现在在南方地区比较热的反射隔热涂料---邱童

   各位来宾大家下午好，我来自上海市建筑科学研究院，今天我汇报的主题是现在在南方地区比较热的反射隔热涂料，在夏热冬冷地区建筑节能中应用问题。对于我们南方地区而言，尤其是我们夏热冬冷地区，既有冬天保温的问题，也有夏天隔热的问题。保温和隔热其实有很大的差别。我先简单讲一下我们夏热冬冷地区，夏季隔热和冬季保温的差别。

    打个比方，我们在冬季的时候，室内采暖要控制在18度到20度，但是室外可能到0度或者零下五度，室内外有二十多度的温差。在这个情况下，降低墙体或者窗户的传热系数，提高它的保温效果，能起到非常好的节能效果。夏季室外三十二三度，室内打空调控制在26到28度，这样室内外有三到五度的温差，通过墙体的提高热阻的效果，可能在夏季不一定有特别好的作用。也有一些切身的体会，尤其在夏季，我们的西墙，在太阳辐射的情况下，西墙表面的温度高达六七十摄氏度，在夏季隔热的作用可能大于保温。我们也近几年把隔热的研究作为我们夏热冬暖地区作为外墙重要的研究方向。

    我把近两年的研究成果给大家做一个方向，我的汇报是五个方面。第一研究背景，第二隔热涂料在国内外发展现状，第三隔热涂料的测试方法，第四也是比较重要的，现在争议比较大，隔热涂料实际的节能效果到底怎么样，第五我介绍我们上海做的工程，以及后面的测试效果。

    首先研究背景，我们夏热冬冷地区提出来的防热地区，我们夏热冬冷地区，之前的技术路线当中，过度的考虑了冬季保温的要求，忽略了夏季防热的要求。直接导致的结果是这样的，我们可以看一下这两张图，左边我们可以看到节能50%和节能65%，我们的节能设计标准当中规定的，计算的能耗的指标值。节能50%上海地区要达到每平米55.1度电以下。我们通过大量的实际调研下来，居民实际的状况，平均每年采暖和空调用电量在11度电。

    这个差距主要的原因是计算的时候以26摄氏度以上，就开空调，冬季18度以下进行采暖，连续进行采暖，计算出来的能耗特别大。还有一个问题，这个是绝对值之间的差异，还有相对比例之间的差距。我们传统的节能设计的技术路线当中，冬季的能耗占的比较大的比重，超过50%以上。而我们实际的用能当中，通过一万多户的实际能耗调研下来，实际能耗当中夏季空调能耗占20%，冬季采暖占14%。

    我们的理论计算当中以冬季为主，夏季为辅，就造成技术路线上的差异。我们再看一看外墙外保温这个系统，在夏热冬冷地区的使用带来很多的问题。

    首先今天讨论比较多的防火问题，还有质量安全方面的问题。这里面都涉及到，夏热冬冷地区有一个比较大的特点，就是高温高湿，高温高湿气候对于外墙保温来说，对耐久性来说有一个更大的考验。针对上述的背景而言，我们觉得隔热涂料解决夏季隔热问题的方面会有比较大的贡献。而且它是一种比较安全，环保的技术，不会带来其他的安全隐患。如果能跟我们的保温相结合，形成一套夏季隔热，冬季保温这样一套隔热体系，更适合我们夏热冬冷的气候特点。

    隔热涂料我简单介绍一下，隔热涂料一般有三种类型。第一个是阻隔性的隔热涂料，降低导热系数来达到隔热涂料。这一类隔热涂料用的比较少。第二是热反射隔热涂料，通过反射太阳光当中的近红外线达到隔热降温的效果。第三是辐射隔热涂料。我们现在实际市场上使用的隔热涂料，大多数以反射和辐射两种功能组合的隔热涂料。

    这个是一个太阳光的光谱图，我们也知道太阳光当中5%的能量是紫外线，50%的能量是近红外线。同时提高一个在长波波段的对天空和大气的红外辐射达到一个辐射降温的效果，通过反射和辐射综合作用达到一个降温的效果。在美国和日本应用的非常广泛，首先是航天和军事领域，从军事领域过渡到化工领域，用在石油储罐，后来到建筑领域。从建筑的屋面到外墙。

