0 引言
可持续性的建筑不但指在建造过程中成本投入少，对环境造成负担小，更是指在建筑整个使用寿命周期内，包括日常维护、运营等过程中的成本投入和对环境的负担低[1]。在整个建筑结构中，屋面直接接收阳光辐射，对建筑在使用周期内的节能影响很大。
图1 是太阳光照射到建筑物的屋顶时，被屋面反射的能量和通过屋面进入屋内能量的示意图中国化工网okmart.com。为了减少进入屋内的太阳能量，需要通过某种方式把阳光能量挡在房子外面[2]。
屋面的阳光发射和热传导
通过屋面反射太阳光内的大部分能量，可减少进入屋内的热量。冷屋面的作用可以通过具有冷屋顶效果的涂料来完成。然而，一般的冷屋顶涂料的耐久性不够长，不能与整个建筑的使用寿命相匹配，造成了建筑在使用过程中需要反复涂刷冷屋顶涂料以达到持续的效果。
而频繁施工造成了成本不断投入，也不断加重了环境负担。本文首先介绍了美国国家实验室对冷屋顶研究的几个基本概念参数。然后重点讨论了耐久性冷屋顶涂料对可持续性建筑的重要性和解决方案。
1 关于冷屋顶的几个基本概念
美国国家实验室发现积聚在太阳辐射下的建筑物表面上的热量主要取决于屋面的两个物理性能：阳光反射率和热辐射系数。
1.1 阳光反射率TSR(Total Solar Reflectance)
阳光反射率SR(Solar Reflectance)是指日光被表面反射掉的比率。一般采用光谱光度测量设备进行测试，用累计圆球光度仪测试日光中各种波长的反射情况。一般情况采用标准日光光谱进行测试。太阳能光谱能量分布见图2。
太阳能光谱能量分布
测试方法采用 ASTM E903 和E892。有时人们会只测量日光中可见光部分(波长400~700 nm)的反射情况。目前，SR 普遍的计算方法是指日光中所有部分(紫外、可见光、近红外、远红外)的日光反射率，一般称为总日光反射率TSR。可见光反射率会比TSR 的数值偏低。笼统地讲，TSR 是指日光被涂层反射掉的比率。TSR决定了太阳光谱里蕴含的能量，包括储存了一半太阳辐射能的近红外区域的能量。通常TSR 越高越有利于凉爽屋顶的生成。
1.2 热辐射系数E
热辐射是用来测量物体以长波辐射的形式散发热量的能力，通常用0~1 之间的小数表示。辐射的波长通常是指5~40 μm 的波长，很多建筑材料(如玻璃)对这个波长的能量是不透过的，热辐射系数E 为0.9。但是也有一些材料，如失去光泽的镀锌铝板的E 值很低，另外含有铝粉涂料的E 值一般为中等(0.5~0.7)。热辐射是衡量一个热物体辐射热的能力。一般可以通过工程手册查出某种材料的
E 值。
使用1 a 后不同屋顶产品的TSR 值，E 值举例[3]
1.3 最大屋面温度升高值
通过以上的两个参数TSR 和E 可以大致推算出阳光辐照下屋面温度的升高情况，但具体的情况比较复杂，牵涉的参数很多。美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)在固定几个假设的前提下，采用一个相对简单的方程式来预测屋面升温的极值。
较低的屋面温度峰值对热应力的影响较小，而且有利于延长屋面的使用寿命。事实上，推测得出的是屋面温度最大升高值，根据空气的最高温度就可以大致得到屋面的最高温度。
假设条件如下。
(1) 屋面的最高温度主要由外部热转化引起的。
(2) 屋面没有热量储存。
(3) 阳光的辐射通量Io=1 kW/m2。
(4) 天空温度比环境空气温度低10 ℃。
(5) 红外辐射热传导系数hr=[(6.1W/(m2·℃))×E(由Stefan-Boltzmann 常数导出该热辐射参数)。
(6) 标准黑色表面(阳光反射率0.05，红外散射0.9)的最高温度升幅为50 ℃。在低风速，90°阳光照射下，在测量很多标准黑色表面的最大温度升高值基础上得到50 ℃这个经验值。这个值在实际情况中一般会有30%的不确定性。
(7) 由上面的假设得出屋面冷却热传递系数hc=12.4W/(m2·℃)
根据上面的7 个假设条件，通过热传递方程式(1)可以推算出屋面最大温度升高值。
(1-R )I o=(h c+h r)ΔT max+h r×10 式(1)
式(1)中，R 是阳光反射率(一般用TSR 表示)，10 是天空温度低于环境空气温度的差值。通过代入阳光反射率R 值与红外热散射系数E 值可以推算出屋面最大温度升高值ΔT max。
