Nagrzewaniu się dachu najprościej zapobiec można, pokrywając go jasnym materiałem. Ponieważ jednak rozwiązanie to nie spełnia wymogów estetycznych, na scenę wkroczyły barwniki, które pozwalają utrzymać niską temperaturę materiału, zapewniając zarazem pożądany kolor.
fot. N-Media-Images (fotolia.com)
Jak to działa?
Padające na powierzchnię promieniowanie słoneczne może albo zostać na niej odbite, albo przez nią zaabsorbowane, a następnie wyemitowane w postaci ciepła (co pociąga za sobą znaczny wzrost temperatury). Od rodzaju materiału zależy, w jakim stopniu ulegnie ono odbiciu, a w jakim absorpcji, wbrew pozorom jednak silnie odbijające i nie nagrzewające się mogą być nie tylko powierzchnie jasne. Dlaczego? Ponieważ promieniowanie widzialne stanowi jedynie około 40% promieniowania słonecznego, które dociera do Ziemi. Pozostałe 60% to przede wszystkim promieniowanie z zakresu podczerwieni (o długości fali 700-2500 nm) i to właśnie ono jest w głównej mierze odpowiedzialne za nagrzewanie się dachów. Istnieją natomiast pigmenty, które bardzo dobrze odbijając promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR – ang. near infrared), a przy tym mają różne, nawet bardzo ciemne kolory.
Obraz termograficzny po prawej pokazuje chłodniejsze panele, które odbijają większą ilość energii słonecznej dzięki specjalnym pigmentom (na zdj. 2 i 4 od lewej). Fot. arch. Sto
Tego typu barwniki to najczęściej związki nieorganiczne – tlenki. Najskuteczniej odbija promieniowanie słoneczne biały tlenek tytanu – rutyl (TiO2). W jego wypadku ponad 80% padającego promieniowania ulega odbiciu. Jeśli zaś chodzi o barwniki kolorowe, jako przykłady wymienić można zielony tlenek chromu, błękit kobaltowy, błękit ftalocyjanianowy czy żółć Hansa. Poszukuje się obecnie także pigmentów o budowie bardziej złożonej, wzorowanej na przykład na strukturze chlorofilu, naturalnego barwnika roślin (którego współczynnik odbicia może osiągnąć nawet wartość 0,9 – tłumaczy to, dlaczego nawet ciemne liście w upalne dni pozostają chłodne).
Korzyści z zastosowania „chłodnych” pigmentów
Grupa „chłodnych” pigmentów, nad którymi stale pracuje zespół Cool Team (konsorcjum Lawrence Berkeley National Laboratory oraz szesnastu dużych koncernów wytwarzających pokrycia), obejmuje dziś już ponad 100 różnych barwników. Łączenie ich i mieszanie w różnych proporcjach pozwala uzyskać szeroką gamę kolorów i w pełni zadowolić nawet bardzo wybrednych klientów.
Zastosowanie tego typu pokryć jest z pewnością korzystne z ekonomicznego punktu widzenia – pozwala ograniczyć koszty chłodzenia budynków (klimatyzacji) nawet o 26%, co w skali światowej oznacza ogromną oszczędność energii.
Ponadto w nagrzewającym się dachu pojawiają się szkodliwe naprężenia związane z rozszerzalnością cieplną materiału oraz dużą różnicą temperatur między obszarami bardziej i mniej nasłonecznionymi. W temperaturze, jaką osiąga niekiedy dach w upalny dzień – nawet do 80°C – nieodwracalnemu uszkodzeniu mogą ulec również materiały wewnątrz elewacji budynku (na przykład warstwy izolacyjne), do których ciepło dociera drogą przewodzenia. Zastosowanie zmniejszających absorpcję promieniowania pigmentów poprawia więc trwałość samego dachu jak i elementów do niego przylegających.
Ograniczenie nagrzewania się dachów budynków pozwoliłoby na redukcję kosztów energii związanych z klimatyzacją nawet o 26%! fot. slyudmila (fotolia.com)
Nie bez znaczenia jest jednak również wkład „chłodnych dachów” w przeciwdziałanie zmianom klimatu. Pomijając oddziaływanie lokalne – ograniczanie efektu „miejskich wysp ciepła” – stanowią one cenne narzędzie w walce z efektem cieplarnianym, skuteczniejsze nawet niż dotychczas promowana strategia ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Efekt cieplarniany polega bowiem na tym, że po zaabsorbowaniu przez Ziemię promieniowania słonecznego, na które składa się głównie bliska podczerwień, emituje ona promieniowanie o innej długości fali – z zakresu dalekiej podczerwieni; to promieniowanie zaś wychwytywane jest przez cząsteczki gazów cieplarnianych i „więzione” w ziemskiej atmosferze, przyczyniając się do globalnego wzrostu temperatury. „Chłodne” pigmenty pozwalają więc zlikwidować ten problem u źródła – ograniczając absorpcję promieniowania, zmniejszają ilość ciepła, które może zostać zatrzymane przez gazy cieplarniane. Wówczas nawet jeśli emisja tych gazów jest wysoka, nie czynią one tak wielkiej szkody, bowiem to nie sama ich obecność wzmaga efekt cieplarniany, lecz wymuszenie radiacyjne, jakie zachodzi za ich sprawą.
