王寬 方宏偉 錢增志 周大興 章文杰

(1.中鐵建設集團有限公司，北京 100040；2.南京理工大學能源與動力工程學院，江蘇 南京 210000；3.博鰲零碳研究院，海南 瓊海 571400)

近期，《建筑設計防火規(guī)范》2020修訂版、北京2020版《居住建筑節(jié)能設計標準》(新80節(jié)能標準)、上?！瓣P于禁用部分外墻外保溫材料或構造的通知”《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》等新的防火、節(jié)能標準或法規(guī)相繼發(fā)布，對外墻保溫的性能參數(shù)、建筑設計和施工難度、防脫落措施可靠性等均提出了更高的要求，亟須研究新型絕熱材料和保溫構造。

自20世紀90年代NASA在太空飛行器上應用反射隔熱涂料(Therma-Cover)以來，這種先進材料逐步在建筑領域得到了成功應用。我國自1992年在石油儲罐、航空航天、工業(yè)管道和民用建筑領域陸續(xù)研發(fā)出了數(shù)十種成功量產(chǎn)并進行較大規(guī)模工程應用的反射隔熱涂料。在民建領域，我國在2002年研發(fā)的建筑用反射隔熱涂料導熱系數(shù)達到0.030W/m·K，反射率0.89，當時成本約為32元/kg。北京某大學在2003年將研制的J332涂料投入了工程應用。反射隔熱涂料經(jīng)過多年推廣后，大規(guī)模的應用主要在石油化工領域。在建筑領域，由于成本因素，以及基層處理、施工環(huán)境、施工技術等技術因素，并未形成規(guī)模[1]。

1 傳熱原理

熱能是物質內(nèi)部的各種微觀粒子不規(guī)則運動的宏觀統(tǒng)計學表現(xiàn)，表征了粒子運動愈劇烈程度。在納米級的微觀層面，除了傳統(tǒng)的傳導、輻射和對流還有一種通過“量子波動”(quantum fluctuations)傳遞熱能的全新方式。歸結以上四種熱能傳遞的方式，我們可以將熱能的傳遞看做是微觀粒子運動動能的傳遞，保溫絕熱的本質就是采取各種措施減弱這種微觀粒子動能傳遞。

“量子波動”傳熱的新機制的發(fā)現(xiàn)為納米級的熱量管理打開了前所未有的機遇。因此，在氣凝膠保溫涂料相關的納米級的傳熱機理研究當中，“量子波動”不建議忽視[2]。

2 性能提升的措施

從以上4種傳熱方式的表達式可知，在建筑圍護結構節(jié)能領域，為了減少傳熱，提升保溫效果，除了常規(guī)的增加保溫厚度L之外，經(jīng)常采取的方法包括減小傳熱溫差ΔT，降低導熱系數(shù)λ，降低發(fā)射率ε(提高反射率)，降低表面溫度。目前各類型的保溫隔熱材料和構造的改進都是為了實現(xiàn)上述目的而進行。

對于建筑反射隔熱涂料(以下簡稱反射隔熱涂料)而言，為在同樣厚度的情況下，最大限度提升其保溫隔熱效果，也無外乎從以上4種傳熱方式入手采用以下4種措施對傳熱進行削弱：1)降低傳熱溫差ΔT；2)降低導熱系數(shù)λ；3)降低對流換熱系數(shù)h；4)提高反射率ρ。

為厘清在圍護結構節(jié)能保溫研究當中的思路，對以上4種方式再逐一進行分析。

1)降低傳熱溫差ΔT：主要措施包括提升室內(nèi)夏季空調溫度，降低室內(nèi)冬季采暖溫度，以及降低圍護結構表面溫度及附壁氣流溫度。圍護結構表面溫度及附壁氣流溫度主要受室外溫度、太陽輻射及表面反射、室外風速和對流換熱強度影響，改變圍護結構表面的反射系數(shù)和對流換熱強度也是改變傳熱溫差的有效措施。

