建筑反射隔热涂料技术剖析及研究展望

王宽 方宏伟 钱增志 周大兴 章文杰

(1.中铁建设集团有限公司，北京 100040；2.南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京 210000；3.博鳌零碳研究院，海南 琼海 571400)

近期，《建筑设计防火规范》2020修订版、北京2020版《居住建筑节能设计标准》(新80节能标准)、上海“关于禁用部分外墙外保温材料或构造的通知”《建筑节能与可再生能源利用通用规范》等新的防火、节能标准或法规相继发布，对外墙保温的性能参数、建筑设计和施工难度、防脱落措施可靠性等均提出了更高的要求，亟须研究新型绝热材料和保温构造。

自20世纪90年代NASA在太空飞行器上应用反射隔热涂料(Therma-Cover)以来，这种先进材料逐步在建筑领域得到了成功应用。我国自1992年在石油储罐、航空航天、工业管道和民用建筑领域陆续研发出了数十种成功量产并进行较大规模工程应用的反射隔热涂料。在民建领域，我国在2002年研发的建筑用反射隔热涂料导热系数达到0.030W/m·K，反射率0.89，当时成本约为32元/kg。北京某大学在2003年将研制的J332涂料投入了工程应用。反射隔热涂料经过多年推广后，大规模的应用主要在石油化工领域。在建筑领域，由于成本因素，以及基层处理、施工环境、施工技术等技术因素，并未形成规模[1]。

1 传热原理

热能是物质内部的各种微观粒子不规则运动的宏观统计学表现，表征了粒子运动愈剧烈程度。在纳米级的微观层面，除了传统的传导、辐射和对流还有一种通过“量子波动”(quantum fluctuations)传递热能的全新方式。归结以上四种热能传递的方式，我们可以将热能的传递看做是微观粒子运动动能的传递，保温绝热的本质就是采取各种措施减弱这种微观粒子动能传递。

“量子波动”传热的新机制的发现为纳米级的热量管理打开了前所未有的机遇。因此，在气凝胶保温涂料相关的纳米级的传热机理研究当中，“量子波动”不建议忽视[2]。

2 性能提升的措施

从以上4种传热方式的表达式可知，在建筑围护结构节能领域，为了减少传热，提升保温效果，除了常规的增加保温厚度L之外，经常采取的方法包括减小传热温差ΔT，降低导热系数λ，降低发射率ε(提高反射率)，降低表面温度。目前各类型的保温隔热材料和构造的改进都是为了实现上述目的而进行。

对于建筑反射隔热涂料(以下简称反射隔热涂料)而言，为在同样厚度的情况下，最大限度提升其保温隔热效果，也无外乎从以上4种传热方式入手采用以下4种措施对传热进行削弱：1)降低传热温差ΔT；2)降低导热系数λ；3)降低对流换热系数h；4)提高反射率ρ。

为厘清在围护结构节能保温研究当中的思路，对以上4种方式再逐一进行分析。

1)降低传热温差ΔT：主要措施包括提升室内夏季空调温度，降低室内冬季采暖温度，以及降低围护结构表面温度及附壁气流温度。围护结构表面温度及附壁气流温度主要受室外温度、太阳辐射及表面反射、室外风速和对流换热强度影响，改变围护结构表面的反射系数和对流换热强度也是改变传热温差的有效措施。

2)降低导热系数λ：建筑材料最重要的热湿物性参数之一，是物质导热能力的量度。国际上获得广泛认可的研究给出了数十种建筑保温材料的导热系数，其中排名前三名的是真空绝热板(严格上说应该是一种保温构造，λ约为0.008W/m·K)，气凝胶保温材料(λ约可达0.012W/m·K)，以及发泡聚氨酯(λ约可达0.024W/m·K)。在实践中，上述3种材料经常需要进行组合应用。进一步降低材料的导热系数需要研制性能超越以上三种保温材料的新型材料，显然是非常困难的。因此，可以认为目前可用的建筑保温材料导热系数的“天花板”为真空绝热板的0.008W/m·K，现有成熟的技术无法提供建筑保温边界条件下导热系数更优的保温材料。由于反射隔热涂料涂覆厚度只有几毫米，因此其在导热热阻方面的贡献比较有限[3]。

