.3
|
29.8
|
3.95
|
355.10
|
|
城市
|
空調耗電量qy,c/kWh/m2.a
|
CO2減排/kg/m2
|
戶CO2減排/kg/戶
|
|
廣州
|
73.33
|
9.71
|
873.80
|
|
福州
|
51.35
|
6.80
|
611.89
|
|
廈門
|
53.96
|
7.14
|
642.99
|
|
南寧
|
68.75
|
9.10
|
819.23
|
|
湛江
|
92.08
|
12.19
|
1097.23
|
|
龍州
|
90.63
|
12.00
|
1079.95
|
3.3緩解熱島效應
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(fā)至大氣外層。這不僅有利于隔熱，還對解決熱島效應有好處。
根據維恩位移定律，λT = 2898 (μm·K)，其中的λ即某溫度T時黑體輻射出射度的峰值波長，計算得夏天外墻面溫度和黑體光譜輻射出射度的峰值波長的關系，如表12。
表12 夏天外墻面溫度和黑體光譜輻射出射度的峰值波長的關系
|
溫度/℃
|
溫度/K
|
黑體光譜輻射出射度的峰值波長/μm
|
|
20
|
293
|
9.89
|
|
25
|
298
|
9.72
|
|
30
|
303
|
9.56
|
|
35
|
308
|
9.41
|
|
40
|
313
|
9.26
|
|
45
|
318
|
9.11
|
|
50
|
323
|
8.97
|
|
55
|
328
|
8.84
|
|
60
|
333
|
8.70
|
|
65
|
338
|
8.57
|
|
70
|
343
|
8.45
|
|
75
|
348
|
8.33
|
夏天外墻面溫度越低,則墻面光譜輻射出射度的峰值波長越接近大氣窗8-13.5μm 中值，就有越多的紅外線可以通過大氣窗被發(fā)至大氣外層，從而緩解了城市熱島效應。
4存在問題
紅外反射顏料價格較高，造成配色成本較高。紅外反射顏料品種有限，使配色也受限制，這些都有待于我們去解決。
作者說明：本文除按趙石林老師要求補齊ASTM C 1483-04要求外，其他同 中國涂料，2011[7] 15-18所刊文章。