2)降低導熱系數(shù)λ：建筑材料最重要的熱濕物性參數(shù)之一，是物質導熱能力的量度。國際上獲得廣泛認可的研究給出了數(shù)十種建筑保溫材料的導熱系數(shù)，其中排名前三名的是真空絕熱板(嚴格上說應該是一種保溫構造，λ約為0.008W/m·K)，氣凝膠保溫材料(λ約可達0.012W/m·K)，以及發(fā)泡聚氨酯(λ約可達0.024W/m·K)。在實踐中，上述3種材料經(jīng)常需要進行組合應用。進一步降低材料的導熱系數(shù)需要研制性能超越以上三種保溫材料的新型材料，顯然是非常困難的。因此，可以認為目前可用的建筑保溫材料導熱系數(shù)的“天花板”為真空絕熱板的0.008W/m·K，現(xiàn)有成熟的技術無法提供建筑保溫邊界條件下導熱系數(shù)更優(yōu)的保溫材料。由于反射隔熱涂料涂覆厚度只有幾毫米，因此其在導熱熱阻方面的貢獻比較有限[3]。

3)降低對流換熱系數(shù)(h)：影響空氣與建筑物外立面對流換熱系數(shù)的因素主要有室外風速、建筑物外表面的幾何形狀等。一般而言，風速越高、建筑物外表面的粗糙度越高，對流換熱系數(shù)越大?？諝庾匀粚α鲹Q熱系數(shù)為5～25W/(m2·K)，當室外風速較高時，空氣與建筑物外立面的對流換熱系數(shù)可達30W/(m2·K)以上。可見，對流換熱系數(shù)對于建筑外圍護結構與室外空氣的換熱影響較大，且受室外風速的影響存在不確定性。冬季室外的季節(jié)性高風速，是眾多建筑的山墻在滿足保溫要求的情況下在冬季熱損失仍較大的原因[4]。

在工程實踐當中，可以進行室外風環(huán)境模擬以優(yōu)化室外風場或者改變建筑物外立面粗糙度，從而優(yōu)化室外對流換熱量。

4)改善反射率ρ：優(yōu)化發(fā)射率ε和反射率ρ，可顯著改善建筑保溫材料對太陽輻射能的反射能力，以及建筑物向室外輻射熱量的能力，是反射隔熱涂料體現(xiàn)隔熱性能優(yōu)勢的關鍵所在。目前主要采用金紅石型二氧化鈦提升商業(yè)化的白色太陽熱反射降溫涂料的太陽反射率，太陽反射率可達到0.92～0.93。并且，通過改善涂料的紅外輻射特性，在供冷季的夜晚或太陽輻射不強的時間段，涂料表面溫度會低于周邊環(huán)境溫度；當反射率在0.94以上時，由于反射對周邊空氣的加熱作用，在供冷季的部分時段涂料表面的溫度將低于周邊環(huán)境溫度[5]。

反射隔熱涂料的核心性能在于在夏季降低太陽輻射和其他紅外輻射導致的建筑得熱，在冬季降低建筑物的釋熱。有研究表明，反射隔熱涂料對于冬季建筑物外墻釋熱的削減作用在2%以下，進一步考慮外窗的散熱后，可認為反射隔熱涂料用于外保溫時，對于寒冷和嚴寒地區(qū)冬季采暖總能耗的削減作用非常有限。湖南大學的實驗顯示，外墻表面的發(fā)射率對外墻熱流密度的影響遠低于內(nèi)外表面溫差。

以上從4種傳熱方式入手給出了提升反射隔熱涂料性能的4種措施。目前，在降低涂料和導熱系數(shù)和提升反射率方面已有大量的研究成果，也有很多研究關注了降低傳熱溫差的重要性，但對于降低對流換熱系數(shù)的研究相對較少，對于建筑圍護結構對流換熱系數(shù)的研究需要在研發(fā)、設計、測試等各個環(huán)節(jié)引起重視。同時，在建筑隔熱保溫材料和構造的研究當中，以上4種措施通常需要綜合采用，在反射隔熱涂料的研究中也是如此[6]。

要提升反射隔熱涂料的性能，需從以上4種傳熱方式入手，并結合成本、壽命和施工的便捷性等應用性因素綜合權衡，達到綜合性能參數(shù)最佳。這種需要綜合權衡多種技術經(jīng)濟因素進行決策的問題在工程行業(yè)中還有很多，可通過改進型ADC方法、層次分析法AHP等進行量化分析決策。在對于初投資成本非常敏感，并且決策主體非常分散(每一個開發(fā)商甚至每一位建筑設計師都有可能成為決策主體)的建筑工程領域，這種分析的進行以及分析結果的應用顯然是存在難度的。因此，需要緊密結合應用實踐對反射隔熱涂料的研究和應用進行探討[7-8]。

