高性能真空隔熱板的研發(fā)和應用實踐

陸錦良

浙江華恒復合材料有限公司

0 引言

在能源技術的發(fā)展中，20世紀是絕熱技術充分發(fā)展的一個世紀。在當前世界經濟高質量發(fā)展的前提下，環(huán)境保護與能源節(jié)約是隨之產生的兩大主題。無論從整個國際經濟氣候還是中國宏觀經濟大勢來看，中國能源問題已經日趨嚴峻，2015年中國的原油消耗量約為5．08億t，能源消耗過多，環(huán)境壓力加大，必須采取有力措施，解決存在的突出問題。能源供應多樣化和可再生能源應用已迫在眉睫，節(jié)能降耗勢在必行。十屆全國人大常委會第三十次會議表決通過《節(jié)約能源法》修訂草案，自2008年4月1日起施行。新的《節(jié)約能源法》在法律層面將節(jié)約資源確定為我國的基本國策，明確規(guī)定，要實施節(jié)約與開發(fā)并舉、把節(jié)約放在首位的能源發(fā)展戰(zhàn)略。在《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》中，促進能源節(jié)約的“綠色發(fā)展”被多次強調。節(jié)約能源是我國現代化建設中的一項重要任務，是保證我國經濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策，是我們當前的工作目標，也是我們對世界、對未來、對子孫后代的堅定承諾。

開發(fā)高效隔熱材料是節(jié)約能源的重要方向之一，特別是在石油化工、制冷設備、核電等行業(yè)，優(yōu)良的隔熱保溫材料能夠減少能量損耗，降低成本，可以產生很大的社會效益。真空隔熱板（Vacuum Insulation Panel,VIP）是一種新型高效的保溫隔熱材料，它以多孔芯材作為填充，采用阻氣薄膜包裹后抽真空制成，一方面利用真空絕熱原理，可以有效消除對流效應，另一方面通過對芯材的優(yōu)化選擇，將熱傳導控制在合理水平，并能減少熱輻射。真空隔熱板由于結合了真空絕熱和微孔絕熱兩種方法，能夠很好地達到保溫、節(jié)能的絕熱效果和目的，是一種新型、高效的絕熱材料。一般來說，真空隔熱板的導熱系數可以達到0．001~0．002 W/(m·K)，在同等厚度條件下，具有10倍于傳統材料的優(yōu)異絕熱性能，近年來得到了非常廣泛的研究和應用。本文闡述了真空隔熱板的定義、發(fā)展歷程、絕熱原理和性能，介紹了真空隔熱板在家電和建筑行業(yè)中的應用。

1 真空隔熱板的發(fā)展歷程

真空隔熱板主要由芯材（Core Material）、阻隔膜（Barrier Envelope）、吸氣劑（Getter）或干燥劑（Dryer）等三部分組成。真空隔熱板的熱量傳遞主要由芯材的導熱、內部殘留氣體的導熱、對流傳熱和輻射傳熱等四部分組成。為了最大限度地降低這四部分熱量傳遞，真空隔熱板在制作過程中應最大限度地優(yōu)化其構成部分的性能，尤其要綜合考慮以下三個方面的問題。

1)芯材

芯材要有較低的導熱系數，并具備一定的強度，以避免抽成真空時塌陷，同時還要有一定的孔隙，便于形成真空。

2)阻隔膜結構

隔氣結構材料要具有良好的隔氣性能與阻熱性能，同時還要具有一定的強度，以保護芯材。

3)真空度

真空度的大小與隔熱板的隔熱性能緊密相關。為了保證絕熱效果，需要將板內的真空度維持在一定數值之下。

真空隔熱板源于上世紀七八十年代，由于加工工藝復雜、成本高等原因，真空隔熱板主要應用于軍事國防等領域。2007年以前，在民用產品上的應用未能普及。近年來，隨著世界各國對環(huán)保和節(jié)能要求的提高，行業(yè)內的企業(yè)加大了對高效真空隔熱板的研發(fā)力度，同時制造成本顯著降低，真空隔熱板已被廣泛應用于冰箱、冰柜、電熱水器、自動販賣機、冷凍箱、冷藏集裝箱、輸熱管道、核電設施、建筑墻體保溫等領域。目前，真空隔熱板在日本、韓國以及歐美國家的應用較為普遍，尤其在日韓的大容積風冷冰箱上，為追求使用容積最大化，真空隔熱板被大量使用，其中日本受2011年福島核泄漏事件導致的能源危機影響及國內較有利的補貼政策，真空隔熱板節(jié)能冰箱市場發(fā)展較快，應用比例達到70%。從全球范圍來看，目前僅約10%的冰箱、冰柜使用真空隔熱板作為保溫材料，我國目前應用比例僅為3%左右。

