ipcm® n. 4, Vol I, 2010, p. 50 - 55 “IR - Reflective Coatings for Saving Energy: Principles and Experiences” “Vernici riflettenti IR per risparmio energetico: principi ed esperienze” Author: Ezio Pedroni, Salchi Metalcoat Srl
IR - REFLECTIVE COATINGS FOR SAVING ENERGY: PRINCIPLES AND EXPERIENCES Vernici riflettenti IR per risparmio energetico: principi ed esperienze Ezio Pedroni, Salchi Metalcoat Srl, Burago Molgora (Mb), Italy
Introduction When solar radiation hits the covering of a building it is partly reflected and partly absorbed and transformed into heat. The absorbed energy is then partially emitted at night and partly transmitted inside the building. Everyone knows that the IR component of the solar radiation is the main reason for the heating of irradiated surfaces (figs. 1 and 2). As a result of this, in areas where there is a lot of solar radiation, a great deal of energy is consumed for air-conditioning in homes and offices. The greater or lesser reflectance in the IR region of coloured surfaces illuminated by the sun will determine less or, respectively, more heating. It is easy to understand how important it is, in order to save energy, to use outdoor coatings that, also in dark colours like dark brown or a Siena red, which are normally used for roofs, can effectively reflect the IR radiation, thereby reducing the surface temperature. 1
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Premessa Quando la radiazione solare colpisce la copertura di una costruzione, essa viene in parte riflessa ed in parte assorbita e trasformata in calore. L’energia assorbita viene poi parzialmente riemessa di notte e parzialmente trasmessa all’interno della costruzione. E’ noto a tutti che la componente IR della radiazione solare è la principale responsabile del riscaldamento delle superfici irraggiate ( figg. 1 e 2). Come conseguenza di ciò, in aree a forte irraggiamento solare, si determina un elevato consumo energetico per il condizionamento di abitazioni ed uffici. La maggiore o minore riflettanza nella regione dell’IR di superfici colorate illuminate dal sole ne determinerà un minore o, rispettivamente, maggiore riscaldamento. Si può allora facilmente comprendere come sia importante, ai fini del risparmio energetico, disporre di vernici per esterno che, anche in tonalità scure, come un testa di moro ( TDM ) o un rosso Siena normalmente usati per tetti, possano riflettere efficacemente le radiazioni IR, limitando così la temperatura superficiale. 2
INNOVATIONS: PRESENT&FUTURE
INTRODUZIONE
INTRODUCTION
The progress made in the study of pigments has allowed a wide range of products to be developed, in general complex metallic oxides that, in addition to having a high degree of weather resistance, to UV radiation and a reflectance in the visible region typical of their colour, also possess a high degree of reflectance in the IR region, decidedly higher than similar traditional pigments of an identical colour. We should remember, incidentally, that reflectance is that part of the incident radiation of every wavelength that is reflected from the irradiated surface. It can therefore have values that range from 0 to 1. The measurement of the capacity to reflect all the wavelengths of the solar radiation is called Total Solar Reflectance (TSR). All of this means that these pigments are ideal candidates for the production of precoated pieces for outdoor use to make roofing that, because of their high TSR, are called “cold roofs”.
Lo sviluppo dello studio dei pigmenti ha consentito di realizzare un’ampia gamma di prodotti, in genere ossidi metallici complessi che, oltre ad avere un’elevata resistenza agli agenti atmosferici, alla radiazione UV e una riflettanza nella regione del visibile tipica del loro colore, possiedono anche un’elevata riflettanza nella regione dell’IR, decisamente superiore a quella di analoghi pigmenti tradizionali di identico colore. Ricordo, per inciso, che la riflettanza rappresenta la quota parte della radiazione incidente di ogni lunghezza d’onda che viene riflessa dalla superficie irraggiata. Essa può assumere quindi valori che vanno da 0 a 1. La misura della capacità di riflettere tutte le lunghezze d’onda della radiazione solare viene chiamata Riflettanza Solare Totale (RST). Questi pigmenti sono candidati ideali per la produzione di preverniciati per esterno destinati alla realizzazione di coperture che, per la loro elevata RST, vengono chiamate “tetti freddi“. ESPERIENZE E VANTAGGI
EXPERIENCES AND ADVANTAGES
To check the effectiveness of the previous hypothesis, lab tests were carried out on panels pre-coated with a dark brown colour, some made with traditional coatings and others with coatings with a high degree of IR reflectance. The panels were placed, at an equal distance, in front of a source of IR rays and the temperature reached was taken using a thermocouple put in contact with the rear surface of the panels. The difference in the temperature taken in the two cases is shown in the following table: Dark brown with traditional pigments TDM con pigmentazione convenzionale Dark brown with IR-reflective pigments TDM con pigmentazione riflettente IR Difference of temperature Differenze di temperatura
Table 1 - Temperature difference between Al panels coated with traditional dark brown enamel and IR-reflective.
