真空絕熱板在節能領域的應用

齊丹丹 張晟昊 周 楓

上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

近年來，世界各國為了發展經濟，大量使用石油、煤炭等化石能源材料，使二氧化碳排放量居高不下，已對人類高質量的生存環境構成了很大威脅。中國是全球能源消耗大國之一，二氧化碳及顆粒物排放已嚴重影響到人們的身體健康和日常生活。對于處于經濟迅速發展中的人口大國，資源短缺與環境污染帶來的挑戰前所未有，節能減排已是當務之急。真空絕熱板（Vacuum insulation panel，簡稱VIP板）作為目前隔熱保溫效果優異的材料，它的導熱系數可達到3 mW/(m·K)，其熱阻相當于同等厚度傳統絕熱材料的10 倍甚至更高[1-3]，具有節能和環保的雙重優點。因此，研究如何提高真空絕熱板技術，開拓VIP 的應用領域，對經濟快速發展、環境問題日益嚴峻的中國而言，是有效解決能源環境問題的辦法之一。

1 真空絕熱板概述

1.1 真空絕熱板構造

VIP 的結構可分為三部分，是由芯材（Core Material）、阻氣膜（Barrier Envelope）、吸氣劑/干燥劑（getter/dryer）組成，其示意圖如圖1所示。其中芯材是真空絕熱板的核心骨架，為保證板內真空度，要求芯材具有導熱系數低、開孔率高、不親水，對環境零污染等性能。阻氣膜是保障芯材不與外界氣體發生滲透的結構，要求該結構具有良好的保溫性能，較強的機械性能，最重要的是能最大限度地阻止外界氣體和水蒸氣的滲透，維持板內高真空度。氣體吸附材料如吸氣劑和干燥劑，是用來吸收板內多余氣體（芯材自身產生存在的或透過阻氣結構膜從外界進入的氣體和水蒸氣），要求該材料具有較強的針對性吸附氣體能力，以此保證VIP 在真空狀態下的有效保溫性。

圖1 真空絕熱板示意圖

1.2 真空絕熱板絕熱原理

VIP的熱量傳遞主要由芯材的導熱、VIP內部殘留氣體的對流傳熱和輻射傳熱3 部分組成，由圖2可以看出真空絕熱板熱量傳遞過程中各部分所占的比例，芯材導熱占32%，板內殘余氣體熱對流占48%，輻射傳熱20%。圍繞最大限度地降低這3 部分熱量傳遞，VIP 在制作中應最大程度地優化其各構成部分的性能，尤其要注意以下3 個方面的問題。①芯材。芯材須有較低的導熱系數，一定的強度，以避免抽真空時塌癟，同時還有一定的孔隙，便于形成真空。②阻氣膜結構。因輻射傳熱無處不在，但可以在阻氣膜上應用湮滅紅外線和可見光的材料，以此減弱熱輻射，同時隔氣材料要具有良好的隔氣性能和阻熱性能，具有一定的強度，以保護芯材。③真空度。真空度的大小與VIP的熱工性能息息相關[4,5]，所以要盡可能提高板內真空度，降低氣體和水蒸氣的含量。

圖2 多孔介質常態下熱傳導組分耦合比例

1.3 真空絕熱板芯材

芯材作為VIP 的骨架材料和維持真空的必備條件，芯材的選擇對于VIP 的隔熱效果和使用壽命都有較大的影響。芯材內部的傳熱機制非常復雜，不僅涉及固體與氣體的熱，還涉及相互間的對流換熱及芯材多孔結構中的輻射換熱。為減少芯材的導熱量，一般選用低導熱率的多孔介質作為芯材的原材料，目前最常用的原材料有硬質聚氨酯、玻璃纖維、氣相二氧化硅等，如圖3所示。使用時可以單一材料使用，也可以把材料兩兩結合混合使用。

圖3 常用芯材

為保證VIP在真空度高的使用條件下依然具有良好的保溫隔熱性能，芯材的選擇應盡可能滿足如下條件：①芯材自身導熱系數小、熱阻大；②韌性強，因為板內是真空狀態，芯材作為骨架起支撐作用，要保證在內外壓差約105 Pa壓力下不發生VIP的變形塌陷；③高孔隙率，便于抽真空，節約生產成本。通過研究不同類型的VIP 芯材，針對芯材的導熱系數、保溫性能、組成成分、結構模型等進行比較，得到新一代VIP 芯材的發展方向。

2 真空絕熱板的應用

真空絕熱板作為新型的綠色環保絕熱材料，可以應用于建筑、冶金、化工、電力、石油、建材、機械、輕工、紡織、軍工、交通運輸、倉儲等行業，是各種建筑物、工業窯爐、鍋爐、熱交換器、蒸餾塔、儲罐、冷庫、煙道、管道、閥門、風機、空調、車船等保溫、保冷、隔熱、吸聲、消聲的多功能材料。為滿足不同場所的使用需求，研究人員已開發出形狀各異的真空絕熱板，如圖4所示。VIP現已在冰箱、冷庫、冷藏集裝箱、醫用保溫箱等商業領域廣泛應用，在航空航天、交通運輸等工業領域也有涉及[6]。VIP具有極好的絕熱保溫性能，在相同熱阻條件下，所需要VIP的厚度是傳統的絕熱保溫材料的1/7，因此VIP材料可以適用于對材料厚度要求較高的領域。而且，近年來隨著建筑領域能耗的驟增，有效降低外墻保溫的能耗，使VIP 大量應用于現代建筑領域[7,8]。生產建筑領域應用的VIP 的公司較少，目前僅有瑞士和德國逐步建立起以VIP作為保溫材料的建筑市場。現在已有VIP應用于墻面、屋面、地面和陽臺的工程實例[9]。據資料顯示，VIP使用于冰箱上可節能10%～30%，且能增加20%～30%的冰箱的有效容積。采用VIP 保溫材料應用在建筑外墻，可降低15%～25%的建筑電能消耗，且能增大10%的建筑有效空間[10]。

