高性能真空隔热板的研发和应用实践

陆锦良

浙江华恒复合材料有限公司

0 引言

在能源技术的发展中，20世纪是绝热技术充分发展的一个世纪。在当前世界经济高质量发展的前提下，环境保护与能源节约是随之产生的两大主题。无论从整个国际经济气候还是中国宏观经济大势来看，中国能源问题已经日趋严峻，2015年中国的原油消耗量约为5．08亿t，能源消耗过多，环境压力加大，必须采取有力措施，解决存在的突出问题。能源供应多样化和可再生能源应用已迫在眉睫，节能降耗势在必行。十届全国人大常委会第三十次会议表决通过《节约能源法》修订草案，自2008年4月1日起施行。新的《节约能源法》在法律层面将节约资源确定为我国的基本国策，明确规定，要实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略。在《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》中，促进能源节约的“绿色发展”被多次强调。节约能源是我国现代化建设中的一项重要任务，是保证我国经济社会可持续发展的重要战略决策，是我们当前的工作目标，也是我们对世界、对未来、对子孙后代的坚定承诺。

开发高效隔热材料是节约能源的重要方向之一，特别是在石油化工、制冷设备、核电等行业，优良的隔热保温材料能够减少能量损耗，降低成本，可以产生很大的社会效益。真空隔热板（Vacuum Insulation Panel,VIP）是一种新型高效的保温隔热材料，它以多孔芯材作为填充，采用阻气薄膜包裹后抽真空制成，一方面利用真空绝热原理，可以有效消除对流效应，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，并能减少热辐射。真空隔热板由于结合了真空绝热和微孔绝热两种方法，能够很好地达到保温、节能的绝热效果和目的，是一种新型、高效的绝热材料。一般来说，真空隔热板的导热系数可以达到0．001~0．002 W/(m·K)，在同等厚度条件下，具有10倍于传统材料的优异绝热性能，近年来得到了非常广泛的研究和应用。本文阐述了真空隔热板的定义、发展历程、绝热原理和性能，介绍了真空隔热板在家电和建筑行业中的应用。

1 真空隔热板的发展历程

真空隔热板主要由芯材（Core Material）、阻隔膜（Barrier Envelope）、吸气剂（Getter）或干燥剂（Dryer）等三部分组成。真空隔热板的热量传递主要由芯材的导热、内部残留气体的导热、对流传热和辐射传热等四部分组成。为了最大限度地降低这四部分热量传递，真空隔热板在制作过程中应最大限度地优化其构成部分的性能，尤其要综合考虑以下三个方面的问题。

1)芯材

芯材要有较低的导热系数，并具备一定的强度，以避免抽成真空时塌陷，同时还要有一定的孔隙，便于形成真空。

2)阻隔膜结构

隔气结构材料要具有良好的隔气性能与阻热性能，同时还要具有一定的强度，以保护芯材。

3)真空度

真空度的大小与隔热板的隔热性能紧密相关。为了保证绝热效果，需要将板内的真空度维持在一定数值之下。

真空隔热板源于上世纪七八十年代，由于加工工艺复杂、成本高等原因，真空隔热板主要应用于军事国防等领域。2007年以前，在民用产品上的应用未能普及。近年来，随着世界各国对环保和节能要求的提高，行业内的企业加大了对高效真空隔热板的研发力度，同时制造成本显著降低，真空隔热板已被广泛应用于冰箱、冰柜、电热水器、自动贩卖机、冷冻箱、冷藏集装箱、输热管道、核电设施、建筑墙体保温等领域。目前，真空隔热板在日本、韩国以及欧美国家的应用较为普遍，尤其在日韩的大容积风冷冰箱上，为追求使用容积最大化，真空隔热板被大量使用，其中日本受2011年福岛核泄漏事件导致的能源危机影响及国内较有利的补贴政策，真空隔热板节能冰箱市场发展较快，应用比例达到70%。从全球范围来看，目前仅约10%的冰箱、冰柜使用真空隔热板作为保温材料，我国目前应用比例仅为3%左右。

2 真空隔热板的优势

图1是真空隔热板与传统保温材料的性能对比。由图1可以看出，真空隔热板是目前保温性能最高的材料，且具备A级别的防火性能。结合真空隔热板和传统保温材料的实际应用领域，试验分别采用冰箱、冷藏箱和保温箱进行了应用对照分析，实验结果如下。

图1 真空隔热板与传统保温材料的性能对比

1）冰箱

采用真空隔热板作为隔热层可以节能20%～40%，并且增加有效容积20%~30%。尽管真空隔热板的价格高于传统保温材料，但用户使用冰箱4~6年节约的电费，已相当于冰箱采用真空隔热板增加的成本费用。采用真空隔热板隔热，除了经济意义外，还具有冰箱重量轻，体积小的优点。冰箱门和冷冻箱的上开门，要求质轻、壁薄，采用真空隔热板隔热有较大的技术经济意义。

2）冷藏箱

当使用传统PU或PF等蓄冷材料维持低温时，其保温期只有1~2天，而当采用真空隔热板作为隔热层之后，保温期延长至4~5天，使原来必须空运的物品，可以改用卡车运输或者火车运输，大幅度降低了运输费用。