2 真空隔熱板的優(yōu)勢

圖1是真空隔熱板與傳統保溫材料的性能對比。由圖1可以看出，真空隔熱板是目前保溫性能最高的材料，且具備A級別的防火性能。結合真空隔熱板和傳統保溫材料的實際應用領域，試驗分別采用冰箱、冷藏箱和保溫箱進行了應用對照分析，實驗結果如下。

圖1 真空隔熱板與傳統保溫材料的性能對比

1）冰箱

采用真空隔熱板作為隔熱層可以節(jié)能20%～40%，并且增加有效容積20%~30%。盡管真空隔熱板的價格高于傳統保溫材料，但用戶使用冰箱4~6年節(jié)約的電費，已相當于冰箱采用真空隔熱板增加的成本費用。采用真空隔熱板隔熱，除了經濟意義外，還具有冰箱重量輕，體積小的優(yōu)點。冰箱門和冷凍箱的上開門，要求質輕、壁薄，采用真空隔熱板隔熱有較大的技術經濟意義。

2）冷藏箱

當使用傳統PU或PF等蓄冷材料維持低溫時，其保溫期只有1~2天，而當采用真空隔熱板作為隔熱層之后，保溫期延長至4~5天，使原來必須空運的物品，可以改用卡車運輸或者火車運輸，大幅度降低了運輸費用。

3）冷藏保溫箱

在內裝保溫物品相同的情況下，采用PU泡沫作為隔熱層時，外形尺寸57 cm×50 cm×50 cm，隔熱層厚度為3．8 cm，內裝21．8 kg冷卻劑，保溫期為120 h。當采用真空隔熱板隔熱時，其外形尺寸減小為33 cm×46 cm×28 cm，保溫層厚度僅為2．5 cm，內裝7 kg冷卻劑，保溫期長達200 h。采用真空隔熱板后，保溫箱體積減少了70%，所需的冷卻劑減少了68%，而保溫期則延長66%，顯著提升了隔熱效果，減少了運費，提高了運距，經濟效果明顯。

3 真空隔熱板在家電領域的應用

表1是某公司生產的不同規(guī)格的真空隔熱板的相關參數。該產品擁有獨特的高效保溫芯材制備技術，采用的芯材制備技術屬于干法短切絲制造工藝，該工藝早在2014年已經擁有技術積累，并實現量產能力。芯材是最先進的真空隔熱板核心，選用特定的玻璃纖維，并采用干法技術使玻璃纖維分散性更強，排布更合理，有效地提高孔隙率。采用這種特殊的芯材，能使真空隔熱板導熱系數很低，使用壽命長，性價比高。真空隔熱板的主要成分是無機氧化物，高達總重量76%的組成是二氧化硅以及其它無機氧化物，而且在生產加工中不添加有機物質。這種芯材可以重復使用和回收利用。玻璃纖維直徑在7~12μm，更利于環(huán)境健康，降低粉塵。采用新型干法技術的先進玻璃纖維芯材，能夠制作更低導熱系數的真空隔熱板，由于沒有添加有機物，能使真空隔熱板壽命長。另外，這類芯材在應用領域方面還具有較高的空隙率，可以制作成真空隔熱板，導熱系數很低，可達到0．002 W/m．K以下。耐高溫，可用于烤箱保溫，還具有耐低溫的優(yōu)勢，可用在氣體管道的保溫。

表1 某公司生產的真空隔熱板的參數

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該產品還在真空隔熱板的外形上作了不斷的嘗試和突破，并形成知識產權。比如中間帶孔VIP、板面帶槽VIP、可折彎VIP、可弧VIP等類型，其結構外觀如圖2所示。

