真空絕熱板在節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

齊丹丹 張晟昊 周 楓

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 引言

近年來，世界各國為了發(fā)展經(jīng)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(zhì)量的生存環(huán)境構(gòu)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(jīng)濟迅速發(fā)展中的人口大國，資源短缺與環(huán)境污染帶來的挑戰(zhàn)前所未有，節(jié)能減排已是當務(wù)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(yōu)異的材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)可達到3 mW/(m·K)，其熱阻相當于同等厚度傳統(tǒng)絕熱材料的10 倍甚至更高[1-3]，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重優(yōu)點。因此，研究如何提高真空絕熱板技術(shù)，開拓VIP 的應(yīng)用領(lǐng)域，對經(jīng)濟快速發(fā)展、環(huán)境問題日益嚴峻的中國而言，是有效解決能源環(huán)境問題的辦法之一。

1 真空絕熱板概述

1.1 真空絕熱板構(gòu)造

VIP 的結(jié)構(gòu)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(nèi)真空度，要求芯材具有導(dǎo)熱系數(shù)低、開孔率高、不親水，對環(huán)境零污染等性能。阻氣膜是保障芯材不與外界氣體發(fā)生滲透的結(jié)構(gòu)，要求該結(jié)構(gòu)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(nèi)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(nèi)多余氣體（芯材自身產(chǎn)生存在的或透過阻氣結(jié)構(gòu)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(tài)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(dǎo)熱、VIP內(nèi)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(dǎo)熱占32%，板內(nèi)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(yīng)最大程度地優(yōu)化其各構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)，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(jié)構(gòu)。因輻射傳熱無處不在，但可以在阻氣膜上應(yīng)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(guān)[4,5]，所以要盡可能提高板內(nèi)真空度，降低氣體和水蒸氣的含量。

圖2 多孔介質(zhì)常態(tài)下熱傳導(dǎo)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(nèi)部的傳熱機制非常復(fù)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(jié)構(gòu)中的輻射換熱。為減少芯材的導(dǎo)熱量，一般選用低導(dǎo)熱率的多孔介質(zhì)作為芯材的原材料，目前最常用的原材料有硬質(zhì)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(jié)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(yīng)盡可能滿足如下條件：①芯材自身導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大；②韌性強，因為板內(nèi)是真空狀態(tài)，芯材作為骨架起支撐作用，要保證在內(nèi)外壓差約105 Pa壓力下不發(fā)生VIP的變形塌陷；③高孔隙率，便于抽真空，節(jié)約生產(chǎn)成本。通過研究不同類型的VIP 芯材，針對芯材的導(dǎo)熱系數(shù)、保溫性能、組成成分、結(jié)構(gòu)模型等進行比較，得到新一代VIP 芯材的發(fā)展方向。

2 真空絕熱板的應(yīng)用

真空絕熱板作為新型的綠色環(huán)保絕熱材料，可以應(yīng)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(yè)，是各種建筑物、工業(yè)窯爐、鍋爐、熱交換器、蒸餾塔、儲罐、冷庫、煙道、管道、閥門、風(fēng)機、空調(diào)、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(fā)出形狀各異的真空絕熱板，如圖4所示。VIP現(xiàn)已在冰箱、冷庫、冷藏集裝箱、醫(yī)用保溫箱等商業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在航空航天、交通運輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)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(tǒng)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(lǐng)域。而且，近年來隨著建筑領(lǐng)域能耗的驟增，有效降低外墻保溫的能耗，使VIP 大量應(yīng)用于現(xiàn)代建筑領(lǐng)域[7,8]。生產(chǎn)建筑領(lǐng)域應(yīng)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?，F(xiàn)在已有VIP應(yīng)用于墻面、屋面、地面和陽臺的工程實例[9]。據(jù)資料顯示，VIP使用于冰箱上可節(jié)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(yīng)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(yè)的需求

