隔熱塗料原理及其節能評估

薄薄一層,大有學問——隔熱塗料原理及其節能評估

撰文:張育誠、吳國光、林琨程

近年來,國內正在悄然掀起一股研發新型隔熱保溫塗料的熱潮,不少企業及研發人員紛紛研製出各具創新特色的太陽熱反射隔熱塗料、隔熱防曬塗料、水性反射隔熱塗料、陶瓷絕熱塗料等。新型的保溫隔熱塗料可完全代替傳統保溫層的方式,而具有綜合塗料及保溫材料的雙重特性,除了隔熱保溫特性,材料改良也可以使塗層兼具良好的耐候性、耐磨性、防水性、自潔性。以下本文將介紹隔熱塗料原理及國內主要有關隔熱塗料之節能評估指標。

隔熱塗料特性

隔熱主要做為阻止熱量經由傳導(Conduction)、對流(Convection)或輻射(Radiation)等3種方式,或其他組合抑制熱傳遞者。熱傳遞在流體中是藉由粒子的碰撞;在固體中則由聲子傳遞所達成,或者可將其視為晶體藉由熱能引發彈性波來達成。因此,增加固體中複合相的比例及孔洞,可增加熱能散射及折射的機率,亦即降低熱能在固體中傳遞的能量與速率。

在一般對隔熱塗層的設計中,中間層主要是產生一微細的蜂巢狀組織以增加熱能的散射、折射與消散,表面層則施以淺色、光亮的面漆以增加光輻射熱的反射,其主要隔熱概念,包含:熱傳導、輻射、對流。

隔熱塗料主要應用於建材表面之塗層,其不透明部分對外殼建材之節能特性,主要是其與壁面之熱傳透率(Average Thermal Transmittance, U值)因之改變;即是與隔熱能力有關。但是它也承受來自日射的吸熱影響,因此,增加隔熱性能與降低日射吸熱因子是其節能之道,並應配合合理的遮陽設施及良好的通風計畫,以減輕外牆的受熱量。所以良好的隔熱塗層設計便可有效阻隔太陽的輻射能,降低建築物本體溫度,使得冷氣的負載降低,同時減少熱氣的排放,達到節能與改善空氣品質。

而輻射熱依序分別為:近紅外光、可見光、紫外光;進入大氣層經過臭氧過濾的地面陽光,它的組成包括:紫外線(波長100nm~400nm)占9%、紅外線(波長700nm~2,400nm)51%、可見光(波長380nm~770nm)40%,其中大部分的熱源是來自於紅外線。除此之外,紫外線是造成皮膚病變的主因。因此,如能減少近紅線及紫外線進入屋內,便能降低空調之需求及避免陽光所造成的皮膚病變。

一般而言,熱量的傳遞皆是由高溫側向低溫側移動,而每一種物質都具有不同的熱傳導的能力,其傳熱能力是以熱傳導(Thermal Conductivity)係數來表示,定義為熱流與溫度梯度之比值,當物質的熱傳導係數(k)愈小,則隔熱效果愈好。但是,目前為止在隔熱塗料方面,並未制定有效衡量隔熱塗料效果之標準,主要隔熱塗料制定準標之相關因子過多,其中包含:塗料性狀、施工方式、使用環境、儲存安定性、塗膜行程機能、物化抗性與成分檢驗等,無法確切掌握,因此,相關塗料製造商家於塗料製品之基本物性標示上,皆根據實際施工塗布後之實驗數據,來表示其製品之隔熱特性。以目前而言,有部分廠家參考日本工業標準「JIS A 5759」規定建築玻璃窗用貼膜標準,進行測量製品日光反射率,做為製品性能指標,但此種量測標準並無法有效表示隔熱塗料之特性,目前也僅做為測量之參考用。

隔熱塗料組成分析

隔熱塗料為一種新型特種塗料,在室溫下高溫防護塗料,廣泛用於航空飛行、核能發電廠、石油化工、建築、冷藏物流車或鍋爐、高溫爐等領域的新材料,具良好耐高溫、隔熱性能、抗沖刷性、阻燃、防火性能、防腐與良好機械性能,隔熱防護塗層薄,具有常溫固化、乾燥時間短等特性。

隔熱塗料主要成分為:樹脂、硬化劑、稀釋劑、隔熱填料。就樹脂而言,目前市場皆以合成樹脂為主(分子量高於1,000之高分子材料)。此外,無機塗料可廣泛應用於高溫元件之保護功效,例如:飛機外表之隔熱塗料、金屬元件之熱處理保護塗料、木材表面防火塗料、高溫電絕緣塗料等。其中最具代表性為矽酸鹽高溫無機塗料,可耐溫900~1,100℃,塗層不碳化、不龜裂。

除了上述隔熱塗料方法之外,還可以利用添加陶瓷微球、黏結劑、添料、紅外反射穩定劑與紅外反射添加劑,使材料處於近似於真空狀態,內部含有數多之發射界面與散射微粒,可具有很高的反射、散射輻射熱的隔熱效果。其中,影響材料導熱係數的因素很多,主要可分為6大部分:材料形狀、含水率、視密度與孔隙特徵、溫度、濕度及熱流方向等6項因素影響,來決定隔熱材料熱傳導的性質良窳。

隔熱塗料現有之節能指標評估方式

隔熱塗料主要應用範圍相當廣泛,其中,又以建築外牆隔熱為最大宗,因此,許多隔熱塗料之評估或計算方式,大部分是以塗布於建築物上為主。以現階段而言,建築表面之評估機制,依據國內的規定主要以建築體表面構造及材料為評估方式,包含:表面之實牆部分、門、窗、開口等部位,其中門、窗、開口的節能係由管制遮陽之等價開窗率(Ratio of Equivalent Transparency, Req)為評估指標;代表建築物總表面中,等價開窗面積所占的比率,而建築表面實牆部位係由熱傳透率U值評估之。

我國建築節能法規,主要以目前國內公布之「建築節能設計技術規範」為主,可分為:住宿類、旅館類、辦公類、百貨商場類、醫院類、其他類等6種規範,其中,又針對節能指標進行分類,可歸納為:空調型建築、住宿類建築、其他類建築等3類型。

國內的建築節能,主要仍依據氣候特性,台灣屬於遮陽與隔熱並重,因此,國內對於住宿類建築,以考量遮陽效果之開窗率與外牆隔熱之平均熱傳透率U值,做為節能評估指標,是可以反應節能上之需要。

結語

隔熱塗料經過長期發展之下,目前各方專家與業者皆不斷的創新研發,致力於隔熱塗料(節能塗料)性能上的突破,但在節能及環保要求日益嚴格下,法規及塗料新技術規格需更加仔細與嚴謹,才能使國內隔熱塗料之技術發展逐日精進,不但可有助於能源節約,更可提供更美好的生活品質。(作者任職於工研院能環所工業節能技術組熱能應用與能源分析研究室)


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