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外墻外保溫和隔熱保溫涂料技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:46:58 [收藏]
    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(guó)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(yáng)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(yáng)輻射熱平衡方程
    太陽(yáng)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(zhǎng)的長(zhǎng)短，太陽(yáng)光可以分為紫外線、可見(jiàn)光和紅外線。紫外線的波長(zhǎng)小于400nm，約占太陽(yáng)總能量的5%?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)在400~760nm，約占太陽(yáng)總能量的45%。而紅外線的波長(zhǎng)大于760nm，約占太陽(yáng)總能量的50%?？梢?jiàn)，太陽(yáng)能主要集中于可見(jiàn)光區(qū)和紅外區(qū)。
    太陽(yáng)輻射熱通過(guò)向陽(yáng)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(guò)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(yáng)輻射熱平衡方程可以簡(jiǎn)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(yáng)輻照度，W/m2；
    Q2??外表面反射的太陽(yáng)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(shuō)，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(yáng)輻射熱量 因?yàn)橥磕ね獗砻媸欠峭该鞯模蕴?yáng)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(yáng)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(lái)說(shuō)，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(yáng)50%的能量。這就是說(shuō)，也可以通過(guò)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(yáng)輻射熱量就越多，而吸收的太陽(yáng)輻射熱量就越少。也就是說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(wú)阻礙地通過(guò)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(shuō)，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(zhǎng)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(guò)對(duì)溫度波動(dòng)的衰減和延遲而達(dá)到，保溫由熱阻來(lái)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(lái)，通過(guò)選擇合適的原料和配方等，制得高反射率涂層，反射太陽(yáng)光來(lái)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(guò)下例傳熱系數(shù)K值的計(jì)算能清楚說(shuō)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?

    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(shuō)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(guó)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(jiàn)表1。



    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(yáng)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(guò)低導(dǎo)熱系數(shù)和高熱阻來(lái)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(lái)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(wú)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(jiàn)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(zhǎng)，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(lái)通過(guò)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(guò)輻射的形式把建筑物吸收的太陽(yáng)能以長(zhǎng)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(guó)ASTMC1483?04《建筑外用太陽(yáng)能輻射控制涂料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》規(guī)定，太陽(yáng)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(shì)
    納米隔熱保溫涂料是以合成樹(shù)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(guó)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(shì)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(shì)。
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