建筑反射隔热涂料隔热保温性能研究

建筑反射隔热涂料隔热保温性能研究

徐 峰 ( 安徽省建筑科学研究设计院,合肥 230001)
蒋字平 ( 安徽天锦云漆业有限公司,安徽马鞍山 243100)

0 引言
建筑反射隔热涂料是近年来得到一定应用并受到重视的新型功能性建筑涂料。在我国夏季气温过高的夏热冬暖、夏热冬冷气候区,该涂料除了具有普通外墙涂料的装饰效果外,还能够反射太阳辐射热而降低涂膜表面温度,并减轻因夏季涂膜表面温度过高而带来的一系列问题。但是,在受到重视和得到应用的另一方面,该涂料在应用中也出现了一些问题,例如对涂料性能和应用条件了解较少而出现的应用误区(例如有的供应商宣称可用于内墙保温)、过分夸大涂料功能而出现的应用偏差等。
建筑反射隔热涂料的基本功能是因反射照射到涂膜表面的光和热、降低涂膜表面温度而产生隔热作用。虽然涂膜本身的导热系数很低,但由于涂膜施涂较薄,所能够起到的保温作用有限,在建筑节能计算中对涂膜本身的热阻(或传热系数)一般忽略不计。但是,实际中有的涂料供应商或者因为技术素质问题,或者因为经济利益问题,总是过分夸大建筑反射隔热涂料的保温功能。为此,笔者进行了多次建筑反射隔热涂料的实际保温性能和功能试验,有的试验是使用规范的试验室设备和测试方法;有的则是自制的试验装置,采用简单的试验方法。试验结果表明:该类涂料的主要功能仍然是反射和隔热,保温功能在试验中体现不出来。现将有关试验结果整理形成本文。

1 关于建筑反射隔热涂料保温隔热性能的试验
1.1 建筑反射隔热涂料对墙体保温系统热工性能影响的试验
1.1.1 试验用砌体与仪器
试验用砌体为具有一定保温隔热功能的混凝土空心砌块砌体,尺寸为1.0 m×1.0 m×0.23 m。该砌体砌筑于试验室中测试传热系数仪配套的框架中。试验用仪器为北京奥达仪器设备有限公司生产的“JW- Ⅰ型墙体制品保温检测装置”。

1.1.2 传热系数测试
(1) 试验砌体砌筑1 周后两面分别抹涂20 mm常用内墙抹灰砂浆和外墙抹灰砂浆,养护28 d 后测试该砌体的传热系数。
(2) 在砌体表面抹涂35 mm 厚保温砂浆,养护28 d 后再测试该砌体施工建筑保温砂浆后的传热系数。
(3) 最后,在该砌体的保温砂浆面刮涂2 道柔性耐水腻子,并喷涂3 道反射隔热涂料,养护14 d 后再次测试传热系数。这次测试传热系数分两种情况进行,一次是涂料涂施面朝着热源,另一次是涂料涂施面背着热源。

1.1.3 传热系数测试结果
以上各种情况下测得的传热系数结果见表1。

1.1.4 结果分析
从表1 中可见:建筑保温砂浆保温层对降低传热系数的效果明显,说明其具有一定的保温隔热性能。砂浆保温层表面涂覆反射隔热涂料,对以传导传热为主要热传递方式的传热系数的影响很小。该试验结果和热传导的原理是一致的。由于所使用的测试仪器和方法是目前建筑节能试验室测试砌体传热系数所普遍使用的,因而该结果具有代表性和可信性。

1.2 建筑反射隔热涂料的保温性能和隔热性能模拟试验
为了研究建筑反射隔热涂料的保温性能和隔热性能,自制了一个简单的试验装置,通过碘弧灯发出的光和热对涂膜和对比试验样板进行照射,来研究其保温隔热性能。

1.2.1 试验装置
试验装置为自制,概述如下:采用3 cm 厚的模塑聚苯乙烯泡沫板,制成外形尺寸(长× 宽× 高)为46.5 cm×46.5 cm×24.5 cm 的小型保温箱体,箱体中间使用2.5 cm 厚模塑聚苯乙烯泡沫板隔成两个空腔,在每个空腔的中间放置一个电子温度计的探头,用于测量试验过程中箱体内的温度。保温箱上方25 cm 高度处,设置一个1 000 W 碘弧灯,作为照射源,照射放置在保温箱上的试板。碘弧灯发出的光和热照射到涂膜和对比试验样板表面,并向保温箱内传导热量而使箱内的温度发生变化,通过测量保温箱内温度的变化,研究建筑反射隔热涂料的隔热保温性能。试板和对比试板安装在保温箱上后,四周用密封胶带密封严实。

1.2.2 试板
试板以5 mm 厚石棉水泥板为底板,尺寸同箱体横断面一样大小,以正好盖严保温箱。在该石棉水泥板上,一分为二地成型出建筑反射隔热涂料试板和对比试验试板。
试板制作:批涂约5 mm 厚保温腻子,腻子膜表面涂覆建筑反射隔热涂料,保温腻子的导热系数为0.102 W/(m·K)。腻子膜与反射隔热涂膜总厚度约5.5mm。对比试板为3 cm 厚建筑保温砂浆保温层,其导热系数为0.116 W/(m·K)。