圖2 開發(fā)的不同結構和外形的真空隔熱板

該產品還推廣用于多個家電領域，如冰箱、熱水器、保溫箱、冷藏集裝箱、自動販賣機等。

4 真空隔熱板在建筑領域的應用

建筑耗能一般包括建筑采暖、降溫、電氣、照明等所用的能源，其中以采暖和降溫能耗量最多。建筑物保暖占據能源消耗的比重相當驚人，我國北方建筑能耗占全部能耗的20%以上，而墻體傳熱在建筑物總體傳熱中所占比例為最大。為了降低能耗，德國和瑞士等歐洲國家從2006年開始，逐步開發(fā)真空隔熱板并應用于建筑領域，我國的真空隔熱板生產企業(yè)也在2009年開始在建筑工程中推廣使用這種高效保溫材料。在保證外墻同等傳熱系數的前提下，使用真空隔熱板的建筑外墻保溫層的厚度顯著下降。

在歐洲國家，真空隔熱板目前在建筑上的應用已經形成規(guī)模。由于歐洲注重環(huán)保和節(jié)能，很多老建筑物的改造都使用真空隔熱板作為墻體保溫材料。與傳統保溫材料相比，真空隔熱板顯示出了保溫絕熱效果好、節(jié)省空間的卓越性能。另外，歐洲新建的建筑物也有很大一部分使用了真空隔熱板作為墻體保溫材料，這樣不僅提供了更多居住空間，也節(jié)約了相當多的能源。2005年，在德國慕尼黑市中心建成了一座1 200 m2的商住樓，這座樓的兩個地下車庫、6套居室和6套辦公室都使用了真空隔熱板作為保溫材料。此建筑獲得了2005年德國建筑物理學獎。由于真空隔熱板杰出的隔熱性能，這座樓每年每平方米只消耗20 kWh的能源，相當于2 L燃油的消耗，這種能耗遠低于德國低能耗房屋，令人驚嘆。

在西歐和北歐的一些國家，高舒適度、低能耗的建筑已經很多。這些建筑外表樸實無華，但內部構造非常精致，尤其在墻體結構、門窗玻璃、采暖方式等方面運用了大量的新技術。如將外墻、房頂和地下都覆蓋上10~15 cm厚的真空隔熱板作為保溫層，并使用中間帶真空隔熱板隔離層的高性能玻璃與密閉窗框，使窗戶這一主要的進熱與散熱源盡可能保溫。這些建筑的能耗與用傳統保溫材料的建筑相比，減少五分之四的能耗。

目前，我國是世界上最大的建筑市場,每年新增建筑量20億m2，而新建筑中90%以上仍為高能耗建筑，建筑能耗已經達到全社會能耗的27%。2020年，全國有50%能源消耗在建筑上，建筑節(jié)能已成為我國節(jié)能減排的重點對象。因此，2019年以來，住建系統主管部門已經發(fā)布了很多建筑節(jié)能的新政策，極大地促進了真空隔熱板在建筑領域的應用。

某公司也開發(fā)了針對建筑應用的真空隔熱板，這類隔熱板與家電行業(yè)隔熱板的主要區(qū)別在于需要涉及防火需求，并需要考慮上墻施工和相關安全問題，因此外層需要添加一層玻纖布，結構為GF/NY/VMPET/AL/PE，其中GF代表是首層的玻纖布，克重為120~180 g/m2。在芯材制造中，采用熱壓工藝，使得膨脹率在10%以內。根據國家檢測機構的數據，該產品的真空隔熱板性能遠優(yōu)于國家標準。

5 結論

作為一種新型的隔熱保溫材料，真空隔熱板具有極低的導熱系數，與傳統保溫材料相比具有保溫層厚度薄、體積小、重量輕等優(yōu)點。隨著世界各國對環(huán)保和節(jié)能要求的提高，真空隔熱板在冰箱、冰柜、電熱水器、冷藏集裝箱、輸熱管道、核電設施、建筑墻體保溫等多個領域都顯示出極大的應用前景。