    我们看一下隔热涂料用的最多的是美国，他们一个研究状况，首先从1963年开始美国NASA开发了第一款卫星热控涂层。美国大规模推广热反射屋面的这样一个技术，到2008年的时候，美国制订外墙及屋面隔热涂料的标准，之前大概90年代的时候，美国隔热涂料都是以白色为主，到了2008年之后它的标准开始过渡到彩色隔热涂料。从美国的发展，我们也可以看到隔热涂料的发展从军用一直过渡到民用，从屋面过渡到外墙，从白色过渡到彩色。

    我们看一下国内的发展情况。国内从七八十年代开始，我们在卫星的热控图层开发一系列的材料，1993年开始颁布了第一个热反射隔热涂料规范。2000年之后开始逐渐实现民用化，2007年开始颁布了第一本隔热涂料的行业标准，2008年第二本行业标准开始颁布。2010年发布《建筑用反射隔热涂料》。我们的隔热涂料跟美国差不多，从军事到民用化，从屋面到外墙都有应用。我们隔热涂料指标都是以80%的反射率为主要指标，只能是白色的隔热涂料达到这样的效果。实际工程应用当中，不可能所有屋面和外墙是都是白色，这是限制我们主要的一个瓶颈之一。

    我们的行业标准还有正在编制的隔热涂料技术规程行业标准工程当中，都把彩色列为隔热涂料之中。大家也都听过，美国能源部长一直在鼓吹白色屋顶计划，全球大范围把屋顶变白，大部分会被反射回外层空间。这是一个简单且我们可以马上办的到的办法，计划如在热带与温带100座大城市推行，其效用等于全球停用汽车10年。

    对比一下，这是上海的一个卫星图片，这是美国洛杉矶的卫星图片，整个城市的表面的反射率差异非常大。我们可以感觉到整个城市的温度都会有所差别，美国甚至把整个城市的温度进行一个模拟分析。美国有非常详细的测试标准，包括各个光谱的反射、发射等等，还有它的一个隔热效果有非常多的测试方法。

    我们国内，也有非常多的测试标准。主要就是之前的一些卫星热控涂层测试标准，还有行业的检测标准。我们隔热涂料刚才提到的两个最主要的指标，第一太阳光的反射比，第二是半球发射率。这两个指标通过这两个设备进行检测，第一个是紫外/可见/红外分光光度计。测试方法上面，右边这张图，下面这条曲线普通涂料太阳光谱的反射率效果，上面这条曲线同样颜色一个隔热涂料太阳光反射率的效果。可以看到隔热涂料主要的作用，就是近红外线的部分，把反射率大大提高。可见光部分，反射率几乎一致，它的颜色外观看上去基本上一样的。

    美国经过大量的研究，把这个反射比定位两个等级。第一个就是反射比65%以上就是浅色的，可以达到浅色隔热涂料的指标。反射比40%以上，就是深色这样一个指标。这个是我们做的一些测试，不同颜色的包括黄色，这是灰色的，还有棕色、蓝色等等不同类型，不同颜色隔热涂料反射率的曲线。刚才提到的就是我们隔热涂料一个反射，一个发射的作用。实际上通过反射和发射，可以通过一个简单的稳态平衡热量平衡方程可以计算，我们通过不同反射率，不同的发射率可以达到表面温度降温多少度这样一个效果，这是一个热平衡方程。通过这个方程可以简单的计算，这是一个算例，我们以一个简单的算例来看，水平屋面的情况下，如果以0.05的太阳反射比，相当于黑色沥青的屋面，上海夏季最高温度可以达到80.4摄氏度。白色隔热涂料它的温度是44.6摄氏度，接近有40度的一个温差，屋面的外表面。如果有不同颜色或者不同反射率的材料都可以进行计算，外墙屋面表面都多少降温效果，都可以通过这个方程计算。这是我们计算全国的，不同市的隔热涂料应用的降温的效果。

    这是美国广泛采用热反射指数，我们知道隔热涂料有两个，一个是太阳光的反射率，还有一个半球的发射率，哪个作用更大，到底反射率高的作用大还是发射率高的作用大，美国用一个温度，跟刚才热平衡方程类似的，它可以计算一个表面温度，通过标准白色的涂层表面温度，黑色涂层表面温度对比，把你的不同反射率和发射率的率放在其中，可以得到一个标准分，这样评价隔热涂料的效果。

