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70年代，美國Call等人1提出利用填料的反射和輻射特點進行保溫，改變了傳統(tǒng)的只利用保溫涂層進行隔熱的做法。近些年來，國內(nèi)外對反射隔熱涂料分別從材料、顏色、性能等多個方面進行研究，研究成果已被廣泛應用于建筑、石油、運輸、造船工業(yè)、軍工、航天等多個行業(yè)，在我國夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)應用較多。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測試角度來研究，本文將根據(jù)傳熱學原理采用有效傳熱系數(shù)法來進行計算討論。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行評價，并且綜合討論了風速和濕度等影響因素。國內(nèi)反射隔熱涂料的研究報道也很多，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)異的物理化學性能和極強的亮度，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，其試驗結果表明，涂料的熱反射率與面漆所用的基料以及顏填料等都有關，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值都有很大的關系。由于涂料在圍護結構上的厚度一般為020.3mm,本身的熱阻很小，相對于整個圍護結構的熱阻可以忽略不計，所以本文將從隔熱涂料與圍護結構綜合傳熱系數(shù)這一角度來討論。2熱工計算方法2.1有效傳熱系數(shù)的定義根據(jù)傳熱學定義，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時的熱流量，是表征傳熱過程強烈程度的標尺。圍護結構在進行實際的傳熱過程中，不僅存在兩側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。圍護結構的凈熱損失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)的計算式國內(nèi)最初將有效傳熱系數(shù)法應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用的特點，被我國第一部民用建筑節(jié)能設計準則采用。JGJ26-95民用建筑節(jié)能設計標準和武漢市WBT-1-9-2000居住建筑節(jié)能設計技術規(guī)定沿襲了這一計算方法的基本計算原理。下面對有效傳熱系數(shù)的計算方法進行整理。首先，根據(jù)傳熱學定義，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為天空輻射當量溫度，C；tsol.eq太陽輻射當量溫度，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)上列公式可以計算出圍護結構(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，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計算實例下文以武漢地區(qū)為例，對兩種不同類型的屋頂構造的傳熱系數(shù)進行計算，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)值及對應單位面積傳熱量。夏季計算條件：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。用于計算的兩種屋頂構造如圖1、2所示。Rontwithouiins

8、ulationFig.2Roofwithmsuhtjon華材蔭術層上面2種構造各層材料的導熱系數(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行計算分析。常規(guī)方法計算出K后，采用綜合溫度法計算單位面積傳熱量，室外綜合溫度tzs=te+pIH/ae。計算結果如表1所示。其中q1是用有效傳熱系數(shù)計算的單位面積傳熱量，q2是用傳熱系數(shù)計算的單位面積傳熱量，分別按式(7)和式(8)計算。q產(chǎn)懇肘笆仁I表1計算結果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計算結果表明，對于無保溫構造屋面，q1比q2小7.23;對于保溫構造屋面，q1比q2小1.99。相同的計算條件下，采用有效傳熱系數(shù)計算出的單位面積傳熱量比采用傳熱系數(shù)計算出的值小24%左右，主要原因是計算有效傳熱系數(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結語反射隔熱型涂料對太陽光具有高反射、低吸收的特點，能將太陽輻射得熱的絕大部分反射出去，能有效降低圍護結構的傳熱系數(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