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淘尽沙砾始见金

在萨克拉门托郊外的乡村公路上,司机们经常会停下车来欣赏 Ilhan 和 Kamer Eser 的家。就像在加州阳光下沐浴的彩虹色爬行动物,这栋房子的表面闪烁着朴实的彩虹色,而且似乎每个位置的颜色都不一样。有时,司机们会开着车在房子的前面来回行驶长达数分钟,他们将头伸出窗外一边看着房子,一边惊叹不已。在放眼望去都是棕色和灰尘的山丘地带,这栋房子就宛如海市蜃楼一般,但其实是因为 Eser 在其金属包层的房子表面使用了威士伯的云母基 Kameleon 变色龙系列涂料

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在萨克拉门托郊外的乡村公路上,司机们经常会停下车来欣赏 Ilhan 和 Kamer Eser 的家。就像在加州阳光下沐浴的彩虹色爬行动物,这栋房子的表面闪烁着朴实的彩虹色,而且似乎每个位置的颜色都不一样。有时,司机们会开着车在房子的前面来回行驶长达数分钟,他们将头伸出窗外一边看着房子,一边惊叹不已。在放眼望去都是棕色和灰尘的山丘地带,这栋房子就宛如海市蜃楼一般,但其实是因为 Eser 在其金属包层的房子表面使用了威士伯的云母基 Kameleon 变色龙系列涂料

由于加入了云母,Eser 所选的 Dusty Rose Kameleon 涂料可以根据一天中的时间和不同的角度变幻出绿色、黄色、银色、棕色及深棕色等不同色彩。房子的颜色可随着日出和日落而变亮或变暗,从而与周围的自然环境融为一体。威士伯还推出适用于金属屋顶的油漆 —— 氟丽朋系列的 Surrey Beige 颜色 —— 70% PVDF(聚偏二氟乙烯)树脂基涂料,这种涂料具有出色的耐久性和太阳热反射性,能有效节省能源。

除了惊艳的外观外,过往的司机并不知道,这栋房子还有一个奇妙之处,那就是净零结构。威士伯在油漆和涂料生产领域拥有逾 200 年的悠久历史,其旗下拥有丰富的产品组合,可满足有环保意识的客户的需求,例如 Eser。

“十或十五年前,当人们谈论可持续发展和零净时,我总会嘲笑他们 —— 我不相信这些事情,”Eser(一位在建筑行业工作了 35 年的机械工程师)说道。“然而当我搬到加州并成为 Kingspan 集团的一份子时,我开始慢慢改变了最初的想法,并且决定要修建自己的净零房屋。”

Eser 是卷形金属墙和屋顶板制造商 Morin 公司的首席执行官,2008 年,该公司被 Kingspan 集团收购了。Kingspan 是制造绝缘屋顶和墙板的全球领导者,“Kingspan 的工作都是围绕可持续发展和节能”Eser 指出。“这是他们工作的一个重要部分。”威士伯与 Kingspan 建立了长期合作关系,并为 Kingspan 的几乎所有产品提供涂料,作为建筑行业的主要领导品牌,两家公司致力于携手实现净正面结构的目标:威士伯的反射涂料与 Kingspan 的绝缘板可谓强强联手,可有效降低供热和制冷成本。

“威士伯就像是我的一位老朋友,所以我选择他们的产品并不奇怪,”Eser 表示“不过,Kameleon 变色龙系列涂料确实很出乎我的意料。不得不说这是一次大胆的尝试,周围的朋友和邻居都对我们的金属房子抱怀疑态度,更别提还是一座可以变色的房子了。我们在选择涂料时,不仅是考虑到颜色,更主要的是因为他们最近开发出来的一项技术。”