1.2.3 涂膜受照射情况下保温箱内的温度变化
在涂膜面和对比试验的保温砂浆保温层均朝着碘弧灯受照射的情况下,保温箱内的温度变化如表2所示。

分析表2 中的结果,可以得出以下几点与通常理论相一致的结论:
第一,建筑反射隔热涂料的反射隔热效果明显。在表2 结果中的第一种情况下,刚开始照射时,两个箱内的温度基本相同。随着照射时间的延长,以涂膜覆盖的箱体内温度上升速度明显快于保温砂浆覆盖的箱体。这是因为试验一开始时由于照射时间短,涂膜表面和保温砂浆表面的温度相差不大,而保温砂浆保温层的热阻大于反射隔热涂层体系的热阻。但是,随着试验时间的延长,涂膜表面和保温砂浆表面的温度相差变大,因而热量通过保温砂浆向箱内传导的速度加快。而反射隔热涂层体系虽然热阻小,但涂膜表面与箱内的温差小,因而热量传导速度低于保温砂浆层。从测试结果来说,就是保温砂浆覆盖的箱体内的温度从低于涂膜覆盖的箱体,到逐渐持平,最后高出2.6℃(38.8℃与36.2℃之差)。
第二,建筑反射隔热涂料保温性能不明显。从关闭碘弧灯后保温箱内温度的自然下降测量结果可以看出,关闭照射源后,反射隔热涂层体系的降温速度明显快于保温砂浆层。经过1 h 的时间,两个箱内的温度相差2.9℃,说明反射隔热涂料保温性能有限。
第三,涂膜表面升温显著降低,这一点是涂膜反射隔热的基本体现。因为照射到涂膜表面的光和热大部分被反射,涂膜吸收得很少,且涂膜本身的导热系数很小[约0.6 W/(m·K)],因而涂膜的温度升高与对比的砂浆保温层相比很低,从而产生良好的反射隔热功能。

1.3 在保温箱内模拟加温情况下的温度变化
1.3.1 试验装置
使用上述试验装置,在保温箱的两个空腔内各放一个40 W 白炽灯作为热源,测量加热过程中试验箱内温度上升和关灯后试验箱内温度下降的情况。白炽灯和电子温度计的探头中间用小隔板隔开。通过测量保温箱内温度的变化,比较建筑反射隔热涂料与建筑保温砂浆层的隔热保温性能。

1.3.2 试板
试板为两块,均以5 mm 厚石棉水泥板为底板,尺寸为箱体横断面的一半,即大小与泡沫板隔开的空腔一样。这样,两块板分别成型出建筑反射隔热涂膜和砂浆保温层(对比试验试板)后,正好盖严并卡在分割的保温箱空腔上。
试板制作:批涂约5 mm 厚保温腻子,腻子膜表面涂覆建筑反射隔热涂料,保温腻子的导热系数为0.102 W/(m·K)。腻子膜与反射隔热涂膜总厚度约5.5mm。对比试板为3 cm 厚无机保温砂浆层,其导热系数为0.116 W/(m·K)。

1.3.3 试验结果及分析
加热阶段及自然降温过程中保温箱两个空腔内的温度变化情况如表3 所示。

分析表3 中的试验结果,虽然试验中使用的保温砂浆的保温性能并不好[导热系数0.116 W/(m·K)],但无论是在加热阶段,还是在自然降温阶段,其效果均优于建筑反射隔热涂层系统。
在1 h 的加热过程中,以建筑保温砂浆覆盖的保温箱空腔内的温度从24.2℃上升到53.3℃ ;而以建筑反射隔热涂层系统覆盖的空腔内的温度仅上升到50.8℃,说明有更多的热通过建筑反射隔热涂层传导出去。在50 min 的降温过程中,以保温砂浆层试件覆盖的保温箱空腔内的温度高于涂料系统的,说明保温砂浆层有更好的保温效果。
综合上面的试验结果可以认为:建筑反射隔热涂料的反射隔热性能是非常明显的,但保温性能有限,在实际应用中必须根据实际情况考虑墙体热阻(或传热系数)问题。

2 某些标准(规程)对建筑反射隔热涂料热工性能的规定
建筑反射隔热涂料使用已有多年,已经相继颁布了有关的国家标准、行业标准和地方规程、设计标准等。产品标准中通常不涉及涂料实际应用中的等效涂料热阻(或传热系数)。

