第六节　节能材料的热导率

在任何建筑材料中，当存在着一定温差时就会产生热的传递，热能将由温度高的部分向温度低的部分转移。在建筑工程中，把用于控制室内热量外流的材料称为保温材料，而把防止室外热量进入室内的材料称为隔热材料。

将保温材料和隔热材料称为绝热材料，绝热材料是指用于建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递的材料或者材料复合体，既包括保温材料也包括保冷材料。绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境，另一方面也节约了能源。因此，节能材料属于保温绝热材料。

材料的热导率是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1K，在1s内从一个平面传导至另一个平面的热量，用λ表示，单位为W/（m·K）。材料的热导率是衡量材料保温隔热性或绝热性的重要指标。

一、绝热材料的分类

对热流有较强阻抗作用的材料主要用于房屋建筑的墙体、屋面或工业管道、窑炉等的保温和隔热。绝热材料的分类方法很多，主要按材质、使用温度、形态、结构和原理不同来分类，最常见的按材料材质不同分类和按绝热原理不同分类。

（一）按材料材质不同分类

按材料材质不同分类，绝热材料可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料3类。

1．无机绝热材料

无机绝热材料主要以矿物质为原料制成，一般多呈纤维状、散粒状或多孔构造，常制成板状、块状、片状、卷材、套管等各种形式的制品。无机绝热材料的表观密度较大，但具有不易腐朽、不会燃烧、耐高温性良好等特点。热力设备及采暖管道用的保温材料多为无机绝热材料。常见的无机绝热材料有石棉、硅藻土、珍珠岩、玻璃纤维、泡沫玻璃混凝土、硅酸钙等。

2．有机绝热材料

有机绝热材料多属于隔热材料，这类材料具有热导率极小、耐低温性好、易燃等特点。在建筑工程中常用的有机绝热材料有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、软木等。

有机绝热材料按形态不同，可分为多孔状绝热材料、纤维状绝热材料、粉末状绝热材料3种。

（1）多孔状绝热材料　多孔状绝热材料又称泡沫绝热材料，它具有质量轻、绝热性好、弹性优良、尺寸稳定、稳定性差等特点。在建筑工程中常用的多孔状绝热材料主要有泡沫塑料、泡沫橡胶、硅酸钙、轻质耐火材料等。

（2）纤维状绝热材料　纤维状绝热材料按材质不同，可分为有机纤维、无机纤维、金属纤维和复合纤维等。在建筑工程常用的纤维状绝热材料主要是无机纤维，目前用得最多的是石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。

（3）粉末状绝热材料　粉末状绝热材料主要有膨胀蛭石、硅藻土、膨胀珍珠岩及其制品。这些材料的原料来源丰富、易于取得、价格便宜，是建筑工程和热工设备上应用比较广泛的高效绝热材料。

3．金属绝热材料

金属绝热材料也称为层状绝热材料，这类绝热材料不像以上两种绝热材料那样品种多，应用范围也不太广泛，在建筑节能工程中常见的有铝箔、锡箔等。

（二）按绝热原理不同分类

按绝热原理不同分类，绝热材料可分为多孔绝热材料和反射绝热材料。

1．多孔绝热材料

多孔绝热材料是依靠热导率小的气体充满孔隙中进行绝热的。一般是以空气为热阻介质，主要是纤维状聚集组织和多孔结构材料。泡沫塑料的绝热性较好，其次为矿物纤维（如石棉）、膨胀珍珠岩和多孔混凝土、泡沫玻璃等。

2．反射绝热材料

在建筑工程中可利用的反射绝热材料有很多。如铝箔能靠热反射减少辐射传热，几层铝箔或与纸组成夹有薄空气层的复合结构，还可以增大热阻值。绝热材料常以松散材、卷材、板材和预制块等形式用于建筑物屋面、外墙和地面等的保温及隔热。可直接砌筑（如加气混凝土）或放在屋顶及围护结构中作芯材，也可铺垫成地面保温层。纤维或粒状绝热材料既能填充于墙内，也能喷涂于墙面，兼有绝热、吸声、装饰和耐火等效果。

绝热材料产品种类很多，包括泡沫塑料、矿物棉制品、泡沫玻璃、膨胀珍珠岩绝热制品、胶粉EPS颗粒保温浆料、矿物喷涂棉、发泡水泥保温制品等。

绝热材料在建筑节能中常见的应用类型及设计选用，应符合现行国家标准《建筑用绝热材料：性能选定指南》（GB/T 17369—2014）的规定。另外，在选用时除应考虑材料的热导率外，还应考虑材料的吸水率、燃烧性能、强度等指标。

二、影响材料热导率的因素

随着我国建筑节能工作的不断深入开展，各类新型节能材料得到广泛应用。为正确评定材料的绝热性能，确保工程的节能指标达到设计要求，对建筑节能材料的热导率进行检测势在必行。根据《建筑节能工程施工质量验收规范》（GB 50411—2014）中的规定，用于墙体、屋顶及地面等节能工程的材料，进场前必须对其热导率等指标进行取样复验，合格的绝热材料才能用于工程。

