真空绝热板在节能领域的应用

齐丹丹 张晟昊 周 枫

上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

近年来，世界各国为了发展经济，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，已对人类高质量的生存环境构成了很大威胁。中国是全球能源消耗大国之一，二氧化碳及颗粒物排放已严重影响到人们的身体健康和日常生活。对于处于经济迅速发展中的人口大国，资源短缺与环境污染带来的挑战前所未有，节能减排已是当务之急。真空绝热板（Vacuum insulation panel，简称VIP板）作为目前隔热保温效果优异的材料，它的导热系数可达到3 mW/(m·K)，其热阻相当于同等厚度传统绝热材料的10 倍甚至更高[1-3]，具有节能和环保的双重优点。因此，研究如何提高真空绝热板技术，开拓VIP 的应用领域，对经济快速发展、环境问题日益严峻的中国而言，是有效解决能源环境问题的办法之一。

1 真空绝热板概述

1.1 真空绝热板构造

VIP 的结构可分为三部分，是由芯材（Core Material）、阻气膜（Barrier Envelope）、吸气剂/干燥剂（getter/dryer）组成，其示意图如图1所示。其中芯材是真空绝热板的核心骨架，为保证板内真空度，要求芯材具有导热系数低、开孔率高、不亲水，对环境零污染等性能。阻气膜是保障芯材不与外界气体发生渗透的结构，要求该结构具有良好的保温性能，较强的机械性能，最重要的是能最大限度地阻止外界气体和水蒸气的渗透，维持板内高真空度。气体吸附材料如吸气剂和干燥剂，是用来吸收板内多余气体（芯材自身产生存在的或透过阻气结构膜从外界进入的气体和水蒸气），要求该材料具有较强的针对性吸附气体能力，以此保证VIP 在真空状态下的有效保温性。

图1 真空绝热板示意图

1.2 真空绝热板绝热原理

VIP的热量传递主要由芯材的导热、VIP内部残留气体的对流传热和辐射传热3 部分组成，由图2可以看出真空绝热板热量传递过程中各部分所占的比例，芯材导热占32%，板内残余气体热对流占48%，辐射传热20%。围绕最大限度地降低这3 部分热量传递，VIP 在制作中应最大程度地优化其各构成部分的性能，尤其要注意以下3 个方面的问题。①芯材。芯材须有较低的导热系数，一定的强度，以避免抽真空时塌瘪，同时还有一定的孔隙，便于形成真空。②阻气膜结构。因辐射传热无处不在，但可以在阻气膜上应用湮灭红外线和可见光的材料，以此减弱热辐射，同时隔气材料要具有良好的隔气性能和阻热性能，具有一定的强度，以保护芯材。③真空度。真空度的大小与VIP的热工性能息息相关[4,5]，所以要尽可能提高板内真空度，降低气体和水蒸气的含量。

图2 多孔介质常态下热传导组分耦合比例

1.3 真空绝热板芯材

芯材作为VIP 的骨架材料和维持真空的必备条件，芯材的选择对于VIP 的隔热效果和使用寿命都有较大的影响。芯材内部的传热机制非常复杂，不仅涉及固体与气体的热，还涉及相互间的对流换热及芯材多孔结构中的辐射换热。为减少芯材的导热量，一般选用低导热率的多孔介质作为芯材的原材料，目前最常用的原材料有硬质聚氨酯、玻璃纤维、气相二氧化硅等，如图3所示。使用时可以单一材料使用，也可以把材料两两结合混合使用。

图3 常用芯材

为保证VIP在真空度高的使用条件下依然具有良好的保温隔热性能，芯材的选择应尽可能满足如下条件：①芯材自身导热系数小、热阻大；②韧性强，因为板内是真空状态，芯材作为骨架起支撑作用，要保证在内外压差约105 Pa压力下不发生VIP的变形塌陷；③高孔隙率，便于抽真空，节约生产成本。通过研究不同类型的VIP 芯材，针对芯材的导热系数、保温性能、组成成分、结构模型等进行比较，得到新一代VIP 芯材的发展方向。

2 真空绝热板的应用

真空绝热板作为新型的绿色环保绝热材料，可以应用于建筑、冶金、化工、电力、石油、建材、机械、轻工、纺织、军工、交通运输、仓储等行业，是各种建筑物、工业窑炉、锅炉、热交换器、蒸馏塔、储罐、冷库、烟道、管道、阀门、风机、空调、车船等保温、保冷、隔热、吸声、消声的多功能材料。为满足不同场所的使用需求，研究人员已开发出形状各异的真空绝热板，如图4所示。VIP现已在冰箱、冷库、冷藏集装箱、医用保温箱等商业领域广泛应用，在航空航天、交通运输等工业领域也有涉及[6]。VIP具有极好的绝热保温性能，在相同热阻条件下，所需要VIP的厚度是传统的绝热保温材料的1/7，因此VIP材料可以适用于对材料厚度要求较高的领域。而且，近年来随着建筑领域能耗的骤增，有效降低外墙保温的能耗，使VIP 大量应用于现代建筑领域[7,8]。生产建筑领域应用的VIP 的公司较少，目前仅有瑞士和德国逐步建立起以VIP作为保温材料的建筑市场。现在已有VIP应用于墙面、屋面、地面和阳台的工程实例[9]。据资料显示，VIP使用于冰箱上可节能10%～30%，且能增加20%～30%的冰箱的有效容积。采用VIP 保温材料应用在建筑外墙，可降低15%～25%的建筑电能消耗，且能增大10%的建筑有效空间[10]。

