在低碳节能的国家战略牵引下,辐射材料技术作为一项节能材料的新技术,已进入业界视线。
“辐射隔热涂料”及其在建筑围护结构节能应用的巨大潜力正在成为相关行业的热点话题。
在建筑节能领域,辐射材料技术是一项新技术。
对于这项新技术及其材料和应用,在技术原理、技术路径、评价方法、应用规范等各个方面目前仍存在参差不齐、混沌不清的认知和理解。
与此同时,在“流量”和“热搜”的营销手段驱动下,冠以“辐射”名称的产品层出不穷、五花八门,为了规范市场秩序,促进行业发展,中国建筑节能协会低碳涂料专业委员会组织业内专家,以自问自答的形式编写成“十问十答”,供行业参考。
一、辐射隔热涂料是什么?辐射隔热涂料是一类对热辐射电磁波具有较强吸收和自发辐射能力的功能型涂料。
通过对热辐射电磁波的吸收和自发辐射,涂层能够将大量辐射热能阻挡在传热界面(涂层)之外,从而起到“隔热”作用。
二、辐射隔热涂料的类型有哪些?目前来说,这类新型材料还没有形成完整的标准体系,因此尚无明确的产品分类。
但从技术层面来说,不同产品的差异,主要在于对不同波段热辐射的响应能力。
比较典型的有两类,一类是针对典型建筑环境温度范围,在较宽温度和较宽辐射波段范围上,具有“广谱辐射响应能力”的涂料。
在凡能受到热源辐射的环境下,这类涂层无论在室外或者室内,均具有阻止热能通过的节能功能。
另一类则侧重于8-13微米辐射波段的发射能力,同时尽可能减少涂层对太阳光谱在0.38-2.5微米的可见光及近红外波段的吸收(即提高涂层反射比),从而得到降低涂层温度和制冷能耗的节能效果。
三、辐射隔热涂料机理是什么?如我们所知,任何物体在绝对零度(-273.15℃)以上都会产生辐射。
通常,普通材料的辐射能力较弱,对传热过程的影响或贡献非常有限。
而对辐射隔热涂料来说,其目的就是通过选用一些辐射能力较强的材料,显著提高涂层对传热过程的影响和贡献。
辐射隔热涂料通常会选用一些分子结构中具有特殊电子层分布或晶体结构具有特殊化学物理特征的材料,制成涂料。
在受到热辐射时,这些功能性材料,对电磁波有较强的吸收能力,通过分子内部(量子态)运动所产生的自发辐射把吸收的大部分能量释放到外部空间,从而产生“阻止”辐射热能通过涂层的效果。
四、辐射隔热涂料技术特征有哪些?辐射隔热涂料技术最基本的特征,涂料组份中含有具有较强辐射能力的功能材料。
通常,一些最外层有未配对电子、辐射性能活跃的金属化合物在不同的辐射波段具有十分显著的吸收峰,一些带有的特定化学键的化合物在特定辐射波段也具有较强的吸收峰,常常是被辐射涂料选用的组份。
对于单一材料来说,其辐射能力是随辐射波长和温度的变化而改变的。
在一个典型的建筑环境温度范围(例如-30℃至80℃),涂层的辐射响应能力需要覆盖一个较广的辐射波段,要使涂层材料能在一个较宽的温度范围对较广的辐射波长具备较好的响应能力。
因此,一些辐射涂料的材料设计,会选用多种辐射功能材料进行组合。
五、如何正确识别辐射隔热涂料与反射隔热涂料?反射隔热涂料的特征是在可见光和部分近红外波段具有较好的反射能力。
按照典型的能量守恒计算“反射率=1-吸收率-透过率”,吸收率越大,反射率越小,反射隔热功能也就越弱。
然而,仅凭反射率所产生的实际隔热效果,受限于辐射波段、辐照强度(包括阴天无阳光照射条件)和涂层明度三个主要因素,实际有效时间窗口一般十分有限。
对于辐射涂料来说,辐射吸收能力与其发射能力成正比(基尔霍夫定律),吸收能力越大,辐射发射能力则越强,阻热/隔热效果越好。
在材料设计阶段,如上所述采用多种辐射功能材料的组合,辐射功能可覆盖到较为宽幅的辐射波段,发挥“全天候”的隔热作用。
六、辐射隔热涂料有哪些测试方法?辐射隔热涂料的测试方法,应分为“辐射”和“隔热”两个方面。
前者反映辐射涂料的材性特征,后者反映因材性特征而产生的热工特征。
针对涂料的辐射特征,目前主要有两种测试方法,1)采用带积分球的傅里叶红外光谱仪测量材料的发射率;2)辐射温差对比测试法测量材料的辐射特征。
采用傅里叶红外光谱仪可以测量材料在指定波段的吸收率。
根据基尔霍夫热辐射定律和黑体在大气窗口范围内的光谱辐射能量分布,通过加权平均的方法计算出材料在该波段的发射率。
在通常条件下,受到仪器本身的限制,测试只能在一个给定的温度下进行,由此而测得的发射率只能是在给定温度下的发射率,而不能准确获得辐射涂层在一个温度范围内的发射率。