    我下面讲一下隔热涂料节能效果的分析。我们知道建筑节能尤其针对大量的居住建筑而言，建筑节能的效果分析一般有两种方法。第一个是规定性指标法，这个都是在我们建筑节能设计标准当中，都把它列出来的。首先规定性指标法，我们的传热系数，夏热冬冷地区，外墙的传热系数达到1.5以下或者1.2以下，北方可能1.0以下或者0.5以下。这样一个传热系数的指标，作为规定性指标法。包括外窗也一样，外窗的遮阳系数，屋面的传热系数。

    第二个判决方法，综合判断法。我们通过这两类方法分析一下它的节能效果，首先规定性指标法里面，我们把隔热涂料隔热效果，把它等价到传热系数的改变上面。可以把传热系数相当于附加一个修正系数，相当于附加一个等效热阻在外墙上面。对于综合判定法，通过能耗模拟计算，建立模型计算不同的反射率对于建筑能耗的影响。

    我们的能耗计算法分为两种模式，刚才也提到我们现有的节能设计标准当中，规定我们的用能方式。夏季26度以上开空调，冬季18度以下进行采暖连续用能模式进行一个计算。通过我们进行大量的实际调研，采用一种实际的，我们大多数居民普遍采用的实际用能模式，28度以上的时候才会开空调，冬季在15度以下的时候会进行采暖，这样一个实际用的模式，两种计算方法进行一个分析。

    首先我们看一下传热系数的修正系数，通过采用综合温度法进行计算。这个方法主要在我们的2010版的建筑隔热涂料国家标准当中，把它列出来。这个方法还在不断的完善当中，因为我们最近也在一起参与了编制隔热涂料行业技术规程，整个外墙传热系数修正系数的方法还在完善当中。我们也简单计算一下上海地区不同反射比的隔热涂料的，通过传热系数修正系数可以计算出等效热阻。比如说大于0.8，白色隔热涂料等效热阻在0.21左右，如果是彩色隔热涂料，大于0.6，等效热阻在0.12到0.16之间。这是什么概念呢？差不多相当于两公分无机保温砂浆。如果做保温砂浆，在上海一般情况下，在5公分左右，外侧4公分，内侧做1-2公分左右。如果用了隔热涂料，相当于可以减少两公分的无机保温砂浆。

    这是一个热度性的修正。因为隔热涂料大大的降低了外表面的温度波动，这样直接导致的结果，内墙内表面的温度播幅大大减缓。这部分的作用可能在传热系数上没法体现，因为它一个波动的过程，用热度性指标来体现。热度性指标越大相当于，比如说我们一线一些重制热度性比较大，重制材料的房子里面的舒适度非常高，这主要是一个热度性的作用。

    我们把隔热涂料也建立了各种各样的模型，软件模型计算隔热涂料对建筑能耗的影响。首先这是一个六层的居住建筑，多层的居住建筑。我们采用的是现有的节能设计标准的模式进行计算。这个建筑外墙随着反射率，反射率从7%一直上升到80%，90%，外墙对整个建筑的节能贡献，最高可以达到12.9%，这是夏季。综合冬季因为它在冬季有一定不利作用，全年综合节能效率在4.2%左右。

    这个图也可以看到，随着反射率提高，夏季能耗降低，冬季能耗上升。刚才我也提到，我们标准采用夏热冬冷地区的节能设计标准，这种标准模式计算的时候有一个比较大的问题，这个计算下来的冬季能耗是比较大的。跟我们实际偏差比较大，因为我们实际情况下，夏季的能耗大概占三分之二，冬季能耗的占三分之一，夏季明显大于冬季，我们计算的时候是冬季大于夏季，计算的结果有一定的偏差。因此我们建立了一个，通过大量的调研，建立了一个实际应用的模式的模型。

    因为我们通过大量的入户调研，尤其是上海地区，我们夏季客厅和卧室，在28度以上的时候，高于28度的时候，可能会开启空调，冬季的话，在15度以下会开启工调，而不是我们实际标准当中规定的26度和18度。我们按照这种实际的比较接近实际的模式进行一个计算，又可以得到另外一个结果。这个可以看到随着外墙反射率的提高，反射率从0.2增加到0.8的情况下，整个建筑综合了冬夏全年的总负荷下降率。当吸收系数由0.8降到0.2，建筑的顶层房间全年单位面积累计总负荷降低17%。

