太阳热反射涂料在建筑节能中的研究

　　安邦和田进
　　
　　（大金氟涂料（上海）有限公司，201108）
　　
　　摘要：太阳热反射涂料对太阳辐射具有较高反射率，将其涂覆于建筑围栏结构，可以降低空调负荷或改善室内热舒适环境。研究了不同围栏结构材料对太阳热反射涂料节能效果的影响。
　　
　　关键词：太阳热反射涂料；反射率；节能
　　
　　0引言
　　
　　在各类建筑中，暖通空调系统的能耗最大，因此建筑节能的重点是暖通空调的节能。暖通空调节能有多种途径，其中利用太阳热反射涂料降低空调能耗是一种简单易行而有效的途径。太阳辐射较大程度地影响建筑物室内舒适环境及能耗。夏季，太阳强烈辐射所产生的热量引起建筑屋顶和外墙表面温度升高，热量通过围栏结构传导至室内，会增加空调系统的能耗。对于非空调的建筑，建筑物内表面温度的升高产生的热辐射也会恶化室内环境的热舒适度。因此，采用有效的方法降低太阳辐射所引起的温升，达到节约能源，改善生活、工作环境的目的，是一个重要的研究课题。本公司利用在氟化学上的技术优势，研究开发了太阳热反射涂料。该涂料通过高反射率涂层，可大幅度减少建筑表面吸收太阳的热辐射产生的热量，使被涂对象表面温度明显下降。该涂料可应用在各类建筑物屋面，化学品和油品贮罐等的外表面，其节能效果非常显著。
　　
　　1隔热涂料种类及隔热技术
　　
　　太阳光主要由紫外光、可见光和红外光组成（见表1），而热量主要来源于红外光（占总能量的50％）。太阳热反射涂料就是把太阳光中红外光的热量反射掉，从而起到隔热作用的功能性涂料。根据建筑隔热涂料的隔热机理和隔热方式不同，将其分为阻隔型隔热涂料和太阳热反射涂料。

　　表1太阳光组成

　　1.1阻隔型隔热涂料
　　
　　阻隔型隔热涂料是通过对热传递的显著阻抗性来实现隔热的涂料，应用最广泛的阻隔型隔热涂料是硅酸盐类复合涂料。这类涂料是20世纪80年代发展起来的一类新型隔热材料，如复合硅酸镁铝隔热涂料、稀土保温涂料、涂覆型复合硅酸盐隔热涂料等，由于存在自身结构带来的缺陷，如干燥周期长，施工受季节和气候影响大，抗冲击能力弱，干燥收缩大，吸湿率大，对墙体的黏结强度偏低以及装饰性差等，有待进一步改善。
　　
　　1.2太阳热反射涂料
　　
　　太阳热反射涂料是在铝基反光隔热涂料的基础上，通过选择合适的树脂、金属或金属氧化物颜填料及生产工艺，制得高反射率涂层，反射太阳光来达到隔热目的。在各类降温涂料中，利用反射太阳辐射红外波段的能量来达到降温目的是当前普遍采用的方法之一。对用于军事领域的深色降温涂料，颜色向深灰色甚至黑灰色转变，由于对涂层在可见光区域反射率的限制，所以只能尽量提高涂层在近红外区的反射性能和热辐射性能，以达到最佳的降温效果。
　　
　　2太阳热反射涂料对不同建筑材料的节能效果研究
　　
　　通过测试不同建筑材料上涂装非隔热涂料、不同反射率的太阳热反射涂料的相关数据，来分析太阳热反射涂料在不同建筑材料上的节能效果。

　　 　　2.1测试用实验台
　　
　　测试用实验台由一个5面封闭（预留通风口）的箱体和5种厂房建筑常用围栏结构材料实验板组成，见图1。

　　图1测试用实验台

　　2.2测试内容及相关参数
　　
　　进行测试时，将一套（3块）分别涂覆A、B、C不同反射率涂料的实验板放置在实验箱的顶部，测量相关参数。详细记录实验板内侧、外侧表面温度，箱体内部温度，实验板的热流量，逐时气象参数。所用的测试仪器见表2，测试样板参数见表3。

　　表2测试仪器及参数

　　2.3测试期间气象数据
　　
　　本测试共有5种不同材料实验板，如表3所示。测试时，同种材料实验板同时曝晒于太阳光下进行参数测试并记录，持续5d，每天的气象情况见表4。

　　表3测试样板参数

　　表4测试期间气象数据

　　2.4不同材料上的涂层反射率比较
　　
　　为了考察太阳热反射涂料在不同材料实验板上的使用效果，首先对每种实验板进行反射率测试，研究不同基材对太阳热反射涂料反射率的影响，见表5。
　　

　　表5涂料反射率参数

　　由表5可以看出：对于同一种涂料，5种实验板的反射率并无明显差异。可以认为存在的微小反射率差异是由于涂料喷涂程序造成，而与基材的不同没有关系。因此，在不同建筑材料上使用同一种涂料，涂膜反射率基本相同。