什么是可持续发展

Eser 的净零房屋屋顶使用了 Kingspan 能源部门的 18 千瓦太阳能电池组,以及来自 Hydron Module 的地热供热和制冷系统,其在地下 10 英尺处埋了一个长 800 英尺的环形装置。该系统可使用地下的稳定温度,从而省去了对火炉或 HVAC 的需要。此外,电网中继光伏系统所产生的电量是全家日常所需电量的两倍,因而不需要在屋内使用化石燃料。Eser 在 2 英寸厚的双层大玻璃(U 值低至 0.30)上安装了 Allweather Aluminum 的自动化 MechoSystems 太阳能遮阳系统,只要太阳光照射到玻璃上,遮光帘便会自动降下。为了打造理想的室内微气候,Eser 安装了定制高速吹风系统,以消除因停滞空气产生的热点和冷点。Eser 在每个房间里安装了大约 25 个吹风机,而不是标准的 3 或 4 个,经过精心布局,可优化同质空气分布,在只使用地热系统的情况下,可确保室内全年舒适宜人。

“一切都是相辅相成的,”Eser 表示。“所有装置都是环环相扣,谁也离不开谁,只有这样才能实现净零结构的房子。Kingspan 的使命是‘节能第一’。这栋未来之家必将成为所有新房子效仿的典范。”

在加州的中央山谷,夏季的温度常常会超过 100 度,因此使室内保持凉爽是威士伯涂料和 Kingspan 绝缘金属板在设计时需要考虑的一个重要方面。Eser 之所以选择 Surrey Beige 色彩,是因为其在威士伯涂料产品中具有很高的太阳热反射值,在业内被称为太阳热反射指数 (SRI) 评级。传统深色屋顶材料在夏天的温度可达 185 度,因而会将巨大的热负荷传递给房子,但高反射率的屋顶表面可使温度下降 50 到 60 度,从而节省高达 40% 的能耗。虽然这背后的科学很复杂,但究其本质,高反射涂料可为净零房屋的热吸收筑起第一道防线。

第二道防线与涂料使用的材料及其释放所吸收的热量的速度有关,地热工程师将其称为热发射率。事实证明,金属具有出色的热发射率 —— 换句话说,它能迅速冷却。“当太阳下山时,金属板将比沥青瓦更快地冷却到环境温度,”威士伯卷材和型材部门技术经理 Channing Beaudry 说道。Beaudry 将传统屋顶比作陶瓷咖啡杯:“它的目的是保温,因此当太阳下山几小时后,您的空调却仍在高速运转以降低阁楼温度。”

对于 Eser 的家,第三道防线则是绝缘材料,其中绝大部分都是与金属屋顶板和墙板配合使用的。6 英寸屋顶板的 R 值是 42,几乎是加州能效法规规定水平的 2 倍,后者对 R 值的规定是 24。壁板上采用的 4 英寸绝缘板的 R 值是 36。此外,墙壁和屋顶的内部也有绝缘层,Eser 预计其 R 值分别会达到 40 和 50。

Eser 及妻子目前是空巢父母,他们的三个女儿都已长大并上了大学。因此,他们有能力去追寻自己的梦想。他们一起设计了房子,且没有请建筑师帮忙,Eser 承担了所有施工任务,这对他来说是一次全新的体验,即使他在建筑行业工作了几十年。他们对厨房垃圾进行回收,最后变成菜园里的肥料。所有家庭废水则经过工程化粪池系统进行清洁,最后变为适合灌溉的水。每个月,他们家只会产生一小袋的垃圾;其他都被回收了。其他特征还包括:他们将房子设计成“智能房屋”,水电气功能全部由智能手机进行控制,整个房子的照明均采用 LED 技术,其用电量只是传统照明的一个零头。

对于有些人来说,Eser 及妻子的生活方式可能很极端,但 Eser 却将净零生活视为一个礼物。“我的生活很美好,”他说。“我希望能以一种方式去回报地球。”

威士伯的承诺

不夸张地说,在建筑环境中寻求正能量是很复杂的。这需要意志坚定的公民和积极行动的政治家,但最关键是需要有远见的企业去提供产品。像威士伯这样的大型企业将起到关键作用 —— 在涂料行业拥有深远的影响力,已远远超出自身范围。卷材及型材部门销售副总裁 Jeff Alexander 表示,威士伯在这方面的目标很明确,即“成为业内可持续发展的全球领导者,而不仅仅是北美洲。”

