高性能真空隔熱板的研發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐

陸錦良

浙江華恒復(fù)合材料有限公司

0 引言

在能源技術(shù)的發(fā)展中，20世紀(jì)是絕熱技術(shù)充分發(fā)展的一個(gè)世紀(jì)。在當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的前提下，環(huán)境保護(hù)與能源節(jié)約是隨之產(chǎn)生的兩大主題。無論從整個(gè)國際經(jīng)濟(jì)氣候還是中國宏觀經(jīng)濟(jì)大勢(shì)來看，中國能源問題已經(jīng)日趨嚴(yán)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(yīng)多樣化和可再生能源應(yīng)用已迫在眉睫，節(jié)能降耗勢(shì)在必行。十屆全國人大常委會(huì)第三十次會(huì)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(shí)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(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》中，促進(jìn)能源節(jié)約的“綠色發(fā)展”被多次強(qiáng)調(diào)。節(jié)約能源是我國現(xiàn)代化建設(shè)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，是保證我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略決策，是我們當(dāng)前的工作目標(biāo)，也是我們對(duì)世界、對(duì)未來、對(duì)子孫后代的堅(jiān)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(shè)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(chǎn)生很大的社會(huì)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(duì)流效應(yīng)，另一方面通過對(duì)芯材的優(yōu)化選擇，將熱傳導(dǎo)控制在合理水平，并能減少熱輻射。真空隔熱板由于結(jié)合了真空絕熱和微孔絕熱兩種方法，能夠很好地達(dá)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(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到0．001~0．002 W/(m·K)，在同等厚度條件下，具有10倍于傳統(tǒng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)熱、內(nèi)部殘留氣體的導(dǎo)熱、對(duì)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(yīng)最大限度地優(yōu)化其構(gòu)成部分的性能，尤其要綜合考慮以下三個(gè)方面的問題。

1)芯材

芯材要有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，并具備一定的強(qiáng)度，以避免抽成真空時(shí)塌陷，同時(shí)還要有一定的孔隙，便于形成真空。

2)阻隔膜結(jié)構(gòu)

隔氣結(jié)構(gòu)材料要具有良好的隔氣性能與阻熱性能，同時(shí)還要具有一定的強(qiáng)度，以保護(hù)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(guān)。為了保證絕熱效果，需要將板內(nèi)的真空度維持在一定數(shù)值之下。

真空隔熱板源于上世紀(jì)七八十年代，由于加工工藝復(fù)雜、成本高等原因，真空隔熱板主要應(yīng)用于軍事國防等領(lǐng)域。2007年以前，在民用產(chǎn)品上的應(yīng)用未能普及。近年來，隨著世界各國對(duì)環(huán)保和節(jié)能要求的提高，行業(yè)內(nèi)的企業(yè)加大了對(duì)高效真空隔熱板的研發(fā)力度，同時(shí)制造成本顯著降低，真空隔熱板已被廣泛應(yīng)用于冰箱、冰柜、電熱水器、自動(dòng)販賣機(jī)、冷凍箱、冷藏集裝箱、輸熱管道、核電設(shè)施、建筑墻體保溫等領(lǐng)域。目前，真空隔熱板在日本、韓國以及歐美國家的應(yīng)用較為普遍，尤其在日韓的大容積風(fēng)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(dǎo)致的能源危機(jī)影響及國內(nèi)較有利的補(bǔ)貼政策，真空隔熱板節(jié)能冰箱市場(chǎng)發(fā)展較快，應(yīng)用比例達(dá)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(yīng)用比例僅為3%左右。

2 真空隔熱板的優(yōu)勢(shì)

圖1是真空隔熱板與傳統(tǒng)保溫材料的性能對(duì)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(jí)別的防火性能。結(jié)合真空隔熱板和傳統(tǒng)保溫材料的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，試驗(yàn)分別采用冰箱、冷藏箱和保溫箱進(jìn)行了應(yīng)用對(duì)照分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖1 真空隔熱板與傳統(tǒng)保溫材料的性能對(duì)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(jià)格高于傳統(tǒng)保溫材料，但用戶使用冰箱4~6年節(jié)約的電費(fèi)，已相當(dāng)于冰箱采用真空隔熱板增加的成本費(fèi)用。采用真空隔熱板隔熱，除了經(jīng)濟(jì)意義外，還具有冰箱重量輕，體積小的優(yōu)點(diǎn)。冰箱門和冷凍箱的上開門，要求質(zhì)輕、壁薄，采用真空隔熱板隔熱有較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

