反射隔熱涂料的研究

1、引言1概述反射隔熱涂料的研究可追溯到20世紀(jì)70年代，美國Call等人1提出利用填料的反射和輻射特點(diǎn)進(jìn)行保溫，改變了傳統(tǒng)的只利用保溫涂層進(jìn)行隔熱的做法。近些年來，國內(nèi)外對反射隔熱涂料分別從材料、顏色、性能等多個(gè)方面進(jìn)行研究，研究成果已被廣泛應(yīng)用于建筑、石油、運(yùn)輸、造船工業(yè)、軍工、航天等多個(gè)行業(yè)，在我國夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)用較多。對于反射隔熱涂料對墻體的傳熱性能的影響以往多是從試驗(yàn)測試角度來研究，本文將根據(jù)傳熱學(xué)原理采用有效傳熱系數(shù)法來進(jìn)行計(jì)算討論。反射隔熱涂料是利用由樹脂、金屬或者金屬氧化物組成的顏料涂料通過大量反射太陽光，減少建筑得熱的一種建筑隔熱涂料。太陽的輻射光譜可分為：紫外區(qū)0

2、20.4pm,占太陽能量的5%；可見光區(qū)0.40.72pm,占太陽能量的45%；近紅外區(qū)0.722.5pm,占太陽能量的50%。所以，反射隔熱涂料在0.41.8pm波長范圍內(nèi)對太陽輻射的反射率越高，涂層的隔熱降溫效果就會(huì)越好。近年來，外墻隔熱受到重視。建筑隔熱涂料也開始從內(nèi)墻隔熱保溫向外墻轉(zhuǎn)變。國外關(guān)于反射隔熱涂料的研究比較多，比如N.M.Nahar2等指出涂有反射涂層的測試室內(nèi)的溫度比未涂反射層的測試室內(nèi)的溫度低得多；Joseph3等在小型建筑物表面涂刷隔熱涂料以對其進(jìn)行評價(jià)，并且綜合討論了風(fēng)速和濕度等影響因素。國內(nèi)反射隔熱涂料的研究報(bào)道也很多，劉先春4以改性丙烯酸醇酸樹脂為主要成膜物質(zhì)，配

3、合使用顏料、溶劑和助劑等表面隔熱涂料，制成的涂料具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能和極強(qiáng)的亮度，對太陽輻射熱的反射率高，可以明顯降低房屋表面的溫度。郭年華5研制了聚氨酯改性高氯化聚乙烯反射涂料，其試驗(yàn)結(jié)果表明，涂料的熱反射率與面漆所用的基料以及顏填料等都有關(guān)，指出涂料的熱反射率與面漆所用的基料、顏填料的折光系數(shù)、顏填料的粒徑、純度、膜厚以及PVC值都有很大的關(guān)系。由于涂料在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的厚度一般為020.3mm,本身的熱阻很小，相對于整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻可以忽略不計(jì)，所以本文將從隔熱涂料與圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)這一角度來討論。2熱工計(jì)算方法2.1有效傳熱系數(shù)的定義根據(jù)傳熱學(xué)定義，傳熱系數(shù)在數(shù)值上等于冷熱流體間溫

4、壓為1C、傳熱面積為1m2時(shí)的熱流量，是表征傳熱過程強(qiáng)烈程度的標(biāo)尺。圍護(hù)結(jié)構(gòu)在進(jìn)行實(shí)際的傳熱過程中，不僅存在兩側(cè)空氣溫差引起的熱損失qte-ti,還存在由太陽輻射得熱qsol和天空輻射的熱損失qs。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的凈熱損失qnet為這三部分的代數(shù)和，即qnet二qte-ti+qsol-qs。有效傳熱系數(shù)定義為：在單位空氣溫差情況下，單位面積在單位時(shí)間內(nèi)的凈熱損，即Keff二qnet/(te-ti)。qsol和qs不易直接獲得，可通過計(jì)算太陽輻射和天空輻射修正系數(shù)R，然后用R乘以常規(guī)方法計(jì)算出的傳熱系數(shù)K后獲得，即Keff=RK。2.2有效傳熱系數(shù)的計(jì)算式國內(nèi)最初將有效傳熱系數(shù)法應(yīng)用在對冬季采暖地區(qū)的