这对于一家专门生产油漆和涂料的公司而言,似乎很大胆,然而由于威士伯的产品在全球建筑的室内外表面占据着惊人的比例,从住宅屋顶和电器,到重型机械和高楼大厦,因此公司的决定可谓举足轻重。

威士伯最值得注意的一项创新是,其开发出了具有优异的太阳热反射率等级且色彩丰富多样的涂料。大多数设计师都知道一个基本概念,即浅色比深色能更好地反射太阳光,但现实是,不是每个客户都想要浅色屋顶。威士伯一直寻求将可持续发展与市场相结合,并开始测试和选择具有优异的太阳热反射率等级的一系列色彩的颜料。对于金属屋面行业来说,其测试结果可谓十分喜人。

Alexander 称:“我们可以通过任何一项技术,将这些太阳热反射颜料配制成几乎任何颜色。”换句话说,没有单独的太阳热反射涂料生产线——所有用于屋顶的威士伯产品现在都有其专属的太阳热反射率配方。Alexander 表示:“能源之星对最低反射率水平有规定,而我们的任何色彩几乎都能满足这些要求。”

太阳热反射涂料是威士伯解决能源效率问题的一个途径,但绝不是公司应对人类健康和环境卫生的唯一途径。以往,油漆和涂料行业依赖于一系列不环保的物质来实现耐久性和高性能,但那个时代很快就结束了。威士伯除配制出众多低 VOC 和无 VOC 产品外,还在最近研发出了多款不含 BPA 和六价铬的材料,以及一系列基于生物可再生和可回收材料的涂料。

很多年以前,威士伯研发部门的技术总监 Greg Hayes 开始对是否能用植物油代替公司部分产品中的石油基成分产生了兴趣。他知道生物柴油产业很成功,于是很想知道油漆和涂料行业是否也能利用相同的废弃产品。“食品加工业使用的油进入废物流,最终被牛和宠物食品工业再利用,”Hayes 指出。“我们决定深入研究废物流,寻找一种制备涂料聚合物的方法。”

我们花了将近三年时间完成从概念开发到产品上市,可喜的是,现在威士伯在废弃油、初榨植物油领域已拥有多项专利技术。其主要用于制作屋顶板的大型金属板卷材涂料的衬料。

威士伯甚至对墙板和屋顶板金属的涂料喷涂方式也做出了改进,有效提高了其环保性能。卷材涂料(即油漆在工厂车间被涂覆到金属材料上,而不是喷涂)技术具有出众的节能效果和极低的 VOC 成分。Alexander 称他们还研发出了一项技术,可让涂料在较低温度下固化。“这意味施工人员不需要将固化炉加热到很高的温度,从而有效减少了能源的使用。”

在金属镶板的卷材涂料涂覆过程中,释放出的 VOC 气体会返回到体系中,并借助热氧化器,成为固化过程的燃料。Alexander 称“就像焚烧炉一样。”

商业案例

“一切都是受到热岛效应的影响,”威士伯全球卷材和型材技术总监 Rick Afton 指出,他在公司工作了 38 年,负责公司重点项目 —— 冷屋顶产品。他指的是城市(建筑屋顶、沥青或其他硬表面的占比超过了树木和植被)中广泛存在的一种现象,热岛效应会导致市内温度显著高出周边乡村的温度。在某些情况下,城市热岛效应会使局部温度高出标准温度 12 度。这使得城市变得不太“宜居”,人们大量使用空调,从而加剧了城市地区对全球生态系统的压力。

Afton 指出“政府实验室进行了大量研究,研究结果表明,使用反射金属屋顶可以节省能源。”以前,威士伯可按客户要求提供反射涂料,但在过去八年,反射涂料已经成为我们的标准,这是因为它们能够为最终用户带来经济效益和税收抵免。“有一个商业案例很好地展示了一项可按需加热或冷却的技术,”Afton 表示。