Oszacowania wpływu zastosowania „chłodnych” dachów na efekt cieplarniany dokonała grupa Hashema Akbari i Arta Rosenfelda z California Energy Commission. Biorąc pod uwagę jedynie największe miasta świata (1% całej powierzchni) i zakładając że albedo (stosunek natężenia promieniowania odbitego do padającego) dachów w tych miastach ulegnie zwiększeniu o 0,25 a chodników o 0,15, otrzymali oni wynik w skali globalnej pozornie mało imponujący – spadek temperatury o około 0,02°F (0,01°C). Nawet tak niepozorna różnica jest jednak równoznaczna z ograniczeniem emisji dwutlenku węgla o 10 miliardów ton (czyli nieco więcej niż obecna roczna produkcja tego gazu w USA). Badania te potwierdziły więc, że „chłodne” pigmenty mogą być z powodzeniem wykorzystane, by zapobiec drastycznym zmianom klimatycznym na naszej planecie.
Przykłady produktów dostępnych na rynku
Oczywiste zalety pigmentów zapobiegających nagrzewaniu się materiałów wykorzystują producenci farb. Firma Sto promuje obecnie nowy produkt StoColor X-Black, które pozwala ograniczyć temperaturę powierzchni od 15 do 20%, dzięki czemu utrzymywana jest ona zawsze poniżej 70°C. Farba charakteryzuje się bardzo dobrą przyczepnością, elastycznością, jest matowa, hydrofobowa i wysoce przepuszczalna dla pary wodnej.
Basf XFast. Fot. arch. Basf
Linia innowacyjnych pigmentów znajduje się również w ofercie koncernu BASF. Składają się na nią cztery produkty, nie wszystkie jednak działają w ten sam sposób. Paliogen Black L 0086 to pigment organiczny, który jest niemal zupełnie przezroczysty dla promieniowania NIR; pozwala on więc uzyskać pożądany kolor, lecz nie przeciwdziała aktywnie nagrzewaniu się dachu – wymaga zastosowania dodatkowego pokrycia lub podłoża odbijającego promieniowanie podczerwone. Możliwe jest również połączenie go z pigmentami odbijającymi NIR (na przykład z rutylem). Pozostałe trzy barwniki – Sicopal Black L 0095, Xfast Black 0095 oraz Luconyl NG Black 0095 – to związki nieorganiczne, które mają już wysoki współczynnik odbicia w stosunku do promieniowania podczerwonego i mogą być stosowane samodzielnie. Pozwalają one obniżyć temperaturę o 20% w stosunku do tradycyjnych pokryć.
Do „chłodnych” pigmentów należą również produkty linii HEUCODUR IR od firmy Heubach. Dostępne w szerokiej gamie kolorów (receptura oparta na rutylu, kobalcie lub tlenku chromu), mogą być wykorzystane zarówno jako pokrycia dachów i fasad, jak i jako środki do zastosowania w motoryzacji. Maksymalna temperatura na powierzchniach z pigmentem HEUCODUR IR to 64°C.
Bibliografia
- Levinson R., Berdahl P., Akbari H., „Solar Spectral Optical Properties of Pigments, or How to Design a Cool Nonwhite Coating”, Heat Island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory, Atlanta 2005
- Kaarsberg T., Akbari H., „Cool roofs cool the planet”, Home Energy, Wrzesień/Październik 2006, 38-41,
- Thongkanluang T., Chirakanphaisarn N., Limsuwan P., „Preparation of NIR Reflective Brown Pigment”, Procedia Engineering 32 (2012) 895-901,
- Miller W., Akbari H., Levinson R., Loye K., Kriner S., Scichili R., Desjarlais A., Wiel S., Berdahl P., „Special Infrared Reflective Pigments Make a Dark Roof Reflect Almost Like a White Roof”, ASHRAE 2004,
- „Chłodna elewacja w gorące dni”, Sto Nowości 2 (2011) 3-5,
- www.dispersions-pigments.basf.com
- www.heubachcolor.de