Per verificare l’efficacia dell’ipotesi precedente, sono state eseguite prove di laboratorio su pannelli di preverniciato colore testa di moro, realizzati alcuni con vernici tradizionali ed altri con vernici ad elevata riflettanza IR. I pannelli sono stati posti, ad uguale distanza, di fronte ad una sorgente di raggi IR e ne è stata rilevata la temperatura raggiunta mediante una termocoppia posta a contatto della superficie posteriore dei pannelli. La differenza della temperatura rilevata nei due casi è indicata nella tabella: Comparison among temperatures Temperature raggiunte a confronto 50°C
62°C
74°C
84°C
36°C
46°C
58°C
66°C
- 14°C
- 16°C
- 16°C
- 18°C
Tab. 1 - Differenze di temperature fra pannelli di Al verniciato con smalto TDM tradizionale e riflettente IR.
IR-reflective paint FOR SAVING ENERGY: AND EXPERIENCES Vernici riflettenti IR per risparmio energetico: principi ed esperienze In the USA, in addition to carrying out checks of this type, a more pragmatic approach is followed, with the construction of identical pairs of residential modules in various zones of the country, with roofs made with conventional pre-coated material and respectively with pre-coated material of the same colour but with a higher TSR. Later the energy consumption in a certain period of the year was assessed for both cases. The differences that were measured were not homogeneous in all cases, but taking into account the diverse climatic conditions of the various areas (mainly for cooling in the south of the country and for heating in the north), it was seen that the buildings with higher TSR roofs have a positive energy balance with obviously greater energy savings in hot areas. These experiences led to the formulation of an empirical law (and therefore approximate) according to which: • for each 1% increase in the RST of the roof, the temperature falls by about 1°F (about 0.6 °C); • for each 10% increase in the TSR of the roof, the amount of the annual heating and air-conditioning costs falls, in the hot areas, by about 0.02 $ / ft2 (about 0.22$ / m2). If we consider that the cost of energy in the USA is less than in Italy and that the cost of energy from 2006 (the period to which the data refers) until today has not fallen, the economic benefit up to today, and for Italy in particular, is also greater. The results obtained from the field were so persuasive in the USA that the EPA (the Environmental Protection Agency) instituted federal incentives for buildings whose roofs reach the TSR values indicated in the following table:
PRINCIPLES
Negli USA , oltre ad eseguire verifiche di questo tipo, si è seguito un approccio più pragmatico, con la costruzione di coppie di moduli abitativi identici in varie zone del paese, con tetti realizzati con preverniciato convenzionale e rispettivamente con preverniciato dello stesso colore ma con RST più elevata. E’ stata successivamente valutata nei due casi l’entità del consumo energetico su un periodo di un anno. Le differenze misurate non sono state omogenee in tutti i casi, ma pur tenendo conto delle diverse condizioni climatiche delle varie aree (a prevalente carico energetico per raffreddamento al sud del paese e per riscaldamento al nord), si è visto che le costruzioni con tetti a maggior RST hanno comunque un bilancio energetico positivo con risparmi ovviamente maggiori nelle aree calde. Le esperienze raccolte hanno portato a formulare una legge empirica (quindi approssimata) secondo cui: • per ogni 1% di aumento della RST del tetto, la temperatura diminuisce di ca. 1°F (ca. 0,6°C); • per ogni 10% di aumento della RST del tetto, l’ammontare dei costi annuali di riscaldamento e di condizionamento diminuisce, nelle zone calde, di ca. 0,02 $ / ft2 (ca. 0,22$ / m2). Se consideriamo che il costo dell’energia negli USA è minore che in Italia e che il costo dell’energia dal 2006 (periodo cui si riferiscono questi dati) ad oggi non è diminuito, il vantaggio economico ad oggi, e per l’Italia in particolare, risulta anche superiore. I risultati ottenuti sul campo sono stati ritenuti talmente convincenti negli USA che l’EPA (Agenzia per la Protezione dell’Ambiente) ha istituito degli incentivi federali per le costruzioni i cui tetti raggiungono i valori di RST indicati nella seguente tabella:
Roof Pendenza del tetto
RTD min. Initial RST min. Iniziale
RTD min. after 3 years RST min. dopo 3 anni
Low/Bassa ( 2/12 )
0,65
0,50
High/Alta ( > 2/12 )
0,25
0,15
Table 2 - Conditions for certification like “Energy Star” according to the EPA
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Tab. 2 - Condizioni per l’omologazione come “Energy Star“ secondo l’EPA
INNOVATIONS: PRESENT&FUTURE
The coatings that meet these characteristics are approved as “Energy Star”. The State of California has passed a law (called “Title 24”) which establishes the levels of energy efficiency that buildings in the 16 areas into which the region is divided have to reach. One of the ways to reach these levels is to follow the prescriptions (recommendations that are not compulsory) provided by the legislation. As far as roofs are concerned, these provide for insulation with thermal resistance values of R = 11 or R = 19 (°F.hr.ft2/Btu) according to the areas and, in all the cases, an initial minimum TSR of 0.70 and a minimum emittance of 0.75. The emittance represents the capacity of a surface to dissipate at night the heat accumulated during the day, and is represented by a number that goes from 0 to 1, and so the more the emittance gets closer to 1, the more the coated surface is capable of rapidly dissipating the heat. To the correct observation that if a roof coated in this way reduces air-conditioning costs but increases heating costs during winter, we can reply that this is true but that, while the saving during summer months is quite substantial, the biggest cost during winter is negligible because in particularly cold climates there are long periods when the roofs are covered in snow and therefore the colour of the coating is irrelevant because the roof is inevitably white, and also because the sun’s rays in winter are more at an angle than in summer and therefore heat the surface of the roof less. In any event it is useful in prevalently cold climates to choose medium colours.
Le vernici che rispondono a queste caratteristiche vengono omologate come “Energy Star”. Lo Stato della California ha emanato una legge ( denominata “Title 24”) nella quale si stabiliscono i livelli di efficienza energetica che devono raggiungere gli edifici nelle 16 aree in cui è stata suddivisa la regione. Per raggiungere tali livelli, uno dei modi è quello di seguire le prescrizioni (raccomandazioni non obbligatorie) previste dalla norma. Queste, per quanto concerne i tetti, prevedono isolamenti con valori di resistenza termica R = 11 o R = 19 (°F.hr.ft2/ Btu) secondo le aree e, in tutti i casi, una RST iniziale minima di 0,70 ed un’emittanza minima di 0,75. L’emittanza rappresenta la capacità di una superficie di dissipare di notte il calore accumulato durante il giorno, è rappresentata da un numero che va da 0 a 1 e pertanto quanto più l’emittanza si avvicina ad 1 tanto più la superficie verniciata è in grado dissipare rapidamente il calore. Alla giusta osservazione secondo cui se un tetto così verniciato riduce i costi di condizionamento ma fa aumentare quelli di riscaldamento durante l’inverno, si risponde che questo è vero ma che, mentre il risparmio durante i mesi estivi è sensibile, il maggior costo durante l’inverno è di entità trascurabile sia perché in climi particolarmente freddi ci sono lunghi periodi in cui i tetti sono ricoperti di neve e quindi il colore della vernice è ininfluente essendo il tetto inevitabilmente bianco, sia perché i raggi del sole in inverno sono più inclinati che in estate rispetto alla verticale e pertanto riscaldano meno la superficie del tetto. E’ comunque utile, in climi prevalentemente freddi scegliere colori medi.
Types of coatings The type of polymer making up the coating is not a factor that should be overlooked for the following reasons: • the coating has to have a high degree of resistance to the outdoors with the lowest possible levels of degradation (chalking) and colour variation, because these phenomena reduce the TSR over the years, with a consequent reduction in energy efficiency and consequent savings. • Chemically diverse films have significant differences in the TSR values.
