Budownictwo szybko się rozwija, a wraz z nim rosną wydatki na energię elektryczną – między innymi związane z klimatyzacją. Nowoczesne farby pozwalają jednak znacznie ograniczyć ten koszt, odbijając promieniowanie cieplne. Taką właśnie technologię, opartą na mikrosferach szklanych, oferuje firma 3M.
W większości krajów wykorzystanie energii w sektorze budowlanym stanowi około 30% całkowitego jej zużycia. W krajach rozwijających się sektor budownictwa mieszkaniowego odpowiada za ponad połowę zużycia energii elektrycznej. Oczekuje się, że tempo wzrostu gospodarczego dodatkowo zwiększy popyt na energię elektryczną sektora mieszkaniowego w zakresie oświetlenia elektrycznego, urządzeń klimatyzacji i innych. Zużycie energii do chłodzenia mieszkań wykazuje tendencję wzrostową na całym świecie i ma zasadnicze znaczenie dla krajów, które charakteryzują się gorącymi warunkami klimatycznymi.
Szerokie zastosowanie klimatyzacji jest problemem ekonomicznym. Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną do chłodzenia zwiększa szczytowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, co prowadzi do spalania większej ilości paliw kopalnych oraz wzrostu wydatków na energię i poziomu zanieczyszczeń. Ponadto poważnym problemem jest jakość powietrza w pomieszczeniach związana z korzystaniem z klimatyzatorów.
R E K L A M A
Ze względu na dążenie do zmniejszenia zapotrzebowania na wykorzystywanie klimatyzacji duże zainteresowanie w ostatnich kilku latach wzbudziły powłoki odbijające promieniowanie cieplne. Charakteryzują się one wysokim współczynnikiem odbicia promieniowania słonecznego (SR) oraz wysoką wartością emisyjności w obszarze podczerwieni termicznej. Mogą być stosowane jako powłoki dachowe lub ścienne farby elewacyjne.
Jak to działa?
Aby pojąć zasadę działania powłok odbijających promieniowanie cieplne, musimy zrozumieć, w jaki sposób energia słoneczna nagrzewa ściany i dachy oraz jak właściwości tych materiałów mogą przyczyniać się do nagrzewania. Ta sekcja przybliża zagadnienia energii słonecznej, właściwości odbicia słonecznego i emitancji cieplnej oraz łączny wpływ tych dwóch właściwości.
Energia słoneczna
Poniżej pokazano rozkład widmowy energii promieniowania słonecznego na poziomie morza:
Energia ta jest zwykle rozdzielona na trzy pasma:
- Pasmo ultrafioletowe, pomiędzy 200 a 400 nm, stanowiące 5% energii promieniowania słonecznego, w tym typ promieniowania odpowiedzialny za oparzenia słoneczne.
- Pasmo widzialne, pomiędzy 400 a 700 nm, stanowiące 46% energii promieniowania słonecznego, w zakresie barw od czerwonej do fioletowej.
- Pasmo bliskiej podczerwieni, pomiędzy 700 do 2500 nm, stanowiące 49% energii promieniowania słonecznego, odczuwanej jako ciepło.
Całkowite natężenie promieniowania słonecznego przy zwykłym poziomie nasłonecznienia wynosi
około 1,3 kW/m².
Reflektancja promieniowania słonecznego
Reflektancją promieniowania słonecznego lub albedem nazywamy stosunek ilości energii promieniowania odbitego do ilości promieniowania padającego na daną powierzchnię. Badający opracowali metodę określania reflektancji promieniowania słonecznego poprzez pomiar tego, jak dobrze materiał odbija energię przy każdej długości fali energii słonecznej, a następnie obliczając średnią ważoną tych wartości. Tak uzyskali całkowity współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (TSR).
Tradycyjne farby i powłoki mają niski współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (od 5% do 15%), co oznacza, że absorbują one 85% do 95% docierającej do nich energii, zamiast odbijać ją z powrotem do atmosfery. Najchłodniejsze farby i powłoki wykazują wysoki współczynnik odbicia promieniowania słonecznego – większy niż 80%, pochłaniając i przenosząc do budynku 20% lub mniej energii, która do nich dociera. Materiały te odbijają promieniowanie w całym spektrum promieniowania słonecznego, zwłaszcza w zakresie długości promieniowania widzialnego i podczerwonego (ciepła).