不同的绝热材料，其热导率是有很大差异的，如空气的热导率为0.023W/（m·K），松木的热导率一般为0.17 W/（m·K），铝的热导率一般为237W/（m·K），混凝土热导率一般为2.33W/（m·K）。但是，相同的绝热材料，其热导率也有所不同。影响材料热导率的主要因素有材料的物质构成、微观结构、孔隙构造、表观密度、环境温度、材料湿度、热流方向和填充气体影响等。

（1）物质构成　材料试验证明，不同的物质构成，它们的热导率是不同的。一般有机高分子材料的热导率都小于无机材料的；非金属材料的热导率小于金属材料的；气态物质的热导率小于液态物质的，液态物质的热导率小于固态物质。

（2）微观结构　微观结构涉及化学、生物学、物理学等诸多领域，是指物质、生物、细胞在显微镜下的结构，以及分子、原子，甚至亚原子的结构。在相同化学组成的绝热材料中，微观结构不同其热导率是不同的，结晶结构的热导率最大，微晶结构的次之，玻璃体结构的最小。

（3）孔隙构造　由于固体物质的导热能力比空气大得多，因此，一般情况下孔隙率越大，密度越低，热导率越小。当孔隙率相同时，由于孔隙中空气对流的作用，孔隙相互连通比封闭而不连通的热导率要大；孔隙尺寸越大，热导率越大。例如，密度较小的纤维状材料，其热导率随密度减小而减小，而当密度低于某一极限时，孔隙增大且相互连通的孔隙增多使对流作用加强，反而会导致热导率增大。因此，松散状的纤维材料存在着一个热导率最小的最佳密度。

（4）表观密度　表观密度是指材料在自然状态下，单位体积的干质量。表观密度是材料气孔率的直接反映，由于气相的热导率通常均小于固相的热导率，因此保温材料都具有很大的气孔率，即具有很小的表观密度。在一般情况下，增大材料的气孔率或减少表观密度都会导致材料热导率的下降。

（5）松散材料的粒度　粒度就是颗粒的大小。通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。对不规则的矿物颗粒，可将与矿物颗粒有相同行为的某一球体直径作为该颗粒的等效直径。在常温条件下，松散材料的热导率随着材料粒度的减小而降低，粒度较大时，颗粒之间的空隙尺寸增大，空气的热导率也必然增大。粒度较小者，其热导率则也较小。

（6）环境温度　温度对各类绝热材料热导率均有直接影响。由于温度升高时材料固体分子热运动增强，同时材料孔隙中空气的导热和孔壁间的辐射作用也有所增强，因此，一般来说，材料的热导率随着材料温度的升高而增大，绝热材料在低温下的使用效果更佳。

（7）材料湿度　材料受潮后，其孔隙中就存在水蒸气和水，由于水的热导率较大，约为0.5815W/（m·K），比静态空气的热导率大20多倍，因此，当材料的含水率增大时其热导率必然也增大。孔隙中的水分受冻成为冰，冰的热导率为2.326 W/（m·K），相当于水的4倍，则材料的热导率会更大。

因此，作为保温绝热材料时，材料自身中的含水率要尽量低，如果不可避免时要对材料进行憎水处理或用防水材料包覆。

（8）热流方向　热导率与热流方向的关系仅仅存在于各向异性的材料中，即在各个方向上构造不同的材料中。传热方向和纤维方向垂直时的绝热性能比传热方向和纤维方向平行时要好一些；同样，具有大量封闭气孔的材料的绝热性能，也比具有大量有开口气孔的要好一些。

（9）填充气体影响　在绝热材料中，大部分热量是从孔隙中的气体传导的。因此，绝热材料的热导率大小，在很大程度上取决于填充气体的种类。低温工程中如果填充氦气或氢气，由于氦气和氢气的热导率都比较大，所以可作为一级近似（一级近似就是把函数值用自变量的某个临近点处的函数值及导函数的值近似表示），认为绝热材料的热导率与这些气体的热导率相当。

绝热材料性能的优劣，主要由材料热传导性能（即热导率）的高低决定。材料的热导率越小，其绝热性能则越好。一般情况下，绝热材料的共同特点是轻质、疏松，呈多孔状、松散颗粒状或纤维状，以其内部不流动的空气来阻隔热的传导，从而达到节能的目的。

在建筑节能工程中，将热导率小于0.25W/（m·K）的建筑材料称为保温材料，建筑材料的热导率越小，其导热性能就越差，热阻也就越大，则越有利于建筑物的保温和隔热。建筑工程上使用的绝热节能材料，一般要求热导率（λ）应小于0.25W/（m·K）、热阻（R）应大于4.35（m2·K）/W、表观密度不大于600kg/m3、抗压强度大于0.3MPa。

在建筑节能工程中，绝热节能材料主要是用于墙体、地面和屋顶的保温隔热，以及热工设备、热力管道的保温，有时也用于冬季施工的保温，在冷藏室和冷藏设备上也可用作隔热。在选用绝热节能材料时，应综合考虑建筑结构的用途，如使用环境温度、湿度及部位，围护结构的构造，施工难易程度，建筑材料的来源，工程投资大小等。