城市化进程使得原来覆盖在土地上的植被面积逐步变小,人类活动加剧了都市温度升高,使得夏季用电高峰值不断提高。用电量升高会导致火力发电过程中温室气体排放量增加,而温室气体增加又会加剧环境升温的进一步恶化。
所以在不断的城市化进程中,如何进行建筑节能,建造可持续性的绿色建筑成为我们不可回避的课题中国化工网okmart.com。可持续性的建筑不但指在建造过程中成本投入少,对环境造成负担小,更是指在建筑整个使用寿命周期内,包括日常维护,运营等过程中的成本投入和对环境的负担[1]。
在整个建筑结构中,屋面直接接收阳光辐射,对建筑在使用周期内的节能影响很大。图1 是太阳光照射到建筑物的屋顶时,被屋面反射的能量和通过屋面进入屋内能量的示意图。为了减少进入屋内的太阳能量,我们需要通过某种方式把阳光能量挡在房子外面[2]。
为了减少城市热岛效应,降低夏季室内制冷成本,一般有两种屋面解决方案可以考虑,一种是在屋面上种植植被,通过植被遮蔽直接太阳辐射及通过植物生长过程中的水气蒸发循环带走屋面的热量,然而不是所有的屋面都合适种植植被,同时植被种植对屋面提出的相关要求也比较高[2]。
另外一种方式是采用冷屋面解决方案,通过屋面反射太阳光内的大部分能量,减少进入屋内的热量。冷屋面的作用可以通过具有冷屋顶效果的涂料来完成。然而,一般的冷屋顶涂料的耐久性不够长,不能与整个建筑的使用寿命相比较,造成了建筑在使用过程中需要反复涂刷冷屋顶涂料达到冷屋顶的效果。
而频繁施工造成了成本不断投入,也不断加重了环境负担。本文首先介绍了美国国家实验室对冷屋顶研究的几个基本概念参数。然后重点讨论了耐久性冷屋顶涂料对可持续性建筑的重要性和解决方案。
1 关于冷屋顶有以下几个基本概念
美国国家实验室发现积聚在太阳辐射下的建筑物表面上的热量有多少,主要取决于屋面的两个物理性能:阳光反射率和热辐射系数。
1.1 阳光反射率TSR(Total SolarReflectance):
阳光反射率SR(Solar Reflectance) 是指日光被表面反射掉的比率。一般采用光谱光度测量设备进行测试,用累计圆球光度仪测试日光中各种波长的反射情况。一般情况采用标准日光光谱进行测试。测试方法采用ASTM E903 和E892。有时人们会只测量日光中可见光部分( 波长400~700 纳米) 的反射情况。目前,SR 普遍的计算方法是指日光中所有部分( 紫外,可见光,近红外,远红外) 的日光反射率,一般称为总日光反射率TSR(Total Solar Reflectance)。可见光反射率会比TSR 的数值偏低[3]。太阳反射率的一种普遍计算方法是指所有的日光反射率, 或称TSR(Total SolarReflectance)。笼统地讲,TSR 是指日光被涂层反射掉的比率。TSR 决定了太阳光谱里蕴含的能量,包括储存了一半太阳辐射能的近红外区域的能量。通常,TSR 越高,越有利于凉爽屋顶的生成。
1.2 热辐射系数E
热辐射是用来测量物体以长波辐射的形式散发热量的能力,通常用0~1 之间的小数表示。辐射的波长通常是指5~40 微米的波长,很多建筑材料(如玻璃)对这个波长的能量是不透过的,热辐射系数E 为0.9。但是也有一些材料,如失去光泽的镀锌铝板的E 值很低,另外含有铝粉涂料的E 值一般为中等(0.5~0.7)。热辐射是衡量一个热物体辐射热的能力。一般可以通过工程手册查出某种材料的E 值[3]。
1.3 最大屋面温度升高值