Emitancja cieplna
Każda powierzchnia wystawiona na działanie energii cieplnej będzie stawała się cieplejsza, aż do osiągnięcia równowagi termicznej (tj. wydziela tyle ciepła, ile odbiera). Emitancja cieplna materiału określa, ile ciepła będzie on w stanie wypromieniowywać na jednostkę powierzchni w danej temperaturze, czyli jak łatwo powierzchnia oddaje ciepło. Po wystawieniu na działanie promieniowania słonecznego powierzchnia o wysokiej emitancji będzie osiągała równowagę termiczną przy temperaturze niższej niż powierzchnia o niskiej emitancji, ponieważ powierzchnia o wysokiej emitancji łatwiej oddaje swoje ciepło.
Współczynnik odbicia promieniowania słonecznego (SRI)
Współczynnik odbicia promieniowania słonecznego stanowi łączną wartość reflektancji i emitancji. Współczynnik SRI jest zdefiniowany tak, że standardowa powierzchnia czarna odpowiada zeru (reflektancja = 5, emitancja = 90) natomiast standardowa biała odpowiada 100 (reflektancja = 80, emitancja = 90). Z uwagi na sposób zdefiniowania SRI, materiały bardzo chłodne mogą mieć wartości SRI przekraczające 100.
Pigmenty zimne
Odbicie światła słonecznego uzyskuje się poprzez rozpraszanie promieniowania widzialnego i podczerwonego. Rozproszenie promieni przez pigment jest funkcją różnicy współczynników załamania pigmentu i żywicy, w których jest on rozproszony. Im większa różnica, tym lepsze odbicie.
Typowe żywice organiczne posiadają współczynnik załamania światła pomiędzy 1,45 a 1,60.
Współczynniki załamania pigmentów handlowych wykazują zmienność w granicach 1,4 i 2,8.
Rutylowy dwutlenek tytanu TiO2 jest najskuteczniejszym białym pigmentem do rozpraszania światła widzialnego ze względu na jego wysoki współczynnik załamania (2,8) i wielkość jego cząstek, stanowiącą połowę średniej długości fali w paśmie widzialnym.
Mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles
Mikrosfery szklane 3M ™ stanowią dodatki o wysokiej wytrzymałości i niskiej gęstości, a wykonane są z odpornego na wodę i chemicznie stabilnego szkła sodowo-wapniowo-borokrzemowego. Są one wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w przemyśle samochodowym, morskim, naftowo-gazowym i w budownictwie.
Ze względu na wydrążony kształt mikrosfery szklane 3M Glass Bubbles są wykorzystywane od wielu lat w branży produkcji farb w celu zapewnienia ich izolacji cieplnej. Farby takie są oferowane jako farby „antykondensacyjne” (tj. zapobiegające wykraplaniu się na jej powierzchni wilgoci z powietrza) dla pomieszczeń o wysokiej wilgotności, takich jak kuchnie i łazienki. Odporność na kondensację wynika z wyższej temperatury powierzchni farby w porównaniu ze zwykłymi farbami.
Ze względu na swoją budowę mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles mają niski współczynnik załamania światła, bliski 1.0, o wiele niższy niż współczynnik załamania typowych żywic. Dlatego też można od nich oczekiwać wyższej skuteczności w zakresie rozpraszania promieniowania widzialnego i bliskiej podczerwieni:
Ocena mikrosfer szklanych 3M™ Glass Bubbles w farbach i powłokach „solarnych” (tj. farbach i powłokach odbijających światło słoneczne; ang. solar heat reflective paints).
Aby określić ilościowo wpływ tych mikrosfer na odbicie światła słonecznego, realizowane są następujące plany doświadczeń:
– Wybrano 5 rodzajów mikrosfer szklanych 3M™ Glass Bubbles według ich rozkładu gęstości i wielkości cząstek: K-1, S-22, S-28HS (poprzednio L-22537), S-32HS (poprzednio L-22591) oraz IM16K.
– Dla celów porównawczych, dobrany został węglan wapnia Durcal 5, produkcji OMYA SAS.
