隔熱與阻熱技術在日本節(jié)能中的發(fā)展與應用

董振斌，孫　晶，袁　飛

（1.國家電網公司 電力需求側管理指導中心，南京　210024；2.東南大學 電氣工程學院，南京　210096）

◆環(huán)球攬革◆

隔熱與阻熱技術在日本節(jié)能中的發(fā)展與應用

董振斌1，孫晶1，袁飛2

（1.國家電網公司 電力需求側管理指導中心，南京210024；2.東南大學 電氣工程學院，南京210096）

據2012年日本能源白皮書記載，自石油危機以來，日本的能源消費以民生部門（家庭用電與辦公用電）及運輸部門為中心呈上升趨勢，而這期間產業(yè)部門能源消費卻每年基本持平，形成了顯著反差對比。究其原因，相比于民生部門以追求生活便利性為主要方式，產業(yè)部門對于節(jié)約用電的意識明顯增強「1」。分析家庭中能源消費的組成分類可見，空調、熱水方面的熱能需求量約占總需求量的60%，因此，結合全國節(jié)電要求，節(jié)省能源、減少能耗，將成為主要消費理念。

在民生領域內能源消費量大幅增長的背景下，日本近年倡導了Zero emissions building（ZEB，真正零能耗、零排放大樓）、Zero emissions house（ZEH，真正零能耗、零排放住宅）以及節(jié)能時尚住宅的新理念「2」。最重要的就是最大限度地利用太陽能等可再生能源，同時提高建筑物的隔熱性能，采用IT技術實現能源管理，以最小的能耗保持室內的舒適溫度。這就是與之相關的現代隔熱與阻熱技術。

1　隔熱與阻熱的重要性

一般來說，只要有溫差，自然界的溫度就向熵值增大的方向發(fā)展，所以如果需要有效地利用熱能，就必須消除熱利用過程中不必要的熱傳遞，保持其溫差。隔熱與阻熱就是其中一種技術手段，也就是俗稱的保溫。

1.1能耗現狀

根據日本資源能廳能源供應速報（2013年11月16日）統(tǒng)計，2012年產業(yè)部門（制造業(yè)）的能源消費量為5.814×1015J，占全日本能耗總量的40%。折算原油約1.5×1011L/年，二氧化碳的排放量約3.93×108t/年「3」。

1.2節(jié)能效果估算

根據日本節(jié)能法的能源管理所推定，目前有14 363個作業(yè)點需要能耗整改。假設這其中有5%，即718個作業(yè)點采用隔熱與阻熱措施，并達到10%的節(jié)能成效，那么產業(yè)領域內一年的能耗與二氧化碳的排放量將可作如下估算。

能耗的減少量（換算成原油）為150×109L/年×0.05×0.1=7.5×108L/年；二氧化碳的排放減少量為3.93×108t/年×0.05×0.1=1.96×106t/年。

2　隔熱與阻熱的基本概念

包括隔熱、阻熱在內的熱傳導形式可分為兩大類：“傳導熱傳導”與“輻射熱傳導”。二者差別在于熱傳導的過程是否需要介質。

一般情況下，為防止傳導熱傳導（分子運動而產生的熱，需要介質）稱為隔熱，為防止輻射熱傳導（電磁波能源，不需要介質）稱為阻熱，日本工業(yè)標準中也這樣定義「4」。

2.1隔熱的基本概念

“傳導熱”傳導時熱的傳導量是與其傳遞點位置溫度曲線呈比例關系，所以可用公式（1）傅里葉定律表達。

式中：輻射熱通量q為單位面積與單位時間上的熱傳遞量（熱流束），W/m2；比例系數λ是物體的傳熱特性，稱為熱導率，W/（m·K）。如果不考慮應用的溫度區(qū)域，該值的變化區(qū)間為多層真空隔熱的10-5～103W/（m·K）之間。

相對固體材料的熱傳導率來說，金屬材料傳導率高，絕緣材料傳導率低，而氣體及木材、紙張、硬質氨基甲酸乙酯等多孔性質的材料都是低熱導率的材質。各主要材料的熱傳導率如表1所示。料），熱導材料中沒有熱超導體與熱絕緣體（完全絕熱）。這從物理學上也很好理解，如果沒有溫差，也就沒有讓熱流動的勢能，則熱也就沒有熱傳導（沒有超熱傳導）；同樣，如果存在溫差，就必然存在熱的移動（同樣沒有完全的隔熱）。

表1　各主要材料的熱傳導率

2.2阻熱的基本概念

“輻射熱”傳導時熱通量與兩介質平面的溫度以及輻射率有關。假設一個有無限大且平行的2個平面之間存在輻射的熱通量q，平面1的溫度為T1，輻射率為ε1，平面2的溫度為T2，輻射率為ε2。這時輻射熱通量q如公式（2）。

式中：σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數，值為5.67×10-8，輻射率取值在0～1之間，以材料特性決定取值（黑體的輻射率等于1）。

