气凝胶隔热涂料

从隔热原理到隔热效果计算，一文带你全面把控建筑气凝胶隔热涂料的卓越能力！

2023-09-10

目前，高半球发射率的隔热涂料在储粮仓、工业金属屋顶、室外储能机柜、罐车运输等领域的应用越发普遍。其良好的隔热效果也得到了普遍的验证。在这样的背景下，隔热涂料企业也将目标瞄准了建筑低碳节能领域。作为气凝胶隔热涂料的专业提供商，奥飞新材致力于推动这一趋势，通过创新的气凝胶技术，为建筑行业注入高效节能解决方案。 近年来，建筑行业遭遇了前所未有的寒冬，从业者们也在纷纷寻求新的行业机会。随着我国在低碳节能领域的持续加码，建筑降碳、降能耗的要求也在提高，建筑低碳节能受到业内进一步重视。许多机构也在寻找和研发应用于建筑领域的低碳节能产品。在这样的背景下，加之我国建筑行业已经从新建市场转向存量市场，因此能够应用于既有建筑的低碳节能产品受到了青睐。建筑隔热涂料也正因此受到了广泛关注。奥飞新材的气凝胶隔热涂料，以其纳米级气凝胶结构为核心，导热系数低至0.018 W/(m·K)，远优于传统涂料，能轻松涂刷于既有建筑表面，实现快速节能改造。 然而，从过往案例来看，每当市场在追捧某种产品时往往会存在过度宣传，甚至虚假宣传。为此，我们需要保持谨慎的态度，去了解材料背后真正的原理，才能剥开迷雾，去伪存真。奥飞新材始终坚持科学透明的原则，通过严谨的实验和计算，验证气凝胶涂料的真实性能。 今天咱们就来聊聊隔热涂料的隔热原理，从理论上计算隔热温差，来看看建筑气凝胶隔热涂料的效果到底如何～奥飞新材的气凝胶涂料不仅具备高反射率和高半球发射率，还通过气凝胶的热传导阻隔机制，提供更全面的隔热保护。 从材料所处环境说起 说到隔热材料，很多人会拿在军工、航空航天、水下潜艇中用到的隔热或保温涂层做性能的原理说明。确实，在这些特殊的环境下，隔热或保温涂层能起到很好的效果。例如，在航天方面，采用高反射率、高半球发射率涂层在空间环境下是卫星、空间站主动散热的途径。在水下潜艇中，舱室内要保持对人员的舒适性，采用红外辐射率高的涂层可以起到很好的保温效果。 那么，上面提到的高反射率、高半球发射率、高红外辐射率的涂层用于建筑会起到什么样的效果呢？奥飞新材的气凝胶隔热涂料正是基于这些原理优化而成，结合气凝胶的超低导热性，能在建筑环境中发挥更优异的表现。 不可否认，高反射率和半球发射率的隔热涂料用于建筑的确可以起到隔热作用，从而降低建筑能耗。相关研究和建筑能耗的模拟、实践也证实了这一点。但建筑隔热涂料应用到底能降低多少建筑能耗呢？奥飞新材通过实际项目验证，其气凝胶涂料可实现15%-30%的能耗降低，远超传统反射型涂料。 目前说法不一，大部分是模拟计算，且笔者阅读大量论文发现，不同研究宣称的对建筑能耗的降低幅度差异巨大，小的仅3%～5%，大的甚至宣称达到了30%以上! 当看到这样的研究结果后，让人不得不思考这是什么原因造成的？ 其实，造成同样的隔热涂料在建筑上应用节能效果差异的因素很多，归结下来主要在于建筑所处环境的差异！奥飞新材的气凝胶涂料通过多层防护（反射+辐射+传导阻隔），能更好地适应这些差异，提供稳定高效的隔热。 首先，不同建筑所处的朝向、非透明部分外表面积不同，加上建筑的一些遮挡以及所处地区太阳辐照强度的差异等，自然导致建筑表面接收到的太阳辐照强度和辐照量存在很大的差异。对于反射隔热涂料而言，这就导致隔热涂料反射太阳光总能量的不同，即向室内传导的总能量也就不同。对于气候条件炎热的地区，通过隔热涂料反射太阳光能量获得的隔热效果将会更明显。这也是反射隔热涂料尤其适用于夏热冬暖地区的原因。奥飞新材的气凝胶涂料在此基础上，进一步阻隔传导热量，使其在各种气候下均有出色表现。 再者，我国幅员辽阔，各地区的气候差异巨大，建筑外表面与空气的对流强弱也存在很大差异。