Tipologie di vernici Il tipo di polimero costituente il film di vernice non è un fattore trascurabile per le seguenti ragioni: • la vernice deve avere un’elevata resistenza all’esterno con livelli di degradazione (sfarinamento) e di variazione di colore i più contenuti possibile perché questi fenomeni vanno a ridurre la RST negli anni con conseguente riduzione dell’efficienza energetica e del conseguente risparmio. • Film chimicamente diversi hanno differenze significative nei valori di RST Sulla base di queste
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IR-reflective paint FOR SAVING ENERGY: AND EXPERIENCES Vernici riflettenti IR per risparmio energetico: principi ed esperienze On the basis of these considerations the enamels that best lend themselves to the purpose of creating cold roofs are those that are PVDF 70/30 based: - they have higher TSR values than other types of products (for example, a white PVDF 70/30 has a TSR of about 4 points higher than a polyester of the same colour). - They last longer than other types of products that are commonly used for outdoor applications in the building industry, so they keep their initial characteristics unchanged longer than other types of polymers (there are records that show the almost absolute constancy over the years of the TSR values for any colour made with PVDF). - They are products with low dirt pick-up properties (dirt turns the colours grey and reduces the TSR of the medium and light colours, in this way facilitating the heating of the surfaces). - Taking into account the higher cost of some high IR IR-reflective pigments, the impact of these on the cost of the coating is less on PVDF than on other types of products. For these reasons in the USA they use almost exclusively this type of coating for cold roofs. It is worthwhile also to point out that some colours, by their very nature, do not cover perfectly at the thicknesses usually applied in the coli-coating process and therefore their TSR can be influenced both by their thickness as well as by the colour of the underlying primer/support: for these reasons, therefore, white primers are preferred. As far as the metallic support is concerned, we need to take into account the fact that those that cover less are the enamel and the primer (visually and in the IR range) and the darker the base metal the more sensitive the applications will be to the thickness changes of the cycle. For example, applying 20 microns of white enamel on three different types of support (HDG, ZnAl and Al), differences in the TSR of up to 0.04 were measured, with the TSR of the Al > ZnAl > HDG. The more we shift towards darker colours, the less these differences are. Other factors that influence the TSR are: • support: Al > ZnAl > HDG • primer: Whites > Yellows • coverage: combo of enamels and primers. From a pure and simple energy savings point of view,
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PRINCIPLES
considerazioni gli smalti che meglio si prestano allo scopo di realizzare i tetti freddi sono quelli a base di PVdF 70/30 perché: - hanno valori di RST superiore ad altre tipologie di prodotti (ad es. un bianco PVdF 70/30 ha una RST di ca. 4 punti superiore ad un Poliestere dello stesso colore). - Hanno una durabilità superiore alle altre tipologie di prodotti comunemente usati per applicazioni per esterno edilizia, per cui riescono a mantenere inalterate più a lungo di altri tipi di polimero le loro caratteristiche iniziali (esistono casistiche che dimostrano la quasi assoluta costanza negli anni dei valori di RST per qualunque colore realizzato in PVdF). - Sono prodotti a bassa presa di sporco (lo sporco ingrigisce i colori e riduce la RST delle tinte medie e chiare favorendo così il riscaldamento delle superfici). - Tenuto conto del maggior costo di alcuni pigmenti ad alta riflettanza nell’IR , l’incidenza di questi sul costo della vernice è minore sui PVdF che su altri tipi di prodotti. Per tali ragioni negli USA, per i “tetti freddi “ si usano quasi esclusivamente vernici di questo tipo. Vale la pena anche di osservare che alcuni colori, per loro natura, non sono perfettamente coprenti agli spessori normalmente applicati nel processo coilcoating e quindi la loro RST può venire influenzata sia dal loro spessore applicato, sia dal colore dell’insieme primer/supporto sottostante: per tali ragioni si preferiscono quindi i primer bianchi. Per quanto riguarda il supporto metallico poi, occorre tener conto del fatto che, meno coprenti sono lo smalto ed il primer (visivamente e nell’IR) e più scuro è il metallo di base, più sensibili saranno le applicazioni ai cambiamenti di spessore del ciclo. Ad es. applicando 20 micron di smalto bianco su tre tipi di supporto differenti (HDG, ZnAl e Al), sono state misurate differenze di RST fino a 0,04 , con RST dell’Al > ZnAl > HDG. Quanto più ci si sposta verso colori scuri tanto minori risultano queste differenze. Altri fattori che influenzano la RST sono: •supporto: Al > ZnAl > HDG • primer: Bianchi > Gialli • coprenza: combinata di smalti e primer. Sotto il profilo del puro e semplice risparmio energetico, trascurando quindi la componente emotiva della scelta del colore, è opportuno notare
INNOVATIONS: PRESENT&FUTURE
and therefore overlooking the expressive component of the colour choice, we state that the lighter a colour is the higher is its TSR. Therefore the lighter the colour of a roof is, the greater will be the energy saving. If, however, you want medium or dark colours, although necessarily obtaining lower TSR values than those of lighter colours, the pigments with a high IR reflectance provide a significant contribution because you can pass from TSR values of 0.05 for a standard black to values of about 0.25 for the same colour in an IR-reflective version.