3)降低对流换热系数(h)：影响空气与建筑物外立面对流换热系数的因素主要有室外风速、建筑物外表面的几何形状等。一般而言，风速越高、建筑物外表面的粗糙度越高，对流换热系数越大。空气自然对流换热系数为5～25W/(m2·K)，当室外风速较高时，空气与建筑物外立面的对流换热系数可达30W/(m2·K)以上。可见，对流换热系数对于建筑外围护结构与室外空气的换热影响较大，且受室外风速的影响存在不确定性。冬季室外的季节性高风速，是众多建筑的山墙在满足保温要求的情况下在冬季热损失仍较大的原因[4]。

在工程实践当中，可以进行室外风环境模拟以优化室外风场或者改变建筑物外立面粗糙度，从而优化室外对流换热量。

4)改善反射率ρ：优化发射率ε和反射率ρ，可显著改善建筑保温材料对太阳辐射能的反射能力，以及建筑物向室外辐射热量的能力，是反射隔热涂料体现隔热性能优势的关键所在。目前主要采用金红石型二氧化钛提升商业化的白色太阳热反射降温涂料的太阳反射率，太阳反射率可达到0.92～0.93。并且，通过改善涂料的红外辐射特性，在供冷季的夜晚或太阳辐射不强的时间段，涂料表面温度会低于周边环境温度；当反射率在0.94以上时，由于反射对周边空气的加热作用，在供冷季的部分时段涂料表面的温度将低于周边环境温度[5]。

反射隔热涂料的核心性能在于在夏季降低太阳辐射和其他红外辐射导致的建筑得热，在冬季降低建筑物的释热。有研究表明，反射隔热涂料对于冬季建筑物外墙释热的削减作用在2%以下，进一步考虑外窗的散热后，可认为反射隔热涂料用于外保温时，对于寒冷和严寒地区冬季采暖总能耗的削减作用非常有限。湖南大学的实验显示，外墙表面的发射率对外墙热流密度的影响远低于内外表面温差。

以上从4种传热方式入手给出了提升反射隔热涂料性能的4种措施。目前，在降低涂料和导热系数和提升反射率方面已有大量的研究成果，也有很多研究关注了降低传热温差的重要性，但对于降低对流换热系数的研究相对较少，对于建筑围护结构对流换热系数的研究需要在研发、设计、测试等各个环节引起重视。同时，在建筑隔热保温材料和构造的研究当中，以上4种措施通常需要综合采用，在反射隔热涂料的研究中也是如此[6]。

要提升反射隔热涂料的性能，需从以上4种传热方式入手，并结合成本、寿命和施工的便捷性等应用性因素综合权衡，达到综合性能参数最佳。这种需要综合权衡多种技术经济因素进行决策的问题在工程行业中还有很多，可通过改进型ADC方法、层次分析法AHP等进行量化分析决策。在对于初投资成本非常敏感，并且决策主体非常分散(每一个开发商甚至每一位建筑设计师都有可能成为决策主体)的建筑工程领域，这种分析的进行以及分析结果的应用显然是存在难度的。因此，需要紧密结合应用实践对反射隔热涂料的研究和应用进行探讨[7-8]。

3 应用情况

自2002～2022年，国内相继出版发行了较多的各类标准、规范或图集，如2007年发布第一版的《建筑外表面用热反射隔热涂料》(JC/T 1040—2007(2020))、《反射隔热涂料应用技术规程》(JGJ/T 359—2015)等行业标准，2009年开始施行的《GY反射隔热涂料外墙保温系统建筑构造》(09J01)等地方标准图集以及《建筑用真空陶瓷微珠绝热系统应用技术规程》(T/CECE 530—2018)、《气凝胶厚型绝热涂料系统》(T/CECS 10126—2021)、《气凝胶厚型绝热涂料系统应用技术规程》(T/CECS 835—2021)等其他团体或地方标准，为反射隔热涂料的应用提供了法规基础和设计、施工及验收依据。

近年来，由于建筑节能标准提高、“双碳”目标提出、保温材料防火和防脱落要求提高以及材料制备技术发展等因素，反射隔热涂料再次得到了比较广泛的关注。有大量企业相继投入到反射隔热涂料的引进、研发和推广当中。某公司引进的美国航天涂料采用0.3mm厚的涂层在指定测试条件下宣称热阻可达0.66m2·K/W，采用“等效热阻”折算导热系数比常规保温材料优化了2个数量级。面对如此优异的性能前景和特定工况下可靠的实验数据，国内多家企业联合高校进行同类反射隔热涂料的开发并获得了类似性能的产品，多省份等地方发布了相应的地方标准，相关标准中给出的反射隔热涂料的导热系数也采用“等效热阻”计算，个别地方团标直接注明“气凝胶绝热涂料”的导热系数不大于0.004W/m·K，超过了真空绝热板的性能，这显然是难以实现的。因此，基于反射隔热涂料“等效热阻”的概念编制的标准、进行的工程设计和建造，在节能验收或者后续的实践检验中，遇到了较大的困难。目前，各地已经逐步暂停在建筑中单独应用反射隔热涂料作为保温隔热层。