3 應用情況

自2002～2022年，國內(nèi)相繼出版發(fā)行了較多的各類標準、規(guī)范或圖集，如2007年發(fā)布第一版的《建筑外表面用熱反射隔熱涂料》(JC/T 1040—2007(2020))、《反射隔熱涂料應用技術規(guī)程》(JGJ/T 359—2015)等行業(yè)標準，2009年開始施行的《GY反射隔熱涂料外墻保溫系統(tǒng)建筑構造》(09J01)等地方標準圖集以及《建筑用真空陶瓷微珠絕熱系統(tǒng)應用技術規(guī)程》(T/CECE 530—2018)、《氣凝膠厚型絕熱涂料系統(tǒng)》(T/CECS 10126—2021)、《氣凝膠厚型絕熱涂料系統(tǒng)應用技術規(guī)程》(T/CECS 835—2021)等其他團體或地方標準，為反射隔熱涂料的應用提供了法規(guī)基礎和設計、施工及驗收依據(jù)。

近年來，由于建筑節(jié)能標準提高、“雙碳”目標提出、保溫材料防火和防脫落要求提高以及材料制備技術發(fā)展等因素，反射隔熱涂料再次得到了比較廣泛的關注。有大量企業(yè)相繼投入到反射隔熱涂料的引進、研發(fā)和推廣當中。某公司引進的美國航天涂料采用0.3mm厚的涂層在指定測試條件下宣稱熱阻可達0.66m2·K/W，采用“等效熱阻”折算導熱系數(shù)比常規(guī)保溫材料優(yōu)化了2個數(shù)量級。面對如此優(yōu)異的性能前景和特定工況下可靠的實驗數(shù)據(jù)，國內(nèi)多家企業(yè)聯(lián)合高校進行同類反射隔熱涂料的開發(fā)并獲得了類似性能的產(chǎn)品，多省份等地方發(fā)布了相應的地方標準，相關標準中給出的反射隔熱涂料的導熱系數(shù)也采用“等效熱阻”計算，個別地方團標直接注明“氣凝膠絕熱涂料”的導熱系數(shù)不大于0.004W/m·K，超過了真空絕熱板的性能，這顯然是難以實現(xiàn)的。因此，基于反射隔熱涂料“等效熱阻”的概念編制的標準、進行的工程設計和建造，在節(jié)能驗收或者后續(xù)的實踐檢驗中，遇到了較大的困難。目前，各地已經(jīng)逐步暫停在建筑中單獨應用反射隔熱涂料作為保溫隔熱層。

業(yè)內(nèi)普遍認為過度追求較高的太陽輻射反射比或導熱系數(shù)易于導致涂料的力學性能、耐候性和施工性下降?！稓饽z厚型絕熱涂料系統(tǒng)》標準中，導熱系數(shù)要求≤0.044W/m·K(25℃)，太陽光反射比≥0.85，這樣的“實用型”參數(shù)要求為建筑反射隔熱涂料在今后的研究和應用提供了寶貴借鑒。

4 討論

由以上分析可見，航天反射隔熱涂料起源于20世紀90年代的美國航空航天領域，由于其優(yōu)異的性能，在航空航天和工業(yè)領域得到了廣泛而成功的應用。而在建筑領域，反射隔熱涂料從在國外首次應用到民用建筑上雖然已有30余年的時間，國外和國內(nèi)已歷經(jīng)多次研究和應用高潮，但始終沒有在除鋼結構(或其他金屬結構)建筑以外的民用建筑中得到大規(guī)模成功應用。

結合文獻和實際調研以及工程應用經(jīng)驗，我們認為造成這種情況的原因主要有3個方面。

1)成本高。建筑反射隔熱涂料初投資和維護成本均較高。在初投資方面，原材料成本、施工涂刷成本均較高。相較傳統(tǒng)裝飾涂料而言，反射隔熱涂料內(nèi)添加的提升熱阻的氣凝膠、?；蛱沾晌⒅榈纫约疤嵘瓷渎实腟iO2、TiO2等組分成本相對較高，導致總的原材料成本高。此外，反射隔熱涂料的熱工性能和力學性能以及綜合成本之間存在“三向蹺蹺板”效應，為追求良好的熱工性能，反射隔熱涂料力學性能(一定程度上也可表征耐久性能)、耐久性能相較普通裝飾涂料不可避免的有明顯劣化，對分層噴涂工藝、基層處理和維護保養(yǎng)(擦拭污物和灰塵、修補甚至重新涂刷)均有著較高的要求，導致在需確保保溫性能的情況下維護成本較高。并且，投資高昂的、對成本并不敏感的超高層或大型公共建筑，卻經(jīng)常選用同樣具有良好紅外反射性能和可見光透射的鍍膜玻璃作為建筑立面材料，可應用反射隔熱涂料的不透光的外墻使用比例較低。