对由多种辐射材料组合而成的涂层,这类测试方法存在较大的局限性。
辐射温差对比测试法,也是正在编制中的“建筑辐射隔热节能涂料应用技术规程”采用检测方法,通过在18-100℃的温变过程,采集辐射涂层与标准涂层对辐射热源吸收能力而产生的温度差,测量涂层材料的辐射特征。
对定性判别辐射涂层与普通涂层的差异,具有检测快速、成本较低和判断准确的优点。
然而,通过上述两种方法测得的材料辐射性能,虽然对于评估材料性质、甄别不同性质的材料类别至关重要,但并不能提供量化的“隔热”数值。
因此需要经过建筑热工的测量或者计算手段,才能确实地转化为符合工程应用设计要求的“隔热”和节能的参数和量化指标。
在这方面遇到的很大问题是,我国建筑墙面节能材料的应用和规范,长期以来一直依循服从牛顿热力学的传导阻隔路线,并由此形成了全面完善的技术规范、测量方法和应用标准。
然而,对于服从量子辐射原理的辐射隔热涂料类材料来说,现存的所有标准测试方法从原理到实践完全不适用。
这是因为传导阻隔和辐射阻隔各自的底层逻辑依循不同的物理学规律。
因此,辐射隔热涂料及其应用是从材料、标准和应用各个环节的创新开发过程。
为了解决这个问题,由中国建筑节能协会立项《建筑辐射隔热节能涂料应用技术规程》的编制,由住建部科技和产业化发展中心和中国建筑节能协会低碳涂料专委会牵头,二十多家科研机构和企业参与的编制工作自2023年启动,并计划两年内完成。
此规程将从根本上推动辐射隔热涂料的应用。
七、什么类型的建筑或区域适宜采用辐射隔热涂料?辐射隔热涂料首先是涂料,用于建筑的辐射隔热涂料可以满足建筑涂料的基本性能要求。
因此它的应用对建筑类型并没有特别要求。
对于全年能耗以制冷能耗为主的地区,如夏热冬暖和温和地区,采用辐射隔热涂料作为墙面节能材料是十分适宜的。
在不同的热工区域,如何采用传导阻隔与辐射阻隔组合的方式进一步优化节能效果,尚有很大的拓展空间。
其中特别值得研究的是,以上提及的“广谱辐射响应”类涂层,在冬季供暖地区用于内墙,对于阻止和减少室内热量向外传导,同样存在很大的研究和拓展空间。
八、建筑中采用辐射隔热涂料有哪些标准可以参考?如前文所述,辐射隔热涂料的应用需要有反映材性特征和热工特征两方面的标准规范做支撑。
目前,《建筑辐射隔热节能涂料应用技术规程》,由住建部科技和产业化发展中心和低碳涂料专委会牵头,二十多家科研机构和企业参与的编制工作自2023年启动,并计划两年内完成。
这个项目的完成将为推动辐射隔热涂料在建筑行业的应用,进一步提高建筑节能的水平,发挥很好的作用。
九、辐射隔热涂料应用现状如何?据从低碳涂料专委会了解的情况,目前至少有十余家企业进行应用推广,其中包括建筑涂料企业,也包括新兴科技创投企业。
在各地管理部门对技术创新的大力扶持和鼓励下,近年来各地累计推广应用的项目已达百万平米。
十、为什么推广辐射隔热涂料?长期以来,建筑围护结构节能的墙面节能材料一直采用的是传导阻隔的技术路线。
虽然相关材料的品类繁多,但基本技术原理都是一样的,降低材料的导热系数和增加材料的上墙厚度是提高节能效率的唯二手段。
然而,节能目标的进一步提高(75%)和“双碳”国家战略的驱动,墙面节能材料正面临两项新的挑战。
其一,制冷空调的大规模普及,对全年以制冷能耗为主的地区,导热系数和材料厚度的传统技术策略并非对提高节能效率产生正向贡献。
其二,降低材料的导热系数逐渐步入材料技术的瓶颈,不断增加材料应用厚度不仅大幅增加安全风险,也同时面临“厚度/节能效率”的增益瓶颈。
因此,引入新的材料技术,通过不同技术和材料的组合,细化不同热工区域的材料策略,是应对新环境、实施新战略、实现新目标的创新选择。
中国建筑节能协会低碳涂料专业委员会是中国建筑节能协会下属的专业分支结构,是协会在“双碳”战略指引下,引领和推广低碳涂料创新技术应用的专业平台。
依托中国建筑节能协会的丰富资源和住建部科技与产业化发展中心的大力支持,借助中国建筑科学研究院等国家级科研机构的科技实力,联合西华大学、四川大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等高校科研资源,低碳涂料专委会以组织建立技术标准、技术规范和应用推广为抓手,为低碳涂料创新技术进入市场应用“引路、开门、搭桥”,为建筑低碳节能添砖加瓦。