业内普遍认为过度追求较高的太阳辐射反射比或导热系数易于导致涂料的力学性能、耐候性和施工性下降。《气凝胶厚型绝热涂料系统》标准中，导热系数要求≤0.044W/m·K(25℃)，太阳光反射比≥0.85，这样的“实用型”参数要求为建筑反射隔热涂料在今后的研究和应用提供了宝贵借鉴。

4 讨论

由以上分析可见，航天反射隔热涂料起源于20世纪90年代的美国航空航天领域，由于其优异的性能，在航空航天和工业领域得到了广泛而成功的应用。而在建筑领域，反射隔热涂料从在国外首次应用到民用建筑上虽然已有30余年的时间，国外和国内已历经多次研究和应用高潮，但始终没有在除钢结构(或其他金属结构)建筑以外的民用建筑中得到大规模成功应用。

结合文献和实际调研以及工程应用经验，我们认为造成这种情况的原因主要有3个方面。

1)成本高。建筑反射隔热涂料初投资和维护成本均较高。在初投资方面，原材料成本、施工涂刷成本均较高。相较传统装饰涂料而言，反射隔热涂料内添加的提升热阻的气凝胶、玻化或陶瓷微珠等以及提升反射率的SiO2、TiO2等组分成本相对较高，导致总的原材料成本高。此外，反射隔热涂料的热工性能和力学性能以及综合成本之间存在“三向跷跷板”效应，为追求良好的热工性能，反射隔热涂料力学性能(一定程度上也可表征耐久性能)、耐久性能相较普通装饰涂料不可避免的有明显劣化，对分层喷涂工艺、基层处理和维护保养(擦拭污物和灰尘、修补甚至重新涂刷)均有着较高的要求，导致在需确保保温性能的情况下维护成本较高。并且，投资高昂的、对成本并不敏感的超高层或大型公共建筑，却经常选用同样具有良好红外反射性能和可见光透射的镀膜玻璃作为建筑立面材料，可应用反射隔热涂料的不透光的外墙使用比例较低。

2)无法实现丰富的立面效果。建筑工程的立面效果无疑是投资决策者和建筑师需优先考虑的问题，每年国外和国内都有大量投资用于打造富于美感和良好寓意的建筑外观，这方面的投资一般远远超过建筑用于保温隔热方面的投资。所以，在当前社会价值观取向下，对于常规用途建筑而言，良好的保温隔热构造应该有助于实现建筑的立面效果，这与航天和工业领域的重视隔热效果、外观朴素的需求完全不同。反射隔热涂料的反射性能一般需要在建筑的最外表面(对于内保温需在内表面)才能良好实现，在色彩和形态方面又无法提供丰富的立面效果，并且耐久性也明显不足，严重制约了反射隔热涂料的推广应用。

3)应用环境复杂和恶劣。在航空航天和工业领域反射隔热涂料涂覆(喷涂或涂刷)的基层一般为经过表面处理的光滑的、稳定的、较小尺度的单一材料金属表面。并且，航天涂料的寿命要求不高，在恒温恒湿、高洁净度等可控的环境内进行涂覆操作。此外，对于工业设施而言，经常性的涂料检测修补是比较常规的操作，涂料表面的观感并不是很重要。而在建筑领域，反射隔热涂料所需要适应的基层包括混凝土、砂浆、腻子、墙砖、保温板等各种材质基层，而且这些基层往往为多层复合结构，且在实施时由于各种外界条件的影响，呈现不同的表面特性。比如，同样的C30混凝土现浇剪力墙，由于商混配比的微小差异、模板表面处理、湿度等因素，在同一个项目的不同楼栋，在涂覆涂料时混凝土墙面表面都会呈现不同的粗糙度、渗透性等表面特性，导致反射隔热涂料难以形成普适的、力学性能稳定可靠的配方和施工工法，需要涂刷墙面胶界面剂进行界面处理，增加了成本和施工复杂度，易于被应用单位所诟病。同时，建筑施工需面对多变的室外气候环境，同一个地区早、中、晚的温湿度、风速和太阳辐射都存在极大差异。应用环境复杂和恶劣导致的工程进度、造价和质量问题容易被归咎到反射隔热涂料的性能缺陷，并导致反射隔热涂料应用的效费比远低于常规保温材料，影响了反射隔热涂料的行业认可度。