圖4 形狀各異的VIP板

2.1 VIP板在冰箱冰柜行業的需求

VIP 板作為一種新型節能絕熱材料，以其絕熱性能方面的先天優勢，在冰箱冰柜、冷鏈物流等保冷領域率先得以推廣應用，尤其在高端節能冰箱冰柜領域已廣泛應用。冰箱冰柜是VIP 板應用的重要領域，也是VIP 板市場最先發展的領域。VIP 板在日本市場用量較大，家用冰箱中約70%使用了VIP板，歐洲次之，美國較少。國外冰箱主要品牌的生產商如GE、Electrolux、Whirpool、LG、Sharp、松下、三星都生產VIP 隔熱冰箱[11,12]。

冰箱和冷柜作為家電必需品，其市場新增需求有一定的剛性，隨著經濟發展，人們對生活品質的日益提升，消費者的升級換代需求逐步體現，高端冰箱冰柜的占比將提升冰箱保有量的增加，高端冰箱冰柜因其售價較高、產品附加值高的特性，將率先使用VIP 材料。未來幾年，冰箱冰柜用VIP 市場將迎來高速增長期。VIP板不僅在高端節能產品上實現普遍應用，在普通冰箱冷柜產品上，也可逐步實現對傳統保溫材料的替代，市場前景廣闊。

2.2 VIP板在冷鏈物流行業的需求

冷鏈物流（Cold Chain Logistics）泛指冷藏冷凍類食品在生產、貯藏運輸、銷售至消費前的各個環節中始終處于規定的低溫環境下，以保證食品質量，減少食品損耗的一項系統工程。它是隨著科學技術的進步、制冷技術的發展而建立起來的，是以冷凍工藝學為基礎、以制冷技術為手段的低溫物流過程。冷鏈運作的每個環節始終和能耗密切相關，因此，控制能耗，降低冷鏈運營成本對于促進冷鏈的發展至關重要。

冷鏈物流系統保冷設施還包括冷藏車、蓄冷箱等，均需大量使用節能絕熱材料，是VIP 板應用的重要潛在市場。以我國冷藏車為例，據統計，目前我國冷藏車保有量約5 萬輛，鑒于大量需要冷藏運輸的貨物目前仍依靠普通車輛運輸，冷藏車現有量遠遠不能滿足日益增長的需求，冷藏車市場發展前景廣闊，尤其是隨著速凍、保鮮食品的發展，將促進冷藏車輛需求的大幅增長。隨著生鮮到家，從農場直接到餐桌服務的快速增長，將為VIP 在冷鏈物流領域的應用帶來增長良機。

2.3 VIP板在其他領域的需求

除上述領域外，VIP 板應用還包括自動售販賣機、醫療冷藏、建筑節能、保溫型熱水器等領域。VIP 板作為超高效絕熱節能材料，早已在自動販賣機上有所應用，隨著全球經濟的逐步發展，發展中國家的人均自動販賣機數量將持續上升。醫療冷藏設備大部分屬低溫保冷，對隔熱效果要求往往比家用或商用冰箱要高，對隔熱材料的性能要求更高，為VIP 板應用帶來穩定的市場空間。隨著VIP板生產技術的成熟及生產成本的降低，VIP 板在建筑節能領域的應用將逐漸展開，市場前景看好。保溫型熱水器包括電熱水器、太陽能熱水器以及熱泵熱水器等。現在已有不少電熱水器用VIP 板作為保溫材料，隨著熱水器行業持續增長以及VIP 板的逐步普及，VIP 板在保溫型熱水器領域市場前景十分廣闊。

3 VIP板開發及市場

VIP 板產品由國外最先研制，國外的企業在時間上和技術上有優勢。國內的VIP 板生產企業起步較晚，但國內擁有原材料豐富、人工費用相對低廉的優勢。2013年以來不少企業在吸收、創新了海外企業的工藝技術后，開發出了更具競爭力的VIP 板產品，使國內的VIP 板產品不但擁有成本優勢，在技術上也達到了國際水平。目前，全球VIP 板供應商主要集中在日本、德國、美國、韓國和中國等地。大型企業有福建賽特、蘇州維艾普、日本松下、德國Va-Q-Tec 和韓國LG Hausys，這5 家企業不僅技術先進，生產規模也較大，分別供應全球一線品牌的高端節能冰箱及相關應用領域，占據行業領先地位。其中，福建賽特、松下、LG Hausys 的VIP 板產品主要應用于冰箱冷柜，德國Va-Q-Tec、蘇州維艾普則同時應于建筑和冰箱。

4 結語

真空絕熱板是一種新型節能絕熱材料。真空絕熱板技術，一方面利用真空絕熱原理，可有效消除對流效應，另一方面通過對芯材的優化選擇，將熱傳導控制在合理水平，并能有效減少熱輻射。VIP 板由于結合了真空絕熱和微孔絕熱兩種方法，較為理想地達到保溫、節能的絕熱效果和目的，是一種新型、高效絕熱材料。真空絕熱板技術各項性能的提高、制造成本的進一步降低，以及應用領域的不斷拓展，未來幾年，隨著我國經濟的發展，將成為大規模建設活動以及節能改造的主要技術，其市場需求量巨大，前景光明。