　　 　　2.5实验材料的温度、热流量测定
　　
　　将A、B、C3种涂料分别涂装在GB、CG、HN、CZ、LS（见表3）5种材料表面，测试其外表面温度（见图2）、内表面温度（见图3）和内表面热流量（见图4）。

　　图2各种实验板外表面温度比较

　　图3各种实验板内表面温度比较

　　图4各种实验板内表面热流量比较

　　2.5.1外表面温度比较
　　
　　由图2可以看出：A涂层外表面温度最高（涂层反射率为32%），B次之（涂层反射率为42%），C外表面温度最低（涂层反射率为61%）。同时可以看出：外表面温度波动与太阳辐射波动之间呈现出一定的延迟与滞后。这些差异主要是受涂层的反射率和材料本身的导热系数（反射率越高，外表面温度越低）、热阻等影响。
　　
　　2.5.2内表面温度比较
　　
　　由图3可以看出：与其它材料实验板相比，CG板内表面温度较高，并且该差异在反射率差别大的时候更为显著。涂有涂料C的样板随着太阳辐射的增强，与涂料A、B相比，内表面的温差越大。
　　
　　2.5.3内表面热流量比较
　　
　　由图4可以看出：随着反射率的提高，内表面热流量A涂料最大，B涂料次之，C涂料最低。由于不同材料的热阻、导热系数等不同，消减热量也不相同，但总的趋势是涂料C的隔热效果最明显，其消减热量的效果最为明显。

　　 　　2.6热参数与太阳辐射消减热量的关系
　　
　　前面从温度（内表面、外表面）、热流量逐项参数分析了围栏结构材料对太阳热反射涂料使用效果的影响，下面将从材料的热阻进行进一步分析。由实验结果可以看出：涂覆太阳热反射涂料可以有效降低实验板内外表面温度及通过试验样板的热量。在环境温度波动较小的情况下，这些参数变化主要取决于太阳辐射量的影响。选择其中4种导热热阻差异较大的实验板，其表面温度及热流变化与太阳辐射热量变化的关系见图5。

　　图54种实验板表面温度及热流量变化与太阳辐射热量变化的关系

　　由图5可以看出：实验板表面温度及热流量的变化受太阳辐射热量变化的影响很大，呈良好线性关系。对于CG、HN实验板，其内表面温度、热流量变化与太阳辐射热量，即反射率变化的线性关系变弱，这是由于这两种实验板的导热热阻较大，从而内表面温度、热流量变化与太阳辐射热量变化之间的滞后变大造成的。根据图5中所示拟合公式，取合适太阳辐射的热差范围，分析GB、CG、LS、HN4种材料实验板在同样太阳辐射的消减热量范围内材料外表面温度、内表面温度及热流量变化差异，分析材料导热热阻对太阳热反射涂料使用效果的影响。4种材料的导热热阻如下：镀锌钢板（GB）R=1.36×10-5；铝板夹PE塑料（LS）R=7.08×10-3；混凝土板（HN）R=3.78×10-2；彩钢板夹聚苯（CG）R=1.71，结果见图6~8。由图6~8分析得出以下结论：
　　
　　（1）对于外表面温度，围栏结构导热热阻对太阳热反射涂料的效果没有明显影响；
　　
　　（2）对于内表面温度，围栏结构导热热阻越大，太阳热反射涂料的降温效果越差；

　　 　　（3）对于热流量，围栏结构导热热阻越大，热量的减少量越小。

　　图6实验板材料对外表面降温效果的影响

　　图7实验板材料对内表面降温效果的影响

　　图8实验板材料对热流量消减的影响

　　3结语
　　
　　本实验研究了不同围栏结构材料对太阳热反射涂料使用效果的影响。试验结果表明：高反射率的太阳热反射涂料能大幅度降低围栏材料内、外表面的温度；围栏材料对降温效果的影响微弱；高反射率的太阳热反射涂料也能大幅度降低围栏材料内表面热流量，减少进入建筑物内部的太阳辐射热量，减轻空调的负荷，增加室内环境的舒适度。根据各地区所处的气候和地域条件，合理地利用太阳热反射涂料，改善建筑的热舒适环境并降低空调能耗，是建筑节能的重要措施之一。值得指出的是：我国夏热冬暖地区和夏热冬冷地区面积约200余万平方公里，居住人口占全国人口的50%以上，国内生产总值占全国的60%以上，是人口密集、经济发达且建筑面积庞大的地区；同时，这两个地区夏季用电也最紧张，夏季生活用电（很大比例是空调用电）与工商业用电的矛盾在空调期最为突出。因此，若能大幅度地降低这两个地区的夏季空调负荷，必将大大缓解该地区的夏季缺电问题，带来可观的经济效益、社会效益和环保效益。