通过以上的两个参数TSR(阳光全反射)和热辐射系数E 可以大致推算出阳光辐照下屋面温度的升高情况,但具体的情况比较复杂,牵涉的参数很多。美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)在固定几个假设前提下,采用一个相对简单的方程式来预测屋面升温的极值[3]。较低的屋面温度峰值对热应力的影响较小,而且有利于延 长屋面的使用寿命。事实上,推测得出的是屋面温度最大升高值,根据空气的最高温度就可以大致得到屋面的最高温度。
假设条件
1)屋面的最高温度主要由外部热转化引起;
2)屋面没有热量储存;
3)阳光的辐射通量Io = 1kW/M2;
4)天空温度比环境空气温度低10℃
5) 红外辐射热传导系数hr=(6.1W/(M2×oC))×E( 由Stefan-Boltzmann 常数导出该热辐射参数)
6)标准黑色表面(阳光反射率0.05,红外散射0.9)的最高温度升幅为50℃。在低风速,90 度角阳光照射下,在测量很多标准黑色表面的最大温度升高值基础上得到50℃这个经验值。这个值在实际情况中一般会有30% 的不确定性。
7)由上面的假设得出屋面冷却热传递系数
hc=12.4W/( M2×oC)
根据上面的7 个假设条件,通过下面的热传递方程可以推算出屋面最大温度升高值。这是一个比较简便的方程,另外LBNL 也提供了一个复杂一点的方程,这里不作讨论。
(1-R)Io=(hc+hr)ΔTmax+hr(10oC) (1)
在上面的方程中,R 是阳光反射率(一般用TSR 表示),10oC 是天空温度低于环境空气温度的差值。通过代入阳光反射率R 值与红外热散射系数E 值可以推算出屋面最大温度升高值。
1.4 SRI
SRI(Solar Reflectance Index) 是根据屋面温度的上升来表征屋面反射阳光热量的能力。SRI的定义是标准黑色(TSR0.05, 热辐射E0.9)的数值为0,标准白色(TSR0.8, 热辐射E0.9) 的数值为100。测试方法如下,例如:假如在完全日光下标准黑色的温度上升为50oC,标准白色的温度上升为8.1℃,那么就可以根据被测表面的温度升高值推算它的SRI 值。SRI 的计算公式如下[2][3]
SRI=100×(TBlack-Tsurface)/(TBlack-TWhite) (2)
按照 SRI 的定义,SRI 值高的材料适合用来来做冷屋顶材料。然而根据SRI 的定义,有些材料的SRI 值可能是负值,有些材料的SRI 值可能超过100。目前,LEED(Leadership in Energy &Environmental Design Building Rating System,由国绿色建筑委员会监管) 等标准就是按照SRI值对建筑屋顶进行节能评级。
1.5 影响冷屋顶效果的重要因素
从上面的基本概念阐述的过程中,我们可以发现阳光反射率TSR,和热散射系数E 是冷屋面的两个基本决定要素。在一般情况下,热辐射系数E 是固定值,随物质不同而不同,通常金属的热辐射低,而聚合物涂料的热辐射高,包括PVDF 涂层。按照屋面温度的升高的假设公式(1), 假定环境温度为36.85oC(310K), 屋面涂料热辐射E=0.9, 可以得到屋面在不同TSR 值时屋面的SRI值不同,屋面最高温度也不同。我们可以发现TSR 值越高,SRI 值越高,屋面温度越低。
阳光全反射率(TSR)对于屋面在太阳下的温度升高影响很大。通常,TSR 越高,越有利于冷屋顶效果。
2 冷屋顶涂料
考虑到各地的气候条件,各个地方的具体凉爽屋顶标准要求有很大的差别。标准趋向于要求涂层的初始反射值不仅要符合具体标准,并且涂层经过长期使用后仍要保留一定的反射值。