需要注意的是，不同的應用環(huán)境會對輻射熱通量有很大影響，如：不同溫度、不同表面形狀等。如公式（2）所示，兩輻射率均取1時，輻射的熱通流為最大，相反，如果取值越小，則輻射的熱通流就越小。

另一種情況是在這平行的兩平面中間插入一個輻射率為εf箔片，由于平面1與箔片間的輻射的熱通量與平面2與箔片間的輻射的熱通量是相等的，所以箔的溫度為Tf時，公式（3）、公式（4）成立。

簡化Tf后得公式（5）

與公式（2）比較后可見，公式（5）的分母值更大。所以，不論插入什么樣的箔片，都可減小輻射熱通量。同時從公式（5）可知，所插入的箔片材料輻射系數越小，或插入箔片數越多，就越能降低兩平行平面間的輻射熱通量。

由以上分析可知，一般隔熱主要是通過更換熱傳導率更低的材料，而阻熱則通過阻熱涂料降低傳熱表面的輻射系數或者增加阻熱層阻擋輻射。而實際應用中，通常將隔熱與阻熱相結合，以此來達到節(jié)能的效果。

3　隔熱與阻熱技術的應用

3.1項目實施流程

一般可以取得較大節(jié)能效果的項目，需要有如圖1所示的工作流程。

（1）現有設備、裝置熱損失診斷

圖1　隔熱與阻熱項目實施流程

通過熱敏圖像等儀表對現有設備與裝置的表面溫度、散熱量等進行檢測，根據取得的該設備的熱圖像等數據，推算出項目實施對象某位置上的熱損失。

（2）編寫相應材料的劣化程度表

根據取得的熱圖像數據，計算出散熱量、熱損失的情況，分別確認材料的劣化程度，編寫相應表格，方便后續(xù)確定項目實施范圍與方法。

（3）確定項目實施的范圍與方法

根據已編寫完成的材料劣化數據表以及實施的項目圖表（燃料消費測算、二氧化碳排放降低成效等測算結果）向用戶提交方案，由此確定、更新項目的實施范圍與施工方法。

具體的施工方案如下「5」：

方案1：對原來沒有隔熱阻熱材料防護的位置增加相應的材料。如：安裝簡易可拆卸的保溫罩。在閥門、法蘭盤等部件處制作相應的保溫罩。蓋罩邊可用拉鏈或扣子固定，不需要依賴專業(yè)人員就可以實現設備的可脫卸保溫。一般情況也可用耐熱布料縫制，纖維質地內部充填保溫材料。此方法對保溫工程不易涉及的地方具有非常大的節(jié)能效果。

方案2：不拆除原有材料設施，在原有基礎上增加相應材料的施工，如：增加一個保溫層。這種施工方法可節(jié)省拆除費用，同時具有取得更好節(jié)能效果的優(yōu)勢。但這種方法要求原有的保溫材料達到能夠繼續(xù)使用的標準，增加保溫厚度以后不影響其他設施且不增加施工難度，所增加的材料具備低熱導性能，同時新增厚度控制在最低限度，才能實施。

方案3：拆除原有材料設施，采用隔熱阻熱性能更好的材料重新施工，如：使用低導熱保溫材料。在需要更新改造時更換低熱導、高性能保溫材料，在厚度不變的情況下實現更好的節(jié)能效果。目前可選擇的產品有：保溫材料內部氣隙更細密的納米級的保溫材料，或者就保溫老產品自身已有材質能提高的替代產品等。

（4）增加或更新項目的施工方案

與用戶交換意見，確定施工范圍，進行增加或更新改造施工。

（5）確認項目實施后的節(jié)能效果

項目施工完成后，應用與施工前同樣的方式進行熱診斷與狀態(tài)分析，計算出施工后的節(jié)能效果（包括燃料成本、二氧化碳排放減少量等），最后向廠家提交成果報告書。

3.2隔熱項目施工后的節(jié)能效果

隔熱項目比較有代表性的就是更換熱傳導率更低的新型保溫材料，并優(yōu)化施工工藝，如：日本保溫保冷工業(yè)協會計劃部介紹的對某項目進行隔熱改造「6」。其對現有設備或機器、管道上進行更新改造施工后，對節(jié)能成效進行了估算，估算記錄如表2所示。

表2是采用了新型保溫材料Pyrogel XT（超低熱導材料，防水性與水蒸汽穿透性能優(yōu)良），施工方式為e'-AIM施工法。從表2可以看出，方案的節(jié)能效果顯著。

3.3阻熱項目施工后的節(jié)能效果

阻熱項目一般應用于保冷（夏天降溫），比較具有代表性的是通過建筑物噴涂涂料而實現。如：日本涂料建筑株式會社建筑涂料技術支持事業(yè)部對東京都內一大樓樓頂進行了測試，檢測內容包括是否使用涂料、夏季降溫效果的比較和涂料2年后的降溫變化情況的比較「7」。

