气凝胶反射隔热涂料在建筑领域的节能降碳应用
2021年，建筑行业占全球能源需求的34%以上，在与能源消耗和工艺流程相关的二氧化碳排放当中，其占比达到37%左右。在“碳中和”背景下，建筑行业需进一步提高节能降碳力度。对建筑外墙使用反射隔热涂料是一种有效的被动式节能措施，其隔热性能相比于传统涂料均有较大提升，应用于夏热冬暖地区可降低建筑全年制冷能耗 28%～34%，在以制冷需求为主的气候区具有较大的节能降碳潜力。
01 反射隔热涂料种类
我国标准中将反射隔热涂料分为 3 种：
1、隔热中涂漆，其具有较低的导热系数，是具有一定厚度的中间层涂料；
2、反射隔热平涂面漆，其具有较高太阳光反射率，是施涂后表面平整的涂料；
3、反射隔热质感面漆，以合成树脂为基料，具有较高的太阳光反射率，是施涂后表面呈立体造型装饰效果的涂料。
以上3种涂料均具有一定的隔热保温效果，第一种是以热阻隔为隔热机理，后两种是以热反射为隔热机理。气凝胶材料具有超低导热系数、A级不燃、超轻质等特点，在建筑节能降碳方面具有广泛的应用潜力。气凝胶反射隔热涂料兼具热反射和热阻隔，通过含有导热系数极低的气凝胶材料的中间层和高太阳光反射率的面层，协同阻断热量的传递。
02 新型气凝胶反射隔热涂料
新型气凝胶反射隔热涂料以二氧化钛、二氧化硅气凝胶粉末为太阳反射层填料，二氧化硅气凝胶和空心玻璃微珠为隔热层填料制备而成，为增强反射隔热涂料与建筑墙体附着效果，涂料底层采用水溶性环氧树脂胶。气凝胶反射隔热涂料在建筑外墙的涂覆过程包括：首先，喷涂环氧树脂胶底层；然后，涂覆气凝胶隔热层(厚度2 mm) ；最后，晾干后喷涂反射面层，其反射隔热机理及构成如图1所示。
图1 气凝胶反射隔热涂料工作原理及组成
03 气凝胶反射隔热涂料、白色颗粒漆、水泥对比数据
目前对反射隔热涂料的评价指标主要有太阳光反射率、近红外反射率、导热系数、隔热温差等，检测依据为GB / T 25261—2018《建筑用反射隔热涂料》，对反射隔热涂料节能效果的研究，可采取对比建筑使用涂料前后的制冷能耗的方法。
新型气凝胶反射隔热涂料由反射面层、气凝胶隔热层、底层构成，通过反射大部分的太阳辐射，阻隔热传导等多种机理协同作用。通过测试其太阳光反射率、导热系数和隔热温差，并以夏热冬暖地区为例计算了其应用于建筑外墙的节能潜力。
1、气凝胶反射隔热涂料的热反射率
图2为气凝胶反射隔热涂料( AC) 与两种常用外墙材料( WC 、CC ) 的太阳光谱反射率，可计算出3种材料的平均太阳光反射率分别为89%、74%和29%，近红外反射率分别为91%、73%、28%。可见相比两种常用外墙材料，气凝胶反射隔热涂料的太阳光反射率和近红外反射率分别提升了20%、207%和 25%、225%。
图2 3类材料的太阳光谱反射率
2、气凝胶反射隔热涂料的导热系数
表1为气凝胶反射隔热隔热涂料(AC)与两种常用外墙材料( WC、CC )的热物性参数，可见因为AC中的二氧化硅气凝胶具有超轻、超低导热和纳米级多孔结构，其导热系数、干密度和比热容远低于WC和CC。相比于WC、CC两种外墙材料，AC的导热系数分别降低了87%、92%。
表1 3类涂料的热物性参数
3、气凝胶反射隔热涂料的隔热温差
测试结果计算的AC、WC、CC的隔热温差分别为33.8℃、24.6℃、8.89℃，可见气凝胶反射隔热复合涂料的隔热性能远大于其他普通涂料。由图3还可以看出，在初始阶段，AC的温升曲线斜率远小于其他涂料及参比黑板，且较早的达到了温度动态平衡，最终稳定在 40.3℃ ，而WC和CC则最终分别稳定在49.5℃、65.2℃ ，说明气凝胶反射隔热涂料其较高的太阳光反射率反射了大部分的光辐射能量；其极低的导热系数进一步阻隔了热量向基体的传递，热反射和热阻隔协同作用，得到了较好的隔热效果。
图3 不同涂料的动态升温
4、气凝胶反射隔热涂料应用于夏热冬暖地区的节能潜力
以制冷需求为主且太阳辐射强度较大的夏热冬暖地区为例，针对该地区一字型、T字型、T字型(大户型)3种典型建筑模型，计算气凝胶反射隔热涂料(AC) 与两种常用外墙材料( WC、CC)应用于典型住宅建筑全年制冷能耗。WC、CC的太阳光反射率分别代表目前该地区的新建建筑与老旧建筑。3种典型建筑模型如图4所示。
图4 3种典型建筑的模型
图5所示为3种典型建筑外墙分别应用AC、WC、CC后的全年制冷能耗，由图5可知，使用AC后，建筑的制冷能耗有了显著降低：相比于代表老旧建筑涂料的CC，全年制冷能耗降低了27.70%～34.14%；相比于代表新建建筑涂料的WC，全年制冷能耗降低了8.8%～ 11.4%。进一步分析可知，使用气凝胶反射隔热涂料（AC）对不同建筑类型的节能效果也不同，如相比于CC，建筑A的全年制冷能耗减少了13 009 kW·h，而建筑B则减少了14 483 kW·h，建筑C减少了13 355 kW·h。
图5 全年制冷能耗
由以上数据可得，气凝胶反射隔热涂料具有良好的隔热性能与节能效果，可用于建筑领域的节能降碳，且在以制冷需求为主的气候区有较大的节能降碳潜力。
来源丨整理自《建筑节能》