2.1 产品标准
关于建筑反射隔热涂料的产品标准,我国目前有国家标准GB/T 25261—2010《建筑用反射隔热涂料》、建工行业标准JG/T 235—2008《建筑反射隔热涂料》和建材行业标准JC/T 1040—2007《建筑外表面用热反射隔热涂料》等。产品标准一般只规定涂料的反射隔热性能(如太阳光反射比、半球发射率、隔热温差和隔热温差衰减等),而没有对等效热阻的规定。但是,国家标准GB/T 25261—2010 在附录A 中作为资料性附录列出了等效涂料热阻Re,Re=[(1/ε)-1]×(R+0.15)(ε 为反射隔热涂料的年传热修正值;R 为涂料基层墙体热阻),并分别以南京地区气候为代表:当涂料的太阳光反射比和半球发射率为0.80 时,等效涂料热阻为0.16~0.20 m2·K·W-1(根据朝向、基层墙体不同有区别);以广州地区气候为代表:当涂料的太阳光反射比和半球发射率为0.80时,等效涂料热阻为0.15~0.28 m2·K·W-1(根据朝向、基层墙体不同有区别)。
2.2 设计标准
上海市《居住建筑节能设计标准》规定,当外墙采用反射隔热涂料时,其传热系数值可以按照表4取值。

2.3 技术规程
在相关的应用技术规程中,根据实际使用的需要,涂料的等效热阻是必须确定的设计指标。例如,在重庆市工程建设标准DBJ/T 50-076—2008《建筑反射隔热涂料外墙外保温系统技术规程》中规定,使用反射隔热涂料的外墙,其传热系数应按下式进行计算:
Km=β·KO
式中,Km——修正后的平均外墙传热系数,W/(m2·K);KO——建筑节能设计计算的平均外墙传热系数,W/(m2·K);β——修正系数,根据设计计算的平均外墙传热系数KO,按表5 取值。

上海市工程建设规范DG/TJ 08-206-2009J10186—2009《居住建筑围护结构节能应用技术规程》(送审稿)中对使用建筑外墙反射隔热涂料的外墙传热系数的规定与《居住建筑节能设计标准》的规定(表4)一致。

3 建筑反射隔热涂料的节能效果及应用方式
3.1 建筑反射隔热涂料的实际节能效果
在夏热冬暖和夏热冬冷地区的外墙外保温表面,保温层表面配套涂装建筑反射隔热涂料,能反射照到墙体表面的太阳光,减少建筑物对太阳辐射热的吸收,阻止建筑物表面因吸收太阳辐射导致的温度升高,减少热量向室内的传递,改善涂膜本身的热老化环境状况,解决外保温系统的裂、渗问题,提高节能效果。
研究表明,建筑外墙隔热涂料的节能效果与气候和墙面基层状况、涂料的太阳光反射率有关。诸如上海这类夏热冬冷地区的居住建筑,考虑到空调使用模式的不同,采用该涂料的建筑全年可节能2%(全年空调)~5%(仅夏季空调)左右。

3.2 建筑反射隔热涂料的应用方式
在夏热冬冷地区,建筑反射隔热涂料应配用适当的保温措施用于墙体节能系统。在其用于外墙外保温系统时,由于涂料的等效热阻,可以适当减薄保温层的厚度。但是,由于使用聚苯板类外保温系统时,根据节能要求,聚苯板的厚度本身就不高,因而减薄聚苯板厚度的意义不大。从更好地应用建筑反射隔热涂料的角度来说,应当配套新的外墙外保温系统更为合理。无抗裂防护层的保温砂浆- 建筑反射隔热涂层系统就是一个非常合理的实用系统。该系统以建筑保温砂浆为保温层,建筑反射隔热涂料为饰面层。该涂层系统通过提高保温砂浆物理力学性能而取消了抗裂防护层;通过适当提高普通外墙外保温系统中所用的柔性腻子的批涂厚度,能够达到更好的抗裂效果,而且可消除因耐碱网格布耐碱性不良导致的一些弊端。这种做法具有一定优势,如材料层之间界面减少,保温砂浆性能得到提高,保温层施工时表面更容易抹平,以及外保温系统的材料费用基本上都花费在保温材料上。同时,因取消了抗裂防护层,具有构造简化,施工工期缩短,工程造价降低,耐久性延长等优点。保温层表面配套涂装建筑反射隔热涂料,能阻止建筑物表面因吸收太阳辐射导致的温度升高,减少热量向室内的传递,改善涂膜本身的热老化环境状况,同时大大降低夏季墙体表面向室内传导的热量,提高节能效果。

4 结语
通过以上试验研究可以得出如下结论:
(1) 建筑反射隔热涂料对以传导传热为主要热传递方式的传热系数的影响很小;
(2) 建筑反射隔热涂料反射隔热效果明显,受到光照时涂膜表面升温显著降低;
(3) 建筑外墙隔热涂料的节能效果与气候和墙面基层状况等有关。夏热冬冷地区的建筑采用该涂料全年可节能2%~5%。因此,当在外墙面使用建筑反射隔热涂料时,应在热工计算中对其等效涂料的热阻予以考虑;
(4) 无抗裂防护层的保温砂浆- 建筑反射隔热涂层系统是合理的实用系统,具有构造简化,施工工期缩短,工程造价降低,系统节能效果高,耐久性延长,能阻止建筑物表面因吸收太阳辐射导致的温度升高,减少热量向室内的传入,改善涂膜本身的热老化环境状况等特点。

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