4)综合节能效果有待商榷。在我国有采暖需求的广大地区，反射隔热涂料对太阳辐射的反射作用并不利于建筑物充分利用太阳能，在冬季反而导致了采暖能耗的增加，削弱了反射隔热涂料综合节能效果。西南交大以湖南大学能源实验室为例实测研究指出，夏热冬冷区长沙的单层建筑采用反射隔热涂料，在空调系统全年自动连续运行的工况下，全年仅比采用普通保温系统的建筑物节能15%左右，如果加入居民行为节能的因素，这个数值将会更低。而在冬季更加寒冷，日照时间更长的北方地区，反射隔热涂料的综合节能效果仍待进一步研究。

5 结论和建议

1)国内和国际上具有深厚的反射隔热涂料的研究和试用基础，反射隔热涂料在建筑领域的部分场景具有良好发展前景。反射隔热涂料的主要优势在于反射系数高，辐射换热热阻高，因此主要适用于以削弱辐射换热为主要需求的场景中。

2)建筑反射隔热涂料目前应用当中，受综合成本、效费比、立面效果需求、应用环境复杂和恶劣等因素影响，遇到了比较大的困难。目前，单独采用反射隔热涂料的保温构造，在热带、温带、寒带等气候区都不具有明显优势，大规模推广的难度较大。

3)在“双碳”目标下，依托材料科学的新研究成果，未来建筑反射隔热涂料必将迎来新的更好的发展机遇。

在今后建筑反射隔热涂料的研究和应用当中，建议从以下4个方面入手。

1)适合的才是最好的，给出反射隔热涂料的适用场景。建议有影响力的机构组织制定反射隔热涂料的应用指南，给出反射隔热涂料的适用场景。比如，在夏热冬暖地区的建筑屋面、夏热冬冷地区和寒冷地区室内有余热的工业建筑和商业建筑的屋面为反射隔热涂料的优先适用场景，夏热冬暖及夏热冬冷地区室内有余热的高标准公共建筑的特定朝向的外墙为较优先适用场景，采暖季长的寒冷地区采用地板辐射采暖为主的居住建筑内墙面为较优先适用场景等。通过行业引导，将反射隔热涂料用于其适合的场景，并基于场景特点对涂料的耐久性等问题从配方和维护等多方面加以改良，将有利于在高效费比的前提下，发挥反射隔热涂料的优良性能。

2)反射隔热涂料与常规保温材料结合，成为适用性更广的复合保温隔热构造。在建筑工程领域，绝大多数的保温隔热构造都是复合式构造。在反射隔热涂料的应用中，可根据其性能特点，基于能耗仿真计算，因地制宜，在调整其性能的基础上，将其与真空绝热板等其他保温隔热材料结合，实现性能互补，达到综合性能最优。目前国内多家厂商已开发出了适用于多种场景的，使用了反射隔热涂料的复合保温隔热构造。

3)改善应用环境。在非装配式建筑领域，将基层进行良好处理、改善施工环境，以适应反射隔热涂料的应用，难免削足适履之嫌。而在装配式建筑领域，在工厂内可控的、优化的作业环境内，将反射隔热涂料涂覆在表面处理良好的装配式外墙和屋面构件或部品上(或者装配式装修乃至装配式机电产品或部品上)，相较在工地现场涂覆，可显著提高涂覆作业的工效和质量。涂覆完成的构件或部品做好成品保护，再运送到现场进行安装。当前，我国正在大力推广装配式建筑技术，通过采用装配式建筑技术体系，改善反射隔热涂料的应用环境，在未来应是反射隔热涂料行业的重点发力方向。

4)提出新的可维护性和耐久性提升措施。以反射辐射为主要目的的反射隔热涂料的研究可以借鉴以吸收辐射为主的光伏板的研究。有研究表明，光伏板表面的积尘可显著削弱光伏板吸收的辐射能量。在建筑应用场景下，雨打风吹、雾霾笼罩等因素易使得反射隔热涂料的表面被各类灰尘所污染，而灰尘将吸收太阳辐射能和反射隔热涂料反射的太阳辐射的能量，导致表面温度升高，严重劣化反射隔热涂料构造的反射性能。此外，多变的气候环境也对反射隔热涂料的耐久性提出了挑战。因此，需结合各类建筑物特点，借鉴非常成熟的光伏板的构造以及可维护性和耐久性提升措施，针对反射隔热涂料提出新的可维护性和耐久性提升措施，相关研究已在进行中。