2）冷藏箱

當(dāng)使用傳統(tǒng)PU或PF等蓄冷材料維持低溫時(shí)，其保溫期只有1~2天，而當(dāng)采用真空隔熱板作為隔熱層之后，保溫期延長(zhǎng)至4~5天，使原來必須空運(yùn)的物品，可以改用卡車運(yùn)輸或者火車運(yùn)輸，大幅度降低了運(yùn)輸費(fèi)用。

3）冷藏保溫箱

在內(nèi)裝保溫物品相同的情況下，采用PU泡沫作為隔熱層時(shí)，外形尺寸57 cm×50 cm×50 cm，隔熱層厚度為3．8 cm，內(nèi)裝21．8 kg冷卻劑，保溫期為120 h。當(dāng)采用真空隔熱板隔熱時(shí)，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(nèi)裝7 kg冷卻劑，保溫期長(zhǎng)達(dá)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(zhǎng)66%，顯著提升了隔熱效果，減少了運(yùn)費(fèi)，提高了運(yùn)距，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

3 真空隔熱板在家電領(lǐng)域的應(yīng)用

表1是某公司生產(chǎn)的不同規(guī)格的真空隔熱板的相關(guān)參數(shù)。該產(chǎn)品擁有獨(dú)特的高效保溫芯材制備技術(shù)，采用的芯材制備技術(shù)屬于干法短切絲制造工藝，該工藝早在2014年已經(jīng)擁有技術(shù)積累，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)能力。芯材是最先進(jìn)的真空隔熱板核心，選用特定的玻璃纖維，并采用干法技術(shù)使玻璃纖維分散性更強(qiáng)，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(dǎo)熱系數(shù)很低，使用壽命長(zhǎng)，性價(jià)比高。真空隔熱板的主要成分是無機(jī)氧化物，高達(dá)總重量76%的組成是二氧化硅以及其它無機(jī)氧化物，而且在生產(chǎn)加工中不添加有機(jī)物質(zhì)。這種芯材可以重復(fù)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(shù)的先進(jìn)玻璃纖維芯材，能夠制作更低導(dǎo)熱系數(shù)的真空隔熱板，由于沒有添加有機(jī)物，能使真空隔熱板壽命長(zhǎng)。另外，這類芯材在應(yīng)用領(lǐng)域方面還具有較高的空隙率，可以制作成真空隔熱板，導(dǎo)熱系數(shù)很低，可達(dá)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(shì)，可用在氣體管道的保溫。

表1 某公司生產(chǎn)的真空隔熱板的參數(shù)

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該產(chǎn)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(shí)產(chǎn)權(quán)。比如中間帶孔VIP、板面帶槽VIP、可折彎VIP、可弧VIP等類型，其結(jié)構(gòu)外觀如圖2所示。

圖2 開發(fā)的不同結(jié)構(gòu)和外形的真空隔熱板

該產(chǎn)品還推廣用于多個(gè)家電領(lǐng)域，如冰箱、熱水器、保溫箱、冷藏集裝箱、自動(dòng)販賣機(jī)等。

4 真空隔熱板在建筑領(lǐng)域的應(yīng)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(jù)能源消耗的比重相當(dāng)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(yīng)用于建筑領(lǐng)域，我國的真空隔熱板生產(chǎn)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(shù)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(yīng)用已經(jīng)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(tǒng)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(dāng)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(gè)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(xué)獎(jiǎng)。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(dāng)于2 L燃油的消耗，這種能耗遠(yuǎn)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(jīng)很多。這些建筑外表樸實(shí)無華，但內(nèi)部構(gòu)造非常精致，尤其在墻體結(jié)構(gòu)、門窗玻璃、采暖方式等方面運(yùn)用了大量的新技術(shù)。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(jìn)熱與散熱源盡可能保溫。這些建筑的能耗與用傳統(tǒng)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(chǎng),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(jīng)達(dá)到全社會(huì)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(diǎn)對(duì)象。因此，2019年以來，住建系統(tǒng)主管部門已經(jīng)發(fā)布了很多建筑節(jié)能的新政策，極大地促進(jìn)了真空隔熱板在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。

某公司也開發(fā)了針對(duì)建筑應(yīng)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(guān)安全問題，因此外層需要添加一層玻纖布，結(jié)構(gòu)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(nèi)。根據(jù)國家檢測(cè)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，該產(chǎn)品的真空隔熱板性能遠(yuǎn)優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)，與傳統(tǒng)保溫材料相比具有保溫層厚度薄、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。隨著世界各國對(duì)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(shè)施、建筑墻體保溫等多個(gè)領(lǐng)域都顯示出極大的應(yīng)用前景。