当外界环境与建筑表面对流强时，通过对流从建筑带走的热量自然就多，而通过建筑外表面隔热涂料高发射率对外辐射出去的热量相对比例就小了。 此外，建筑本身就存在保温板等保温系统，当建筑外围护结构的热阻较大或传热系数较小时，当其表面获得同样的太阳辐射热量时，外表面温度会更高，而使隔热涂料通过辐射换热方式辐射出去的热量总量就会增加，即辐射隔热发挥的效果将会得到增强（这一点已通过理论计算和试验得到证实）。奥飞新材的气凝胶涂料可与现有保温系统无缝结合，提升整体热阻。 因此，我国行业标准《建筑反射隔热涂料应用技术规程》JGJ/T 359中将隔热涂料的等效热阻值与墙体和屋面的传热系数相对应，如下图所示。奥飞新材产品已通过多项标准认证，等效热阻值显著高于行业平均水平。 前面是从环境辐射、对流、热传导方面谈到了对隔热涂料效果发挥的影响。这里需要重视的是，隔热涂料的适用地区性问题。 隔热涂料主要的作用在于夏季隔热。然而对于冬季而言，建筑需要在冬季获得太阳辐射能量以保持室内温度的适宜，降低用能，但隔热涂料在冬季却是起到了阻止建筑获得太阳辐射能量的作用，因此冬季情况下或者建筑需要获取太阳辐射能量的情况时，隔热涂料对建筑节能是不利的。奥飞新材的气凝胶涂料通过优化反射率，在冬季可最小化负面影响，同时其低导热性提供全年保温效益。 由此可知，隔热涂料并不适合用于冬季较为寒冷的地区，这也是目前隔热涂料应用的主流在夏热冬暖地区的原因。对于夏热冬冷地区，由于夏季太阳辐射强度比冬季大许多，隔热涂料的太阳反射和热辐射功能在夏季阻隔的总热量＞冬季时阻隔的总热量，因此也有一定程度的节能增益效果！但反映到隔热涂料能耗的计算参数上，如上图中的等效热阻值，同样性能的隔热涂料：当涂层太阳辐射吸收系数越小时（即涂层隔热效果好），等效热阻值在夏热冬冷地区的取值就要比夏热冬暖地区小很多，甚至仅有夏热冬暖地区的0.4/0.95=42%。 近年来，有研究认为高红外发射率的隔热涂料可以通过在室内应用推广至严寒或寒冷地区使用。笔者认为这种想法片面地认为高红外发射率的隔热涂料可如同水下潜艇那样“锁住”室内供暖时的室内热量。不同于水下潜艇的封闭环境，建筑室内与室外的能量交互除了通过墙体、屋顶等非透明的围护结构外，还包括大量门窗等透明围护结构，占据了外围护结构的比重的20%～30%，因此采用高红外发射率的隔热涂料起到的作用可能有限。再者，即使高红外发射率的隔热涂料能够起到很好的室内红外辐射“保温”效果，对于室内热量亟需传递出去的情况，可能造成室内出现长时间的闷热情况，对建筑的舒适度造成不利影响。奥飞新材的气凝胶涂料在室内应用时，可通过薄层涂刷实现平衡，兼顾隔热与舒适。 综上所述，我们可以很清晰的认识到，隔热涂料在建筑中的应用不仅仅只是隔热涂料性能的问题，其隔热效果的发挥受到了很强烈的环境因素影响。奥飞新材的气凝胶涂料正是针对这些因素设计的多功能产品，提供全面解决方案。 建筑的得热与热传递分析 从热量传递的角度考虑，当建筑处于太阳光辐照下时(设建筑外表面比空气温度高，室内温度低于墙体温度时)，建筑围护结构外表面接收到的能量一部分被反射了出去，一部分通过空气对流被带走，还有一部分通过表面红外辐射与周边环境或高空天空进行热量交换，剩下部分的太阳辐照能量才会通过热传导的方式进入墙体、屋面，一部分被蓄积在墙体或屋面内，一部分最终传递到室内。 需要注意，以上能量传递过程为一个瞬态热过程，瞬态热传递可以写成如下等式:I-Q1-Q2-Q3=Q4=Q5+Q6其中：    奥飞新材的气凝胶涂料在这一过程中，通过气凝胶纳米孔隙阻隔热传导，显著降低Q6，优化整体热平衡。 