1.4 太阳能发射指数SRI
SRI(Solar Reflectance Index)是根据屋面温度的上升来表征屋面反射阳光热量的能力。SRI 的定义是标准黑色(TSR 0.05，热辐射E 0.9)的数值为0，标准白色(TSR0.8，热辐射E 0.9)的数值为100。测试方法如下：假如在完全日光下标准黑色的温度上升为50 ℃，标准白色的温度上升为8.1 ℃，那么就可以根据被测表面的温度升高值推算它的SRI 值。SRI 的计算公式如是式(2)。
SRI=100×(TBlack-Tsurface)/(TBlack-TWhite) 式(2)
SRI 计算示意图
按照SRI 的定义，SRI 值高的材料适合用来做冷屋顶材料。然而根据SRI 的定义，有些材料的SRI 值可能是负值， 有些材料的SRI 值可能超过100 。目前，LEED(Leadership in Energy & Environmental DesignBuilding Rating System，由美国绿色建筑委员会监管)等标准就是按照SRI 值对建筑屋顶进行节能评级。
从上面的基本概念阐述的过程中，可以发现阳光反射率TSR 和热散射系数E 是冷屋面的两个基本决定要素。在一般情况下，热辐射系数E 是固定值，随物质不同而不同，通常金属的热辐射低，而聚合物涂料的热辐射高，包括PVDF 涂层。按照屋面温度升高的假设公式(1)，假定环境温度为36.85 ℃(310 K)，屋面涂料热辐射E=0.9，可以得到屋面在不同TSR 值时屋面的SRI 值不同，屋面最高温度也不同；且TSR 值越高，SRI 值越高，屋面温度越低。
TSR 对屋面SRI 值与屋面最大温度的影响
阳光全反射率(TSR)对于屋面在太阳下的温度升高影响很大。通常TSR 越高越有利于冷屋顶效果。
2 冷屋顶涂料的影响因素
考虑到气候条件，在美国各个地方的具体凉爽屋顶标准要求有很大的差别。标准趋向于要求涂层的初始反射值不仅要符合具体标准，并且涂层经过长期使用后仍要保留一定的反射值。
例如低倾斜度的屋顶表面如要通过能源之星(Energy star)认定，表面涂层的初始总日光反射值必须大于0.65，并且经过3 a 使用后TSR 必须大于0.50。另外的标准如LEED 以及美国加州第24 条款(CaliforniaTitle 24)有不同的要求。
反射率取决于很多因素，这些因素受涂料配方和施工方法的影响，同时也会受到屋顶涂料耐候性的影响。通常涂料耐候性越好，TSR 的保持率也越好。
涂料中的颜料对TSR 的贡献很大。不同的颜色有不同的TSR 值，一般冷屋顶涂料的颜料要选用阳光反射率高的品种，可以参照不同色彩的冷颜料系列。同时考虑到建筑的可持续性设计，颜料的耐久性要比较好。
涂料树脂对于冷屋顶涂料的耐久性影响非常大。许多用于制定最低户外曝晒涂层标准的数据是由美国Oak Ridge 国家实验室(ORNL)提供的。ORNL 分析测试了几百块样板，这些测试样板使用基于不同树脂及颜料配方的涂料，并暴露于不同的工业测试场地，包括南佛罗里达测试场地。对于聚合物涂料，决定总日光反射值(TSR)的最大因素是面漆。面漆的颜料和涂层厚度对TSR 值有很大影响，然而最近的调查显示底漆和预处理也会影响TSR 值，另外面漆里的树脂也会影响TSR 值。
ORNL 的研究发现最早的涂覆PVDF 涂层的测试样板尽管经过了几十年的佛罗里达曝晒，TSR 保持率仍然高于90%。表2 列出了一些测试结果，这些结果包括了一些初始TSR 比较低的面漆[4]。
PVDF 涂料22 a 佛罗里达老化测试前后的TSR 值
注：测试数据来自ORNL 研究机构。TSR 值按ASTM C1549 标准通过手持式太阳光谱反射仪测得 (D&S 太阳光谱反射仪型号SSR-ER)。
3 PVDF 耐久性冷屋顶涂料
阿科玛公司的KYNAR 500®树脂在热反射涂层中的使用已有很长的历史。这些涂层体系中的颜料是具有反射太阳能量的冷颜料，并且耐久性很好。经过近45 a 的使用实践，这些涂层系统具有很高的TSR 的保持率，能够持续降低进入建筑物内部的外部阳光能量。相同的冷颜料在不同树脂体系涂料中经过10 a 佛罗里达曝晒后的情况见图5。
PVDF 冷屋顶涂料与聚酯/改性聚酯冷屋顶涂料耐久性对比