有关屋顶材料、能源效率和经济学的统计数据着实惊人。首先,根据美国环保局的城市热岛试点项目,大多数城市地区至少 20% 的土地表面被屋顶所覆盖。例如在芝加哥,屋顶覆盖率占土地总面积的 25% —— 这里有很多的房地产可以合作。传统屋顶材料能吸收 85 到 95% 的太阳热量,这意味着还有很大的上升潜力。相比之下,“最冷”的屋顶材料,例如 Eser 净零房屋上使用的金属镶板上涂覆有威士伯的 SR Fluropon 70% PVDF 涂料,其结合了强反射表面与快速冷却的金属基底,太阳热量的吸收率不到 30%,热发射率则高达 90%。

每 1000 平方英尺的屋顶空间平均每年可节省 20 到 30 美元的能源开支,而在南加利福尼亚州等炎热地区,这一数字有望翻一倍。总之,威士伯预计,如果全国上下采用冷屋顶,每年可节省 10 亿美元。

合作的重要性

对于冷屋顶,目前威士伯只提供涂料,不过公司正在加倍努力,以期推动行业向前发展。除开展领先研究工作外,公司还与业界人士广泛合作,包括制造商(例如 Kingspan)、政府机构(例如能源之星)和第三方(例如 USGBCInternational Living Future Institute(ILFI))等等。Hayes 指出“我们积极参与行业领先的技术委员会,为冷屋顶产品的测试方法和最佳实践提供指导。”

对此 Alexander 表示,换句话说,“我们是将钱用到该用的地方。”

威士伯在全球拥有多个测试设施,此外,公司与 Cool Roof Rating Council (CRRC)、田纳西州橡树岭国家实验室、加利福尼亚州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室也有合作。“我们致力于走在消费者的前面,满足消费者的需求,”威士伯卷材和热压测试装置负责人 Marlene Garrow 表示。“我们希望继续参与此类活动,以确保我们始终处于开发创新涂料技术的前沿。”

Garrow 指出,对于威士伯的所有新涂料和油漆产品线,目前我们急需了解产品的使用寿命。例如,Cool Roof Rating Council (CRRC)标准根据劣质涂料可能在天气影响下快速降解并失去其属性的事实,对暴露在空气中 3 年后的反射率评级提出了要求。CRRC 和劳伦斯伯克利国家实验室设计了一项加速老化试验,以加速涂料的老化过程,而威士伯则可使用客户提供的镶板来测试其涂料。Garrow 表示:“没有人想要等三年才拿到结果,对此我们非常感谢 CRRC 和劳伦斯伯克利国家实验室的努力,并向我们提供这些测试。”

在诸如冷屋顶的新兴领域中,业务成功取决于与多个利益相关者的合作,同时也受到了健康竞争的推动。一方面,立法者不断提高建筑能耗的标准,另一方面,越来越多的客户希望涂料不含有害物质,且具有与以往配方相媲美的性能,当然如果能超越就更好。每个新版 LEED 和 Living Building Challenge(高级可持续认证计划)都对透明性提出了新的要求。这为行业创新带来了巨大的压力。事实上,这也是保持竞争力的唯一途径。

Afton 称,威士伯凭借参与研究和建立联盟的方法,擅长于将新的和更好的产品商业化,但是强硬的可持续性法令对企业而言同样有益无害。“一切又要回到商业案例 —— 事实上,这些案例的出现意味着市场对实现人类健康和环保目标的需求很高。这为创新提供了源源不断的机会。”

 

太阳热反射颜料背后的科学

威士伯卷材和型材部门技术经理 Channing Beaudry 表示,毫不夸张地说,当太阳光照射到不断向外扩张的大都市时,有很多是我们肉眼所看不见的。首先,只有 43% 的太阳能是可见光,这些波长在白天可为肉眼所见。5% 为紫外光谱,它能导致我们皮肤被晒伤。Beaudry 关注的是另外 52%,即红外线,它能够使我们的皮肤感受到太阳的温度,但在炎热的夏季,却能使城市温度变得让人难以忍受。