VIP 板作為一種新型節(jié)能絕熱材料，以其絕熱性能方面的先天優(yōu)勢，在冰箱冰柜、冷鏈物流等保冷領(lǐng)域率先得以推廣應(yīng)用，尤其在高端節(jié)能冰箱冰柜領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。冰箱冰柜是VIP 板應(yīng)用的重要領(lǐng)域，也是VIP 板市場最先發(fā)展的領(lǐng)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(chǎn)商如GE、Electrolux、Whirpool、LG、Sharp、松下、三星都生產(chǎn)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(jīng)濟發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的日益提升，消費者的升級換代需求逐步體現(xiàn)，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(chǎn)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(jié)能產(chǎn)品上實現(xiàn)普遍應(yīng)用，在普通冰箱冷柜產(chǎn)品上，也可逐步實現(xiàn)對傳統(tǒng)保溫材料的替代，市場前景廣闊。

2.2 VIP板在冷鏈物流行業(yè)的需求

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

冷鏈物流系統(tǒng)保冷設(shè)施還包括冷藏車、蓄冷箱等，均需大量使用節(jié)能絕熱材料，是VIP 板應(yīng)用的重要潛在市場。以我國冷藏車為例，據(jù)統(tǒng)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?shù)呢浳锬壳叭砸揽科胀ㄜ囕v運輸，冷藏車現(xiàn)有量遠遠不能滿足日益增長的需求，冷藏車市場發(fā)展前景廣闊，尤其是隨著速凍、保鮮食品的發(fā)展，將促進冷藏車輛需求的大幅增長。隨著生鮮到家，從農(nóng)場直接到餐桌服務(wù)的快速增長，將為VIP 在冷鏈物流領(lǐng)域的應(yīng)用帶來增長良機。

2.3 VIP板在其他領(lǐng)域的需求

除上述領(lǐng)域外，VIP 板應(yīng)用還包括自動售販賣機、醫(yī)療冷藏、建筑節(jié)能、保溫型熱水器等領(lǐng)域。VIP 板作為超高效絕熱節(jié)能材料，早已在自動販賣機上有所應(yīng)用，隨著全球經(jīng)濟的逐步發(fā)展，發(fā)展中國家的人均自動販賣機數(shù)量將持續(xù)上升。醫(yī)療冷藏設(shè)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(yīng)用帶來穩(wěn)定的市場空間。隨著VIP板生產(chǎn)技術(shù)的成熟及生產(chǎn)成本的降低，VIP 板在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)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(yè)持續(xù)增長以及VIP 板的逐步普及，VIP 板在保溫型熱水器領(lǐng)域市場前景十分廣闊。

3 VIP板開發(fā)及市場

VIP 板產(chǎn)品由國外最先研制，國外的企業(yè)在時間上和技術(shù)上有優(yōu)勢。國內(nèi)的VIP 板生產(chǎn)企業(yè)起步較晚，但國內(nèi)擁有原材料豐富、人工費用相對低廉的優(yōu)勢。2013年以來不少企業(yè)在吸收、創(chuàng)新了海外企業(yè)的工藝技術(shù)后，開發(fā)出了更具競爭力的VIP 板產(chǎn)品，使國內(nèi)的VIP 板產(chǎn)品不但擁有成本優(yōu)勢，在技術(shù)上也達到了國際水平。目前，全球VIP 板供應(yīng)商主要集中在日本、德國、美國、韓國和中國等地。大型企業(yè)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(yè)不僅技術(shù)先進，生產(chǎn)規(guī)模也較大，分別供應(yīng)全球一線品牌的高端節(jié)能冰箱及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，占據(jù)行業(yè)領(lǐng)先地位。其中，福建賽特、松下、LG Hausys 的VIP 板產(chǎn)品主要應(yīng)用于冰箱冷柜，德國Va-Q-Tec、蘇州維艾普則同時應(yīng)于建筑和冰箱。

4 結(jié)語

真空絕熱板是一種新型節(jié)能絕熱材料。真空絕熱板技術(shù)，一方面利用真空絕熱原理，可有效消除對流效應(yīng)，另一方面通過對芯材的優(yōu)化選擇，將熱傳導(dǎo)控制在合理水平，并能有效減少熱輻射。VIP 板由于結(jié)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(jié)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(shù)各項性能的提高、制造成本的進一步降低，以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，未來幾年，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，將成為大規(guī)模建設(shè)活動以及節(jié)能改造的主要技術(shù)，其市場需求量巨大，前景光明。