    我们再看一下我们保温对能耗的影响，外墙传热系数2.0降到1.2，全年累计的总负荷下降8%。对于屋面传热系数由1.0降到0.4，总负荷下降率12%，通过这种计算方式，降低传热系数对于我们这种实际用能模式下的降低率，可能还没有反射率提高达到的效果更大。或者说基本上相当，主要问题在于传热系数下降的情况，我们夏季能耗不一定有一个线性的下降，反而会略有一定的上升。这个是在很多计算当中都发现的一个问题。

    后面我再简单介绍一下，我们在上海做的两个工程案例，首先一个，大概是在2008年的时候做的，上海一个科技馆的屋顶，我们当时也想做一个白色屋顶，把它全部刷白，但是刷白了以后，可能在一周之内就收到很多投诉。上海一个中心城区，旁边有非常多的高层建筑，居民都在投诉，光污染特别严重。因此我们就采用了一个亚光性的彩色隔热涂料。在外表面重新又刷了一遍，这个图之前和图之后的反射率的差别，我们可以看到，隔热涂料反射率可以达到，我们这个隔热涂料的反射率比原有基础上的反射率高了两倍以上。

    我们在八九月份的时候也做了一个跟踪测试，这个图可以看到，上面这两个曲线表示的是外表面的温度，我们可以看到外表面的温度最大的差值在15度左右。这个隔热涂料使我们的外表面，建筑外表面，屋面的外表面在白天日光最强的情况下，温度降低了15度。在内表面的话，降低了大概一到两度，这是自然状况下。因为这个屋面，它已经做了五公分厚的聚氨酯，因为下面还有一些老的珍珠岩保温材料，因为是做过翻修改造的，本身屋面非常的厚，传热系数很低的情况下，在夏季的时候还有一定的节能效果。室内温度降低0.5-1度左右。

    我们再看另外一个案例，这个是我们在崇明岛做的一个民居改造，我们都对同样类型的民居分别用普通涂料和隔热涂料进行涂刷，这是涂刷后的热功图片。我们可以看到隔热涂料的效果，这个涂刷的隔热涂料，颜色比较深，隔热涂料的反射比在53%，普通涂料的反射比在30%。我们也做了长期的连续的跟踪实验，跟踪实验的结果也可以看到，外墙外表面的温度大概降低13度，内表面温度最大降幅为2.8度。这个图片我们也可以看到，典型的在夏季情况下，白天的时候室外温度比较高，热量从室外往室内流。隔热涂料大大的削减了热流的波动，我们可以看到普通涂料的热流波动非常剧烈，隔热涂料的热流波动还是比较平稳的，这样的话大大降低了热流量的波动。

    我做一个小结，隔热涂料其实在国内外都已经广泛的应用于建筑节能，事实证明效果确实是一个有效的节能手段。它其中还有很多的问题，包括耐久性的问题，包括它随着时间，逐渐老化以后，它是否还能达到这样一个隔热效果的问题。我们也都在进行和其他的研究院一起在携手做大量的科研工作。在我国，隔热涂料的应用一直有几个瓶颈，首先第一个瓶颈就是我们的节能设计标准，我们的节能设计标准当中，都是以传热系数为主的这样一个节能设计的体系。我们隔热涂料都是通过传热系数修正系数来设计这样一个标准体系，我们隔热涂料的设计方法，定在8%的反射率。我们建筑上很难使用白色的隔热涂料，这是制约我们隔热涂料发展的两个瓶颈。

    我们近期隔热涂料二三五行业标准也都在修编，还有一个正在编制的隔热涂料行业应用技术规程也在制定当中，这两个都把彩色隔热涂料体现在其中，而且把等效热阻这样一个设计体现在其中。相信在不久的将来随着标准体系的突破，这个隔热涂料会打开它的一个瓶颈。夏热冬冷地区，夏热冬暖地区隔热涂料的设计都应该把它纳入其中。我们上海地区有一个保障性住房技术节能解决方案，这个解决方案当中我们也把隔热涂料和适度的外墙保温相组合的，达到夏季隔热，冬季保温的解决方案写入方案当中，上海也在积极推广这方面的应用相信不久的将来，隔热涂料应该会成为我们夏热冬冷地区一个比较主要的建筑节能的解决方案，我的汇报就这些，谢谢大家。