图4 形状各异的VIP板

2.1 VIP板在冰箱冰柜行业的需求

VIP 板作为一种新型节能绝热材料，以其绝热性能方面的先天优势，在冰箱冰柜、冷链物流等保冷领域率先得以推广应用，尤其在高端节能冰箱冰柜领域已广泛应用。冰箱冰柜是VIP 板应用的重要领域，也是VIP 板市场最先发展的领域。VIP 板在日本市场用量较大，家用冰箱中约70%使用了VIP板，欧洲次之，美国较少。国外冰箱主要品牌的生产商如GE、Electrolux、Whirpool、LG、Sharp、松下、三星都生产VIP 隔热冰箱[11,12]。

冰箱和冷柜作为家电必需品，其市场新增需求有一定的刚性，随着经济发展，人们对生活品质的日益提升，消费者的升级换代需求逐步体现，高端冰箱冰柜的占比将提升冰箱保有量的增加，高端冰箱冰柜因其售价较高、产品附加值高的特性，将率先使用VIP 材料。未来几年，冰箱冰柜用VIP 市场将迎来高速增长期。VIP板不仅在高端节能产品上实现普遍应用，在普通冰箱冷柜产品上，也可逐步实现对传统保温材料的替代，市场前景广阔。

2.2 VIP板在冷链物流行业的需求

冷链物流（Cold Chain Logistics）泛指冷藏冷冻类食品在生产、贮藏运输、销售至消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下，以保证食品质量，减少食品损耗的一项系统工程。它是随着科学技术的进步、制冷技术的发展而建立起来的，是以冷冻工艺学为基础、以制冷技术为手段的低温物流过程。冷链运作的每个环节始终和能耗密切相关，因此，控制能耗，降低冷链运营成本对于促进冷链的发展至关重要。

冷链物流系统保冷设施还包括冷藏车、蓄冷箱等，均需大量使用节能绝热材料，是VIP 板应用的重要潜在市场。以我国冷藏车为例，据统计，目前我国冷藏车保有量约5 万辆，鉴于大量需要冷藏运输的货物目前仍依靠普通车辆运输，冷藏车现有量远远不能满足日益增长的需求，冷藏车市场发展前景广阔，尤其是随着速冻、保鲜食品的发展，将促进冷藏车辆需求的大幅增长。随着生鲜到家，从农场直接到餐桌服务的快速增长，将为VIP 在冷链物流领域的应用带来增长良机。

2.3 VIP板在其他领域的需求

除上述领域外，VIP 板应用还包括自动售贩卖机、医疗冷藏、建筑节能、保温型热水器等领域。VIP 板作为超高效绝热节能材料，早已在自动贩卖机上有所应用，随着全球经济的逐步发展，发展中国家的人均自动贩卖机数量将持续上升。医疗冷藏设备大部分属低温保冷，对隔热效果要求往往比家用或商用冰箱要高，对隔热材料的性能要求更高，为VIP 板应用带来稳定的市场空间。随着VIP板生产技术的成熟及生产成本的降低，VIP 板在建筑节能领域的应用将逐渐展开，市场前景看好。保温型热水器包括电热水器、太阳能热水器以及热泵热水器等。现在已有不少电热水器用VIP 板作为保温材料，随着热水器行业持续增长以及VIP 板的逐步普及，VIP 板在保温型热水器领域市场前景十分广阔。

3 VIP板开发及市场

VIP 板产品由国外最先研制，国外的企业在时间上和技术上有优势。国内的VIP 板生产企业起步较晚，但国内拥有原材料丰富、人工费用相对低廉的优势。2013年以来不少企业在吸收、创新了海外企业的工艺技术后，开发出了更具竞争力的VIP 板产品，使国内的VIP 板产品不但拥有成本优势，在技术上也达到了国际水平。目前，全球VIP 板供应商主要集中在日本、德国、美国、韩国和中国等地。大型企业有福建赛特、苏州维艾普、日本松下、德国Va-Q-Tec 和韩国LG Hausys，这5 家企业不仅技术先进，生产规模也较大，分别供应全球一线品牌的高端节能冰箱及相关应用领域，占据行业领先地位。其中，福建赛特、松下、LG Hausys 的VIP 板产品主要应用于冰箱冷柜，德国Va-Q-Tec、苏州维艾普则同时应于建筑和冰箱。

4 结语

真空绝热板是一种新型节能绝热材料。真空绝热板技术，一方面利用真空绝热原理，可有效消除对流效应，另一方面通过对芯材的优化选择，将热传导控制在合理水平，并能有效减少热辐射。VIP 板由于结合了真空绝热和微孔绝热两种方法，较为理想地达到保温、节能的绝热效果和目的，是一种新型、高效绝热材料。真空绝热板技术各项性能的提高、制造成本的进一步降低，以及应用领域的不断拓展，未来几年，随着我国经济的发展，将成为大规模建设活动以及节能改造的主要技术，其市场需求量巨大，前景光明。