5、建筑耗熱量估算上6,由于其簡易直觀且便于應(yīng)用的特點(diǎn)，被我國第一部民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)準(zhǔn)則采用。JGJ26-95民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和武漢市WBT-1-9-2000居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定沿襲了這一計(jì)算方法的基本計(jì)算原理。下面對有效傳熱系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行整理。首先，根據(jù)傳熱學(xué)定義，有效傳熱系數(shù)為：Keff=K(ti-te+ts.eq-tsol.eq)/(ti-te)(1)式中：K為傳熱系數(shù)，W/(m2K)；ti為室內(nèi)干球溫度，C；te為室外干球溫度，C；ts.eq為天空輻射當(dāng)量溫度，C；tsol.eq太陽輻射當(dāng)量溫度，C。由Keff=iK得：R=1+(ts.eq-tsol.eq)/(ti-te)(2

6、)上式中ts.eq和tsol.eq的計(jì)算方法如下：tsol.eq=pIH/ae(3)式中：p為外表面的太陽輻射吸收系數(shù)；IH為水平面上的太陽輻射照度，W/m2；ae為外表面對流換熱系數(shù)，W/(m2K)。ts.eq=(aer/ae)(te-ts)(1-CHH-CMM)(4)式中：aer為輻射換熱系數(shù)，W/(m2K)；ts為當(dāng)量天空溫度，C；CH為低云量修正系數(shù)；H為低云量晝夜平均值；CM為中云量修正系數(shù)；M為中云量晝夜平均值。M為半球發(fā)射率fs-0.0552(G+273)5-273根據(jù)上列公式可以計(jì)算出圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋頂、外墻)的有效傳熱系數(shù)，其中對于外墻的修正系數(shù)W,由于外墻通常受到鄰近建筑物和樹

7、木的遮擋，使得對天空的輻射熱損失大大減少；同時(shí)，鄰近建筑物和地面的輻射太陽熱卻使他們的太陽輻射得熱有所增加，故不考慮天空的輻射熱損失，即ts.eq=0C。3計(jì)算實(shí)例下文以武漢地區(qū)為例，對兩種不同類型的屋頂構(gòu)造的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并分析比較考慮太陽輻射、天空輻射的有效傳熱系數(shù)值、原傳熱系數(shù)值及對應(yīng)單位面積傳熱量。夏季計(jì)算條件：ti=26C；te=32C；p=0.11；IH=967W/m2；ae=19W/(m2K)；內(nèi)表面對流換熱系數(shù)ai=8.7W/(m2K)；=0.81；CH=0.68；H=0.13；CM=0.47；M=0.27。用于計(jì)算的兩種屋頂構(gòu)造如圖1、2所示。Rontwithouiins

8、ulationFig.2Roofwithmsuhtjon華材蔭術(shù)層上面2種構(gòu)造各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)：鋼筋磚板1.74W/(mK)；水泥砂漿0.93W/(mK)；卷材防水層0.17W/(mK)；擠塑聚酯板0.03W/(mK)；細(xì)石磚1.51W/(mK)。通過式(1)(6)對有效傳熱系數(shù)、傳熱系數(shù)和單位屋頂面積傳熱量進(jìn)行計(jì)算分析。常規(guī)方法計(jì)算出K后，采用綜合溫度法計(jì)算單位面積傳熱量，室外綜合溫度tzs=te+pIH/ae。計(jì)算結(jié)果如表1所示。其中q1是用有效傳熱系數(shù)計(jì)算的單位面積傳熱量，q2是用傳熱系數(shù)計(jì)算的單位面積傳熱量，分別按式(7)和式(8)計(jì)算。q產(chǎn)懇肘笆仁I表1計(jì)算結(jié)果Tab.Result

9、s屋頂掏造A/W/(niK)K/W/m2*K)qi/Wq2/W無保溫5.043.2330.2337.46保溫1.36(1878.1810.14計(jì)算結(jié)果表明，對于無保溫構(gòu)造屋面，q1比q2小7.23;對于保溫構(gòu)造屋面，q1比q2小1.99。相同的計(jì)算條件下，采用有效傳熱系數(shù)計(jì)算出的單位面積傳熱量比采用傳熱系數(shù)計(jì)算出的值小24%左右，主要原因是計(jì)算有效傳熱系數(shù)過程中，考慮了半球發(fā)射率和云量對屋頂傳熱的影響。所以，有效傳熱系數(shù)法能較好地體現(xiàn)反射隔熱涂料的熱工性能。4結(jié)語反射隔熱型涂料對太陽光具有高反射、低吸收的特點(diǎn)，能將太陽輻射得熱的絕大部分反射出去，能有效降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，具有顯著的隔熱降溫效果。反射隔熱型涂料在建筑物的屋面和外墻，特別是保溫、隔熱性能較差的屋面和外墻，傳熱系數(shù)明顯減小從而減少建筑能耗。與保溫材料相比，涂料用在既有建筑節(jié)能改造中更具