2)無法實現(xiàn)豐富的立面效果。建筑工程的立面效果無疑是投資決策者和建筑師需優(yōu)先考慮的問題，每年國外和國內(nèi)都有大量投資用于打造富于美感和良好寓意的建筑外觀，這方面的投資一般遠遠超過建筑用于保溫隔熱方面的投資。所以，在當前社會價值觀取向下，對于常規(guī)用途建筑而言，良好的保溫隔熱構造應該有助于實現(xiàn)建筑的立面效果，這與航天和工業(yè)領域的重視隔熱效果、外觀樸素的需求完全不同。反射隔熱涂料的反射性能一般需要在建筑的最外表面(對于內(nèi)保溫需在內(nèi)表面)才能良好實現(xiàn)，在色彩和形態(tài)方面又無法提供豐富的立面效果，并且耐久性也明顯不足，嚴重制約了反射隔熱涂料的推廣應用。

3)應用環(huán)境復雜和惡劣。在航空航天和工業(yè)領域反射隔熱涂料涂覆(噴涂或涂刷)的基層一般為經(jīng)過表面處理的光滑的、穩(wěn)定的、較小尺度的單一材料金屬表面。并且，航天涂料的壽命要求不高，在恒溫恒濕、高潔凈度等可控的環(huán)境內(nèi)進行涂覆操作。此外，對于工業(yè)設施而言，經(jīng)常性的涂料檢測修補是比較常規(guī)的操作，涂料表面的觀感并不是很重要。而在建筑領域，反射隔熱涂料所需要適應的基層包括混凝土、砂漿、膩子、墻磚、保溫板等各種材質基層，而且這些基層往往為多層復合結構，且在實施時由于各種外界條件的影響，呈現(xiàn)不同的表面特性。比如，同樣的C30混凝土現(xiàn)澆剪力墻，由于商混配比的微小差異、模板表面處理、濕度等因素，在同一個項目的不同樓棟，在涂覆涂料時混凝土墻面表面都會呈現(xiàn)不同的粗糙度、滲透性等表面特性，導致反射隔熱涂料難以形成普適的、力學性能穩(wěn)定可靠的配方和施工工法，需要涂刷墻面膠界面劑進行界面處理，增加了成本和施工復雜度，易于被應用單位所詬病。同時，建筑施工需面對多變的室外氣候環(huán)境，同一個地區(qū)早、中、晚的溫濕度、風速和太陽輻射都存在極大差異。應用環(huán)境復雜和惡劣導致的工程進度、造價和質量問題容易被歸咎到反射隔熱涂料的性能缺陷，并導致反射隔熱涂料應用的效費比遠低于常規(guī)保溫材料，影響了反射隔熱涂料的行業(yè)認可度。

4)綜合節(jié)能效果有待商榷。在我國有采暖需求的廣大地區(qū)，反射隔熱涂料對太陽輻射的反射作用并不利于建筑物充分利用太陽能，在冬季反而導致了采暖能耗的增加，削弱了反射隔熱涂料綜合節(jié)能效果。西南交大以湖南大學能源實驗室為例實測研究指出，夏熱冬冷區(qū)長沙的單層建筑采用反射隔熱涂料，在空調系統(tǒng)全年自動連續(xù)運行的工況下，全年僅比采用普通保溫系統(tǒng)的建筑物節(jié)能15%左右，如果加入居民行為節(jié)能的因素，這個數(shù)值將會更低。而在冬季更加寒冷，日照時間更長的北方地區(qū)，反射隔熱涂料的綜合節(jié)能效果仍待進一步研究。