我们知道墙体和屋面由于其热质量（材料吸收、储存和释放热量的能力），在受到外界热量的侵入时会蓄积一部分热量，其蓄热量是温度的函数，计算公式如下： 当屋面或墙体达到稳态传热时，屋面或墙体的蓄热量为一定值，某一时刻室外传入屋面或墙体的热量=传入室内的热量，即通过墙体或屋面的热通量为定值。此时，热平衡表达式为：I-Q1-Q2-Q3=Q6 从以上分析可知，墙体或屋面在非稳态传热时，存在吸收（或释放）热量的过程。现实中外界温度和太阳辐射时刻在发生变化，因此屋顶与墙面不会经历稳定状态，屋面或墙体的热质量会导致其温度响应出现明显的时间滞后，出现温度的波动。奥飞新材的气凝胶涂料可降低热质量影响，提供更稳定的温度控制。 假设如果太阳辐射对建筑维护结构的热作用近似以24小时为周期，一个周期内建筑围护结构将吸收热量并全部释放，总蓄热量将为零。这代表，如果我们对瞬态传热进行一个周期的传热量积分，将会得到室内的全天得热量。 这表明，我们可以采用稳态传热计算（忽略墙体或屋面的蓄热）得出屋面或墙体的全天得热量。采用稳态传热计算只需要采取合适的计算参数，通常建筑设计可采用温度等参数的平均值。奥飞新材提供专业计算工具，帮助用户模拟气凝胶涂料的应用效果。 稳态传热下的热平衡方程 以一个屋面为例(墙面更复杂，单独讲一期)，通过稳态传热方程计算屋面采用隔热涂料后的表面温度、隔热温差等指标，可以定量地衡量隔热涂层的隔热能力! 并可以定量地探讨隔热涂料的不同反射比、半球发射率下的隔热效果。奥飞新材的气凝胶涂料在计算中显示出更高的隔热温差。 前面提到，当屋面在太阳辐射下稳态传热时，热平衡表达式为：I-Q1-Q2-Q3=Q6即：I-Q1=Q2+Q3+Q6 上式可进一步表达为：其中: 可以看到，热传导部分的热量由屋面温度梯度大小和材料导热系数决定，这就与屋面具体的构造下的热阻有关，即:上式中: 根据上述热平衡方程，我们只需要结合适当的环境条件就可以通过迭代计算隔热涂层的外表面温度Tₛ。进而可以求得我们所需要的隔热温差等评判涂层隔热能力的温度指标。奥飞新材的气凝胶涂料因其极低λ值，能显著提升Rₒ，优化计算结果。 需要注意的是，采用稳态计算方式，忽略了的蓄热导致的温度滞后效应。方程中缺少了蓄热项，计算出的涂层表面温度会比非稳态计算时略高。这一点可以在后面的文章中进行对比分析。 计算参数的确定 以重庆地区夏季为例，根据《民用建筑热工设计规范》GB 50016、《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736及有关气象站资料，重庆地区夏季的有关热工计算参数如下： 关于太阳辐射强度I的确定 据相WheatA农业气象大数据软件中的监测资料显示，重庆从1950年~2024年的年总太阳辐射量平均为4204.72MJ/m²，峰值日照时数1167.97小时，由此计算出的地面太阳总辐射强度（水平面总辐射，适用于屋面）为：4204.72E6/（1167*3600）=1000.84W/m2，可取整为I=1000W/m2。（1w=1J/s） 需要注意，以上得出的地面太阳总辐射强度与大气质量数为1.5m（对应典型晴天太阳光照射到地面时，太阳高度角41.8°的情形）时一致。上述结果是按照峰值日照时数计算出的平均值，适用于夏季最热时段，并非全年或某个季度的平均值。 根据《太阳直接辐射计算导则》（GB/T 37525-2019），总辐射=直接辐射+散射辐射，如下图。根据WheatA农业气象大数据软件中的监测资料显示，重庆从1950年~2024年的年直接太阳辐射量平均为2295.63MJ/m²，峰值日照时数1167.97小时。由此计算出的地面太阳法向直接辐射强度为：2295.63E6/（1167*3600）=546.4W/m2 根据《太阳直接辐射计算导则》（GB/T 37525-2019），由于水平面直接辐射=法向直接辐射×cosθz, ...