che più un colore è chiaro e più la sua RST è elevata. Pertanto più chiaro sarà il colore del tetto, maggiore risulterà il risparmio energetico. Se tuttavia si desiderano colori medi o scuri, pur ottenendo necessariamente valori di RST minori di quelli delle tinte chiare, i pigmenti ad elevata riflettanza IR danno un contributo notevole perché si può passare da valori di RST di 0,05 per un nero tradizionale, a valori di circa 0,25 per lo stesso colore in versione riflettente IR.
Conclusions The use of high TSR coatings, obtained thanks to the combination of high IR-reflective pigments with PVDF based coatings has been shown in the USA to effectively contribute to the lowering of energy bills with beneficial effects on the balance sheets of both families and the State. To this we can add the benefits for the environment coming from the reduction in the “heat islands of cities”, which can cause a temperature some 3-4°C higher than the surrounding countryside. As we know, the reduction of the air temperature also brings about the reduction of environmental pollution. As a result of all of this in USA the Federal Government has introduced incentives for the use of such coatings and some States, like California, have introduced legislation that pushes even further for the adoption of this type of solution. In Italy planners and builders perhaps do not know about these types of products, and for this reason they have not been used yet. Nevertheless, attention to the problem of saving energy is growing (see the energy certification for buildings that was recently introduced), as is attention to the environment, given that some Administrations are starting to carry out the recommendations of the EU in terms of public works contracts through the so-called Green Purchasing Procurement. Also for IR reflective coatings, therefore, we can see interesting developments for Italy and Europe because these fully satisfy the requirements for savings and for improving the environment.
Conclusioni L’applicazione di vernici ad elevata RST, ottenute grazie alla combinazione di pigmenti ad alta riflettanza IR con film di vernice a base di PVdF ha dimostrato negli USA di contribuire efficacemente al contenimento della spesa energetica con benefiche ricadute sui bilanci delle famiglie e dello Stato. A questo vanno aggiunti i benefici effetti per l’ambiente dovuti alla riduzione delle “isole di calore sulle città”, che possono determinare una temperatura superiore anche di 3-4°C rispetto a quella delle campagne circostanti. Come è noto la riduzione della temperatura dell’aria determina anche la riduzione dell’inquinamento ambientale. Quanto sopra ha fatto si che negli USA il Governo Federale introducesse degli incentivi per l’impiego di tali vernici e che alcuni Stati come la California introducessero delle leggi che ancor più spingessero all’adozione di questo tipo di soluzione. In Italia progettisti e costruttori forse non sono a conoscenza di questo tipo di prodotti e per questo non sono di fatto ancora impiegati. Tuttavia l’attenzione al problema del contenimento energetico sta crescendo (vedi la certificazione energetica degli edifici di recente introduzione) come pure l’attenzione all’ambiente, visto che alcune Amministrazioni stanno iniziando a dare corso alle raccomandazioni della UE in tema di appalti pubblici, attraverso il cosiddetto “Green Purchasing Procurement”. Anche per le vernici riflettenti IR dunque si prospettano possibili interessanti sviluppi in Italia ed in Europa perché queste rispondono totalmente alle richieste di risparmio e di miglioramento dell’ambiente.
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