5 結論和建議

1)國內(nèi)和國際上具有深厚的反射隔熱涂料的研究和試用基礎，反射隔熱涂料在建筑領域的部分場景具有良好發(fā)展前景。反射隔熱涂料的主要優(yōu)勢在于反射系數(shù)高，輻射換熱熱阻高，因此主要適用于以削弱輻射換熱為主要需求的場景中。

2)建筑反射隔熱涂料目前應用當中，受綜合成本、效費比、立面效果需求、應用環(huán)境復雜和惡劣等因素影響，遇到了比較大的困難。目前，單獨采用反射隔熱涂料的保溫構造，在熱帶、溫帶、寒帶等氣候區(qū)都不具有明顯優(yōu)勢，大規(guī)模推廣的難度較大。

3)在“雙碳”目標下，依托材料科學的新研究成果，未來建筑反射隔熱涂料必將迎來新的更好的發(fā)展機遇。

在今后建筑反射隔熱涂料的研究和應用當中，建議從以下4個方面入手。

1)適合的才是最好的，給出反射隔熱涂料的適用場景。建議有影響力的機構組織制定反射隔熱涂料的應用指南，給出反射隔熱涂料的適用場景。比如，在夏熱冬暖地區(qū)的建筑屋面、夏熱冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)室內(nèi)有余熱的工業(yè)建筑和商業(yè)建筑的屋面為反射隔熱涂料的優(yōu)先適用場景，夏熱冬暖及夏熱冬冷地區(qū)室內(nèi)有余熱的高標準公共建筑的特定朝向的外墻為較優(yōu)先適用場景，采暖季長的寒冷地區(qū)采用地板輻射采暖為主的居住建筑內(nèi)墻面為較優(yōu)先適用場景等。通過行業(yè)引導，將反射隔熱涂料用于其適合的場景，并基于場景特點對涂料的耐久性等問題從配方和維護等多方面加以改良，將有利于在高效費比的前提下，發(fā)揮反射隔熱涂料的優(yōu)良性能。

2)反射隔熱涂料與常規(guī)保溫材料結合，成為適用性更廣的復合保溫隔熱構造。在建筑工程領域，絕大多數(shù)的保溫隔熱構造都是復合式構造。在反射隔熱涂料的應用中，可根據(jù)其性能特點，基于能耗仿真計算，因地制宜，在調整其性能的基礎上，將其與真空絕熱板等其他保溫隔熱材料結合，實現(xiàn)性能互補，達到綜合性能最優(yōu)。目前國內(nèi)多家廠商已開發(fā)出了適用于多種場景的，使用了反射隔熱涂料的復合保溫隔熱構造。

3)改善應用環(huán)境。在非裝配式建筑領域，將基層進行良好處理、改善施工環(huán)境，以適應反射隔熱涂料的應用，難免削足適履之嫌。而在裝配式建筑領域，在工廠內(nèi)可控的、優(yōu)化的作業(yè)環(huán)境內(nèi)，將反射隔熱涂料涂覆在表面處理良好的裝配式外墻和屋面構件或部品上(或者裝配式裝修乃至裝配式機電產(chǎn)品或部品上)，相較在工地現(xiàn)場涂覆，可顯著提高涂覆作業(yè)的工效和質量。涂覆完成的構件或部品做好成品保護，再運送到現(xiàn)場進行安裝。當前，我國正在大力推廣裝配式建筑技術，通過采用裝配式建筑技術體系，改善反射隔熱涂料的應用環(huán)境，在未來應是反射隔熱涂料行業(yè)的重點發(fā)力方向。

4)提出新的可維護性和耐久性提升措施。以反射輻射為主要目的的反射隔熱涂料的研究可以借鑒以吸收輻射為主的光伏板的研究。有研究表明，光伏板表面的積塵可顯著削弱光伏板吸收的輻射能量。在建筑應用場景下，雨打風吹、霧霾籠罩等因素易使得反射隔熱涂料的表面被各類灰塵所污染，而灰塵將吸收太陽輻射能和反射隔熱涂料反射的太陽輻射的能量，導致表面溫度升高，嚴重劣化反射隔熱涂料構造的反射性能。此外，多變的氣候環(huán)境也對反射隔熱涂料的耐久性提出了挑戰(zhàn)。因此，需結合各類建筑物特點，借鑒非常成熟的光伏板的構造以及可維護性和耐久性提升措施，針對反射隔熱涂料提出新的可維護性和耐久性提升措施，相關研究已在進行中。