3）冷藏保温箱

在内装保温物品相同的情况下，采用PU泡沫作为隔热层时，外形尺寸57 cm×50 cm×50 cm，隔热层厚度为3．8 cm，内装21．8 kg冷却剂，保温期为120 h。当采用真空隔热板隔热时，其外形尺寸减小为33 cm×46 cm×28 cm，保温层厚度仅为2．5 cm，内装7 kg冷却剂，保温期长达200 h。采用真空隔热板后，保温箱体积减少了70%，所需的冷却剂减少了68%，而保温期则延长66%，显著提升了隔热效果，减少了运费，提高了运距，经济效果明显。

3 真空隔热板在家电领域的应用

表1是某公司生产的不同规格的真空隔热板的相关参数。该产品拥有独特的高效保温芯材制备技术，采用的芯材制备技术属于干法短切丝制造工艺，该工艺早在2014年已经拥有技术积累，并实现量产能力。芯材是最先进的真空隔热板核心，选用特定的玻璃纤维，并采用干法技术使玻璃纤维分散性更强，排布更合理，有效地提高孔隙率。采用这种特殊的芯材，能使真空隔热板导热系数很低，使用寿命长，性价比高。真空隔热板的主要成分是无机氧化物，高达总重量76%的组成是二氧化硅以及其它无机氧化物，而且在生产加工中不添加有机物质。这种芯材可以重复使用和回收利用。玻璃纤维直径在7~12μm，更利于环境健康，降低粉尘。采用新型干法技术的先进玻璃纤维芯材，能够制作更低导热系数的真空隔热板，由于没有添加有机物，能使真空隔热板寿命长。另外，这类芯材在应用领域方面还具有较高的空隙率，可以制作成真空隔热板，导热系数很低，可达到0．002 W/m．K以下。耐高温，可用于烤箱保温，还具有耐低温的优势，可用在气体管道的保温。

表1 某公司生产的真空隔热板的参数

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该产品还在真空隔热板的外形上作了不断的尝试和突破，并形成知识产权。比如中间带孔VIP、板面带槽VIP、可折弯VIP、可弧VIP等类型，其结构外观如图2所示。

图2 开发的不同结构和外形的真空隔热板

该产品还推广用于多个家电领域，如冰箱、热水器、保温箱、冷藏集装箱、自动贩卖机等。

4 真空隔热板在建筑领域的应用

建筑耗能一般包括建筑采暖、降温、电气、照明等所用的能源，其中以采暖和降温能耗量最多。建筑物保暖占据能源消耗的比重相当惊人，我国北方建筑能耗占全部能耗的20%以上，而墙体传热在建筑物总体传热中所占比例为最大。为了降低能耗，德国和瑞士等欧洲国家从2006年开始，逐步开发真空隔热板并应用于建筑领域，我国的真空隔热板生产企业也在2009年开始在建筑工程中推广使用这种高效保温材料。在保证外墙同等传热系数的前提下，使用真空隔热板的建筑外墙保温层的厚度显著下降。

在欧洲国家，真空隔热板目前在建筑上的应用已经形成规模。由于欧洲注重环保和节能，很多老建筑物的改造都使用真空隔热板作为墙体保温材料。与传统保温材料相比，真空隔热板显示出了保温绝热效果好、节省空间的卓越性能。另外，欧洲新建的建筑物也有很大一部分使用了真空隔热板作为墙体保温材料，这样不仅提供了更多居住空间，也节约了相当多的能源。2005年，在德国慕尼黑市中心建成了一座1 200 m2的商住楼，这座楼的两个地下车库、6套居室和6套办公室都使用了真空隔热板作为保温材料。此建筑获得了2005年德国建筑物理学奖。由于真空隔热板杰出的隔热性能，这座楼每年每平方米只消耗20 kWh的能源，相当于2 L燃油的消耗，这种能耗远低于德国低能耗房屋，令人惊叹。

在西欧和北欧的一些国家，高舒适度、低能耗的建筑已经很多。这些建筑外表朴实无华，但内部构造非常精致，尤其在墙体结构、门窗玻璃、采暖方式等方面运用了大量的新技术。如将外墙、房顶和地下都覆盖上10~15 cm厚的真空隔热板作为保温层，并使用中间带真空隔热板隔离层的高性能玻璃与密闭窗框，使窗户这一主要的进热与散热源尽可能保温。这些建筑的能耗与用传统保温材料的建筑相比，减少五分之四的能耗。

目前，我国是世界上最大的建筑市场,每年新增建筑量20亿m2，而新建筑中90%以上仍为高能耗建筑，建筑能耗已经达到全社会能耗的27%。2020年，全国有50%能源消耗在建筑上，建筑节能已成为我国节能减排的重点对象。因此，2019年以来，住建系统主管部门已经发布了很多建筑节能的新政策，极大地促进了真空隔热板在建筑领域的应用。

某公司也开发了针对建筑应用的真空隔热板，这类隔热板与家电行业隔热板的主要区别在于需要涉及防火需求，并需要考虑上墙施工和相关安全问题，因此外层需要添加一层玻纤布，结构为GF/NY/VMPET/AL/PE，其中GF代表是首层的玻纤布，克重为120~180 g/m2。在芯材制造中，采用热压工艺，使得膨胀率在10%以内。根据国家检测机构的数据，该产品的真空隔热板性能远优于国家标准。

5 结论

作为一种新型的隔热保温材料，真空隔热板具有极低的导热系数，与传统保温材料相比具有保温层厚度薄、体积小、重量轻等优点。随着世界各国对环保和节能要求的提高，真空隔热板在冰箱、冰柜、电热水器、冷藏集装箱、输热管道、核电设施、建筑墙体保温等多个领域都显示出极大的应用前景。