气凝胶反射隔热涂层应用在外墙保温的热工计算

1、 引言

传统的保温材料，主要采用导热系数低的隔热骨料，如膨胀珍珠岩、矿岩棉等，结合无机、有机粘结剂及其他助剂制成，此外，聚苯板、挤塑板等有机保温板材也在保温市场占据较大的比例，以上传统保温材料存在不环保、易燃等缺点。气凝胶反射隔热涂层是近年来出现的新型保温隔热材料，所述气凝胶反射涂层是指以气凝胶、玻璃微珠为功能填料、辅以合适的基料和助剂，有反射隔热能力的涂层，具有隔热效果好、涂层薄、环保节能、安全防火等优点。除了作为墙体保温使用外，气凝胶涂层还可应用在管道保温等方面。

2、保温隔热机理

气凝胶反射隔热涂层的主要功能填料是气凝胶，气凝胶是以纳米量级颗粒相互聚集构成纳米多孔网络结构的轻质固态材料，内部网络结构充满气体，具有超低导热系数（0.02W/m·K左右）、低密度、高孔隙率等特性。反射隔热涂层的另外一种功能填料是空心玻璃微珠，空心玻璃微珠是由钠硼硅酸盐经特殊工艺制成的薄壁、封闭的微小球体，球体内部包裹一定量的气体，也具有低导热系数、低密度等优点。故，从热传导角度来说，由气凝胶和空心玻璃微珠为填料的隔热涂层具有很低的导热系数，科昂纳米的气凝胶反射涂层导热系数为0.035~0.04W/m·K（远小于国家建筑保温隔热材料标准导热系数λ≤0.23W/m·K）。玻璃微珠的特殊结构和玻璃材质可以对太阳光中能量很高的可见光和近红外光实现多次反射，同时玻璃微珠的粒径与可见光（380-760nm）及近红外光（760-2500nm）的波长在同一数量级，可以实现最大程度的反射，此外，材料中添加的基料等也具有高反射率，通常要求反射涂层的太阳光反射比大于0.8。综合以上热传导及热反射因素，气凝胶反射隔热涂层既具有很低的导热系数，又具有很高的太阳光和近红外光反射能力，所以该涂层是具有以热传导为保温隔热机理和以红外光反射为隔热机理的双重保温隔热机理。

3、热工计算

目前针对气凝胶保温涂层没有正式现行的国标或行业标准，关于气凝胶反射隔热材料会参考反射隔热涂料的国标《GB/T 25261-2018 建筑用反射隔热涂料》、行业标准《JGJ/T 359-2015建筑反射隔热涂料应用技术规程》等。现行建筑节能设计标准中对外墙及屋面的热阻指标进行要求，为便于节能计算，建筑反射隔热涂层的热工计算引入等效热阻的概念。

等效热阻是指建筑物的外墙和屋面使用建筑反射隔热涂层时，与相同条件下采用太阳辐射吸收系数为0.7的普通涂层相比等效增加的热阻。实施气凝胶反射隔热涂层后，由涂层产生的热阻包括两部分：一是涂层热传导产生的实际热阻（即与涂层导热系数和厚度相关的实际热阻），二是由涂层光反射产生的等效热阻。

采用气凝胶反射隔热涂层的围护结构总热阻如公式（1）所示：

式中：

Rtotal为围护结构总热阻，m2·K/W；

Rin为内表面传热热阻，m2·K/W；

Rout为外表面传热热阻，m2·K/W；

∑Ri为围护结构各层结构的实际热阻之和，m2·K/W；

Req为气凝胶反射隔热涂层的等效热阻，m2·K/W。

通常，内、外表面传热热阻可取定值；∑Ri与围护结构各层结构的导热系数λi和厚度δi相关，气凝胶反射涂层的等效热阻Req与气候分区、未使用建筑反射涂层的传热系数K、反射涂层污染修正后的太阳辐射吸收系数ρc等参数相关,其中污染修正后的太阳辐射吸收系数计算如公式（2）~（4）：

式中：

ρ是污染前太阳辐射吸收系数；

γ是污染前涂层饰面实验室检测的太阳光反射比；

a是污染修正系数；

ρc是污染修正后的太阳辐射吸收系数。

根据文献及标准调研，等效热阻的详细计算主要有年耗电指数法和综合温度法。其中年耗电指数法的等效热阻由传热系数折减系数推算得到，如公式（5），具体计算是采用Dest或DOE全年动态模拟软件，计算典型建筑能耗随外墙传热系数K和外墙表面吸收率α变化的关系并进行拟合计算，确定能耗与传热系数、太阳辐射吸收系数的变化，即可求出在能耗不变的情况下太阳辐射吸收系数变化量与传热系数变化量之间的等价关系，即得到了传热系数折减系数，具体计算参考行业标准《JGJ/T 359-2015建筑反射隔热涂料应用技术规程》。

式中：

Cd是外墙或屋面使用建筑反射隔热涂料的传热系数折减系数；

R0是外墙或屋面未使用建筑反射隔热涂料的传热热阻，m2·K/W。

本案例计算的等效热阻引用行业标准《JGJ/T 359-2015》年耗电指数法得到的结果，以夏热冬暖地区为例，采用科昂纳米的气凝胶反射隔热浆料产品的特性参数：导热系数0.035W/m·K，污染前太阳光反射比0.85（经计算，污染修正后太阳辐射吸收系数为0.32），薄涂0.5mm，计算采用气凝胶反射隔热涂层的围护结构外墙总热阻如表1，得到夏热冬暖地区典型围护结构的外墙总热阻为1.3253 m2·K/W。

同样条件下，计算传统岩棉保温方案的外墙传热热阻，如表2所示，要达到与0.5mm厚的气凝胶反射隔热涂层接近的保温效果，岩棉厚度至少需要35mm。

4、总结

气凝胶反射隔热浆料由于其优异的保温隔热、涂层轻薄、防火安全等性能，成为一种新型热门的保温隔热材料。气凝胶保温隔热涂层具有以热传导为保温隔热机理和以红外光反射为隔热机理的双重保温隔热机理。本案例计算中，采用科昂纳米的气凝胶反射隔热涂层后（厚度0.5mm），围护结构外墙总热阻与未采用保温材料的基层墙体总热阻相比，总热阻增加了89%，并且传统岩棉要达到与0.5mm气凝胶反射涂层相同的保温效果，岩棉厚度至少需要35mm。