例如低倾斜度的屋顶表面如要通过能源之星(Energystar) 认定,表面涂层的初始总日光反射值必须大于0.65, 并且经过3 年使用后TSR 必须大于0.50。另外的标准, 如LEED(Leadership inEnergy & Environmental Design Building RatingSystem) 以及美国加州第24 条款(CaliforniaTitle24),它们有不同的要求。反射率取决于很多因素,这些因素受涂料配方和施工方法的影响,同时也会受到屋顶涂料耐候性的影响。通常涂料耐候性越好,TSR 的保持率也越好。
涂料中的颜料对TSR 的贡献很大。不同的颜色有不同的TSR 值,一般冷屋顶涂料的颜料要选用阳光反射率高的品种,可以参照不同色彩的冷颜料系列。同时考虑到建筑的可持续性设计,颜料的耐久性要比较好。涂料树脂对于冷屋顶涂料的耐久性影响非常大。
许多用于制定最低户外曝晒涂层标准的数据是由美国Oak Ridge 国家实验室(ORNL)提供的。ORNL 分析测试了几百块样板,这些测试样板使用基于不同树脂及颜料配方的涂料,并暴露于不同的工业测试场地,包括南佛罗里达测试场地。对于聚合物涂料,决定总日光反射值(TSR)的最大因素是面漆。
面漆的颜料和涂层厚度对TSR值有很大影响,然而最近的调查显示底漆和预处理也会影响TSR 值,另外面漆里的树脂也会影响TSR 值。ORNL 的研究发现最早的涂覆Kynar 500®PVDF 涂层的测试样板尽管经过了几十年的佛罗里达曝晒,TSR 保持率仍然高于90%。表2 列出了一些测试结果,这些结果包括了一些初始TSR比较低的面漆涂料[5]。
KYNAR500â PVDF 涂料22 年佛罗里达老化测试前后的TSR 值(45° C 面朝南)
3 传统溶剂型PVDF 耐久性冷屋顶涂料
阿科玛公司的KYNAR 500Ò 树脂在热反射涂层中的使用已有很长的历史。这些涂层体系中的颜料是具有反射太阳能量的冷颜料,并且耐久性很好。经过近45 年的使用实践,这些涂层系统具有很高的TSR 的保持率,能够持续降低进入建筑物内部的外部阳光能量。
图3 Kynar 500® 冷屋顶涂料与聚酯/改性聚酯冷屋顶涂料耐久性对比
上面的图片是相同的冷颜料在不同树脂体系涂料中,经过10 年佛罗里达曝晒后的情况。我们可以很容易看到聚酯或改性聚酯涂层经过长时间的曝晒后,涂层体系逐渐被破坏,最终使得冷屋顶涂层系统的效果下降。然而,Kynar 500o 涂层则可以保持10 年以上的高阳光反射效果。
因此,对于久耐性冷屋顶涂层系统,Kynar 500o 树脂涂料比较合适。然而Kynar 500o 树脂涂层需要工厂高温施工,所以只适合于金属冷屋顶。4 新型水性PVDF 耐久性冷屋顶涂料目前市场上现场施工中用最多的冷屋顶涂料是弹性丙烯酸涂料。我们发现丙烯酸涂料自身有很多局限性,不适合长期使用。
1) 首先弹性丙烯酸涂料的耐沾污性比较差,随着积尘度的增加,涂层的TSR 下降非常严重,极大降低了弹性丙烯酸涂层的“冷屋顶”性能。
2) 其次,弹性丙烯酸涂料的吸水率比较大,屋面水分含量高会使屋面的热散射数值下降,进而影响屋面温度。同时涂层吸水率大也会造成涂层分层,导致屋面涂层系统整体破坏。
3) 弹性丙烯酸涂料长久耐霉菌性能不好,丙烯酸等有机物在阳光水分氧气的作用下可以作为滋生霉菌很好的场所,即使使用了杀菌助剂也无法提供可持续建筑所需要的耐久性。
4) 最重要的原因是,丙烯酸树脂在UV 光,水分,氧气作用下会发生分解,直到涂层粉化。弹性丙烯酸涂料的长期耐久性远不如PVDF涂料。一些研究结果表明初始TSR 值在75% 的白色丙烯酸屋顶涂料,在2~3 年内的TSR 会下降到20~30% [6]。