– Przygotowano 5 farb o takim samym stężeniu objętościowym pigmentu 60%. Dwutlenek tytanu dobrano na poziomie 15%, natomiast pozostałe 45% stanowi węglan wapnia lub mikrosfery szklane 3M Glass Bubbles w gatunku odpowiednio: K-1, S-22, S-28HS, S-32HS lub IM16K, zgodnie z następującą wyjściową recepturą:
Pomiar współczynnika odbicia promieniowania słonecznego
Całkowity współczynnik odbicia promieniowania słonecznego powłoki mierzony był za pomocą spektrofotometru UV-Vis-NIR z kulą całkującą zgodnie z normą ASTM E903-96.
Sprzęt badawczy:
Spektrofotometr Perkin-Elmer 950 UV – Visible – N-IR + z kulą całkującą.
Wyniki badania:
Współczynnik odbicia promieniowania słonecznego jest obliczany przy użyciu metody ASTM E903-96 i tablicy odniesienia dla napromieniowania słonecznego z ASTM G173-03:
Badanie lampą na podczerwień:
Opracowano dodatkową wewnętrzną metodę badawczą do oceny wpływu farb i pokryć odbijających słoneczne promieniowanie cieplne na temperaturę wewnątrz budynków:
Pomalowane płyty aluminiowe są wyeksponowane na działanie światła podczerwonego lampy Philips BR125 150W. Odległość między żarówką a pomalowaną płytą wynosi 10 centymetrów. Termopara przymocowana jest na tylnej powierzchni płyty aluminiowej. Do rejestracji temperatury w funkcji czasu zastosowano rejestrator danych Sefram log 1522.
Badanie prowadzi się przez 1 godzinę. Stan równowagi osiągany jest w ciągu 20 minut:
Farba z dodatkiem węglanu wapnia jest przyjęta jako farba odniesienia. Różnica temperatury jest obliczana z wykorzystaniem średniej temperatury dla każdej farby w stanie równowagi (patrz: legenda na wykresie).
W stanie równowagi dla farby „solarnej”, czyli odbijającej słoneczne promieniowanie cieplne i zawierającej mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles S-28HS, mierzona może być różnica temperatur rzędu 10°C.
Wnioski
Mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles realnie poprawiają właściwości odbijania promieniowania słonecznego farb i powłok. Przy ich zastosowaniu możliwe jest osiągnięcie współczynnika odbicia promieniowania słonecznego większego niż 110.
W przypadku gdy farba jest nanoszona poprzez natrysk hydrodynamiczny pod wysokim ciśnieniem, wymagane będą mikrosfery 3M™ Glass Bubbles o większej wytrzymałości na ściskanie, takie jak S-28HS, aby przetrwały warunki natrysku.
Wzmocnienie zdolności odbijania promieniowania słonecznego wydaje się być związane z rozmiarem mikrosfer: im są one mniejsze, tym lepszy efekt.
Oprócz właściwości odbijania promieniowania słonecznego, mikrosfery szklane 3M™ Glass Bubbles zapewniają dodatkową korzyść – przyczyniają się do zmniejszenia przewodności cieplnej powłoki ze względu na ich wydrążoną budowę z częściową próżnią wewnątrz nich.
Wykorzystanie powłok odbijających słoneczne promieniowanie cieplne z dodatkiem mikrosfer szklanych 3M™ Glass Bubbles stanowi tanie rozwiązanie i może przyczynić się do zmniejszenia obciążeń chłodniczych w budynkach klimatyzowanych, pomagając zaoszczędzić energię i pieniądze.
W nieklimatyzowanych budynkach mieszkalnych poprawa warunków komfortu termicznego w pomieszczeniach jest osiągana poprzez obniżenie maksymalnych temperatur w okresie letnim.
Co więcej, ta sama technologia może być transponowana do aplikacji niemieszkalnych, wymagających utrzymania chłodu wewnątrz, takich jak ciężarówki-chłodnie magazynowe i magazyny, zbiorniki do magazynowania gazu i ropy naftowej oraz zbiorniki kriogeniczne i tankowce.
Autor:
Jean-Marie Ruckebusch
Application Development Specialist 3M Advanced Materials Division
Przedstawicielstwo w Polsce:
3M Poland Sp. z o.o.
Al. Katowicka 117, 05-830 Nadarzyn
Tel.: +48 883 345 865
kjwojcik@mmm.com, www.3M.pl
Źródło: 3M