“在设计太阳热反射涂料时,我们尝试改变颜料与光线的交互方式,特别是能生热的红外光,”Beaudry 说道。

为此,威士伯考虑了两种相关方法。第一种方法是,使涂料在红外光谱中具有高反射性,这样太阳光便会被反射回大气中,并且不会被吸收到建筑结构中。这对浅色颜料来说很容易,但反射等级会随着颜色加深而下降。

第二种方法是,使用对红外线来说是透明的涂料,因此光线将穿过产品并照射到下面的金属材料 ——“金属具有高反射性,可将光线反射回去,”Beaudry 指出。通过设计可让红外线穿透的颜料,威士伯的深色涂料也具备了高反射性。

金属案例

长期以来,金属一直被视为工业应用领域的实用壁板材料,不过近年来,其在住宅楼外墙中的应用也越来越广泛,而这要感谢威士伯及其行业合作伙伴(例如 Kingspan 集团)和大胆房主(例如 Ilhan 和 Kamer Eser)的不懈努力。Eser 的净零房屋采用金属屋顶和金属壁板,而威士伯氟丽朋涂料则赋予其温馨现代的外观,为其他住宅建筑人员树立了典范。甚至连家的框架都是金属做的。就环保和经济效益而言,在住宅建筑中推广金属材料的使用可谓益处多多。

威士伯卷材和热压部门技术经理 Beaudry 表示:“金属作为建筑材料,天生就具有环保性。它是世界上最具回收利用价值的建筑材料。”Eser 正是考虑到金属的高回收含量、热发射率或散热能力,才将其作为净零房屋的基础材料。相比外墙是乙烯基壁板和沥青屋面等建筑材料的房子,当太阳下山后,金属房子的屋顶温度能够很快降下来。在外墙设计(例如墙板和屋顶板)中加入金属建筑材料的房子,比使用更传统的建筑材料(例如木材、灰泥、砖和沥青)的房子更耐用。当需要重建房子时,大部分材料都能够回收再利用,而不是要当做垃圾被填埋,从而让您省心不少。在美国,80% 的金属都会被回收利用。

“人们都说木材是可再生材料,但我们并不能真的回收木材,”Beaudry 说道,当然就无法变成高端产品。“而对于金属,您现在喝完的饮料铝罐,说不定两年后就变成了机翼。”

威士伯研发部门技术总监 Greg Hayes 指出,金属作为屋顶材料,经常被忽略的优点包括:与传统的木瓦屋顶相比,其具有优异的抗损伤性。“例如,如果您住在沿海地区,金属屋顶可以更好地抵抗大风和飓风以及冰雹的损坏,因此在这些气候区,人们更喜欢使用金属屋顶。”这意味着您可以降低保险成本、节省能源开支,并且不必频繁更换屋顶,从而带来可观的经济效益。

此外,金属屋顶涂覆反射油漆,例如威士伯的领先太阳热反射涂料,有助于获得热岛效应类别中的 LEED 认证。如果使用具有高再回收含量的金属,胜算就更大一些。

事实和数字

  •         传统深色屋顶材料在夏季的温度可达 185 度

  •         高反射率的屋顶表面可使温度下降 50 至 60 度,并将冷却能耗降低 40%

  •         大多数城市地区至少有 20% 的土地被屋顶所覆盖

  •         传统屋顶材料会吸收 85% 到 95% 的太阳热量

  •         结合高反射性表面与快速冷却的金属基底的冷屋顶材料所吸收的太阳热量要少 30%,并可实现高达 90% 的热发射率

  •         安装冷屋顶后,每 1000 平方英尺的屋顶空间平均每年可节省 20 到 50 美元,视气候而定

  •         威士伯预计,如果全国上下采用冷屋顶,每年可节省 10 亿美元。

     

     Brian Barth