PVDF 水性乳液技术-Kynar Aquatec® 技术提供了一个环境友好水性的产品平台,保留原有烘烤型PVDF 涂料的优异性能,如优异的颜色光泽保持性,耐沾污性能,耐霉菌生长,耐蚀性等特性,而涂料的配方和施工跟传统的丙烯酸乳胶漆一样简单[7]。
图4 比较了2000 年开始曝晒的水性PVDF涂层(左)和2001 年开始曝晒传统烘烤型PVDF涂层(右)的耐候性比较,由图中,我们可以看出,经过近10 年的佛罗里达曝晒水性PVDF 涂层的耐久性与溶剂型PVDF 的耐久性一致。
由此可见Kynar Aquatec 乳液涂料很适合应用在现场施工或低温烘烤的耐久性屋顶涂料领域。下图5 为不同Kynar Aquatec® 乳液含量的涂料在佛罗里达曝晒8 年后的样板,从图中我们可以看出耐久性丙烯酸涂料在经过8 年佛罗里达曝晒后,基本完全粉化,而Kynar Aquartec® 涂料基本没有什么变化。
图5 八年佛罗里达曝晒不同比例Kynar Aquatec 涂料耐候性
5 米高梅(MGM) 酒店: Kynar Aquatec 耐久性冷屋顶的TSR 实测值
图6 是米高梅酒店采用两种不同颜色的冷屋顶涂料,一种颜色是阳光反射率非常高的白色的Kynar Aquatec® 涂料,初始阳光反射率高达93%,相应的初始SRI 值大约为119,另外一种颜色是陶红色,初始阳光反射率约为75%。米高梅酒店冷屋顶涂料施工一年半以后,现场测量了不同颜色,不同区域的Kynar Aquatec®的TSR 值。与此同时对比了屋面刚完工后的TSR值以及未涂覆Kynar Aquatec® 卷材的TSR 值和涂覆丙烯酸涂料屋面的TSR 值。结果如表2~4 所示。
图6 米高梅酒店屋顶
从表2~4 中可以看出米高梅酒店陶红色的Kynar Aquatec® 涂料18 个月后的TSR 值为73%,远高于没有涂覆Kynar Aquatec® 的单层卷材的TSR 23%。白色Kynar Aquatec® 的18个月后TSR 值在83~91%,远高于白色丙烯酸涂层的TSR 值。
这表明Kynar Aquatec® 涂覆的屋面只有非常少部分的太阳光能量转化成热量进入建筑物内。测量结果也表明Kynar Aquatec® 涂覆的酒店顶层房间在夏季实际空调消耗也更少,室内的温度更加适宜。同时涂层表面的耐沾污性非常好,很少需要人工清洗。按照美国能源部门的Oak Ridge 国家实验室关于冷屋顶节能的测算方法,在相同隔热系数的基材,相同效率空调系统情况下,相对于TSR为23% 卷材屋面,米高梅酒店TSR 值为73%的陶红色Kynar Aquatec® 屋顶每年可节约3200~ 6400 美元/10,000m2 的空调能耗。而白色Kynar Aquatec® 屋顶可以为米高梅酒店每年带来5,000~9800 美元/10,000m2 的能耗节约。
6 总结
阳光反射率TSR 和热辐射系数E 是冷屋顶的两个基本决定因素,在E 值变化不大的情况下,TSR 的改变对屋面的温度上升影响很大,一般我们选用高TSR 值的涂料制作冷屋顶涂料,为了可持续性建筑设计的需要,一般选用耐久性冷屋顶涂料。
传统PVDF 树脂配合高反射的耐久颜料制成的耐久性冷屋顶涂料有很多年的使用历史,具有很高的TSR 保持率。水性PVDF 涂料具有VOC低,涂料耐久性好,非常适合现场施工或低温施工的耐久性冷屋顶涂料,实践证明水性PVDF 涂料TSR 保持率与溶剂型PVDF 涂料相当。
冷屋顶概念与耐久性冷屋顶涂料
郎彦庆1 季生兵2 渠毅2(1 阿科玛公司上海分公司,上海200078;2 PPG 涂料公司,天津300457)