大樓內的2處房間均為是35 m2，形狀、大小基本相同，兩者相距100 m的A室與B室，并在相同的位置放置了傳感器。A室噴涂涂料，B室不噴涂。在屋頂硅重力梁的外側與內側以及頂面天花板面設置溫度測點進行測量。室外氣溫的測量是放置在A室的門口，屋頂水平面的測點則用來測量全天候的熱輻射量。

A室的高折射率涂料的施工標準是在聚氯乙烯樹脂膜表面安裝溫度傳感器，然后分別順序施工雙組液態(tài)環(huán)氧樹脂系列白色涂料（標準膜厚度30 μm），雙組液態(tài)氨基甲酸乙酯樹脂系列高折射率白色涂料（標準膜厚度60 μm）。評價阻熱項目的節(jié)能效果，一般是把涂料噴涂后的試驗體置于陽光直射下，測量出試驗體表面與背面的溫度，從而了解涂料的降溫性能。為了解涂料的降溫程度，在夏季的8月份進行測量，測試時間間隔為5 min，取相應的最高氣溫日以及最大溫度差值，具體的測量結果如表3所示。

對比測試室A、B的溫度可以發(fā)現，噴涂高折射率的阻熱層對建筑物室內溫度的降低是有效的。同時，室A與室B出現最大溫差的時間點并不同步，并不確定在同一時刻點上出現。通過與噴涂1年后、噴涂2年后的數據對比發(fā)現，噴涂材料經受住了時間的考驗，在一定的時間范圍內是有效的。

4　結束語

本文介紹了隔熱阻熱的重要性、基本概念以及與隔熱阻熱材料相關的技術應用。不論是民生部門還是產業(yè)部門、運輸部門，熱管理是一項重要技術。隔熱阻熱技術可以從另一側面節(jié)約能源、降低二氧化碳的排放，簡單來說，節(jié)能就是要降低熱能的損失，也就是加強隔熱阻熱項目的實施建設。作為節(jié)能技術中的重要技術，期待隔熱阻熱技術的不斷進步。D

「1」宗像鐵雄.從節(jié)能角度看隔熱、阻熱的重要性「J」.日本節(jié)能，2013（3）：26-29.

「2」八木俊明，高橋克行.隔熱建材應用后降低電費的顯著成效「J」.日本節(jié)能，2013（3）：52-54.

「3」黑坂和彌.工廠的熱能損失及其應對措施「J」.日本節(jié)能，2013（3）：30-32.

「4」德永義弘，吉田勝彥，山下大輔.建筑物采用阻熱簾方式在夏、冬季的節(jié)能「J」.日本節(jié)能，2013（3）：38-42.

「5」服部幸夫.工業(yè)生產中的保溫與維護方法「J」.日本節(jié)能，2013（3）：33-37.

「6」崛之內淳.應用工程強化方式加強節(jié)能效果「J」.日本節(jié)能，2013（3）：43-47.

「7」櫻田將至.建筑物外墻采用高折射率涂料降低室溫的驗證「J」.日本節(jié)能，2013（3）：47-51.

（本欄責任編輯孫晶）

Development and application of thermal insulation and resistance energy-saving technology in Japan

DONG Zhen-bin1，SUN Jing1，YUAN Fei2
（1.State Grid Corporation DSM Instruction Center，Nanjing 210024，China；2.College of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

在節(jié)能減排的背景下，為降低熱能損失，隔熱與阻熱技術的發(fā)展越發(fā)顯現其重要性。分析日本近年來能耗現狀與發(fā)展隔熱阻熱技術的必要性，從原理上對隔熱阻熱技術進行分析，重點介紹隔熱與阻熱技術在日本節(jié)能領域中的應用實例。實例證明，隔熱與阻熱技術可以很好地節(jié)約能源、降低能耗與二氧化碳的排放，值得推廣應用。

隔熱；阻熱；熱管理；節(jié)能

In the context of energy-saving emission reduction and in order to reduce heat loss，thermal insulation and resistance technology development will increasingly show its importance.It analyzes the energy consumption status and the necessity of thermal resistance technology development in recent years in Japan，carries on the analysis of the thermal insulation and resistance technology from the principle，focuses on the application of the technology in the field of energy saving technology in Japan.Examples show that the technology can be a good way to save energy and reduce energy consumption and carbon dioxide emissions.It is worthy of popularization and application.

thermal insulation；thermal resistance；thermal management；energy saving

表3　阻熱項目實施前后效果對比

F416.61；TK018

E

2015-03-23；

2015-04-09

董振斌（1967），男，江蘇淮陰人，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、高電壓技術和電力需求側管理等；孫晶（1977），女，吉林長春人，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化、電力需求側管理；袁飛（1991），男，江蘇南通人，碩士，研究方向為電力需求側管理等。