隔热与阻热技术在日本节能中的发展与应用

2015-10-14董振斌

电力需求侧管理 2015年3期

关键词：热传导保温材料通量

董振斌，孙　晶，袁　飞

（1.国家电网公司电力需求侧管理指导中心，南京　210024；2.东南大学电气工程学院，南京　210096）

◆环球揽革◆

隔热与阻热技术在日本节能中的发展与应用

董振斌1，孙晶1，袁飞2

（1.国家电网公司电力需求侧管理指导中心，南京210024；2.东南大学电气工程学院，南京210096）

据2012年日本能源白皮书记载，自石油危机以来，日本的能源消费以民生部门（家庭用电与办公用电）及运输部门为中心呈上升趋势，而这期间产业部门能源消费却每年基本持平，形成了显著反差对比。究其原因，相比于民生部门以追求生活便利性为主要方式，产业部门对于节约用电的意识明显增强「1」。分析家庭中能源消费的组成分类可见，空调、热水方面的热能需求量约占总需求量的60%，因此，结合全国节电要求，节省能源、减少能耗，将成为主要消费理念。

在民生领域内能源消费量大幅增长的背景下，日本近年倡导了Zero emissions building（ZEB，真正零能耗、零排放大楼）、Zero emissions house（ZEH，真正零能耗、零排放住宅）以及节能时尚住宅的新理念「2」。最重要的就是最大限度地利用太阳能等可再生能源，同时提高建筑物的隔热性能，采用IT技术实现能源管理，以最小的能耗保持室内的舒适温度。这就是与之相关的现代隔热与阻热技术。

1　隔热与阻热的重要性

一般来说，只要有温差，自然界的温度就向熵值增大的方向发展，所以如果需要有效地利用热能，就必须消除热利用过程中不必要的热传递，保持其温差。隔热与阻热就是其中一种技术手段，也就是俗称的保温。

1.1能耗现状

根据日本资源能厅能源供应速报（2013年11月16日）统计，2012年产业部门（制造业）的能源消费量为5.814×1015J，占全日本能耗总量的40%。折算原油约1.5×1011L/年，二氧化碳的排放量约3.93×108t/年「3」。

1.2节能效果估算

根据日本节能法的能源管理所推定，目前有14 363个作业点需要能耗整改。假设这其中有5%，即718个作业点采用隔热与阻热措施，并达到10%的节能成效，那么产业领域内一年的能耗与二氧化碳的排放量将可作如下估算。

能耗的减少量（换算成原油）为150×109L/年×0.05×0.1=7.5×108L/年；二氧化碳的排放减少量为3.93×108t/年×0.05×0.1=1.96×106t/年。

2　隔热与阻热的基本概念

包括隔热、阻热在内的热传导形式可分为两大类：“传导热传导”与“辐射热传导”。二者差别在于热传导的过程是否需要介质。

一般情况下，为防止传导热传导（分子运动而产生的热，需要介质）称为隔热，为防止辐射热传导（电磁波能源，不需要介质）称为阻热，日本工业标准中也这样定义「4」。

2.1隔热的基本概念

“传导热”传导时热的传导量是与其传递点位置温度曲线呈比例关系，所以可用公式（1）傅里叶定律表达。

式中：辐射热通量q为单位面积与单位时间上的热传递量（热流束），W/m2；比例系数λ是物体的传热特性，称为热导率，W/（m·K）。如果不考虑应用的温度区域，该值的变化区间为多层真空隔热的10-5～103W/（m·K）之间。

相对固体材料的热传导率来说，金属材料传导率高，绝缘材料传导率低，而气体及木材、纸张、硬质氨基甲酸乙酯等多孔性质的材料都是低热导率的材质。各主要材料的热传导率如表1所示。料），热导材料中没有热超导体与热绝缘体（完全绝热）。这从物理学上也很好理解，如果没有温差，也就没有让热流动的势能，则热也就没有热传导（没有超热传导）；同样，如果存在温差，就必然存在热的移动（同样没有完全的隔热）。

表1　各主要材料的热传导率

2.2阻热的基本概念

“辐射热”传导时热通量与两介质平面的温度以及辐射率有关。假设一个有无限大且平行的2个平面之间存在辐射的热通量q，平面1的温度为T1，辐射率为ε1，平面2的温度为T2，辐射率为ε2。这时辐射热通量q如公式（2）。

式中：σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，值为5.67×10-8，辐射率取值在0～1之间，以材料特性决定取值（黑体的辐射率等于1）。

需要注意的是，不同的应用环境会对辐射热通量有很大影响，如：不同温度、不同表面形状等。如公式（2）所示，两辐射率均取1时，辐射的热通流为最大，相反，如果取值越小，则辐射的热通流就越小。

另一种情况是在这平行的两平面中间插入一个辐射率为εf箔片，由于平面1与箔片间的辐射的热通量与平面2与箔片间的辐射的热通量是相等的，所以箔的温度为Tf时，公式（3）、公式（4）成立。

简化Tf后得公式（5）

与公式（2）比较后可见，公式（5）的分母值更大。所以，不论插入什么样的箔片，都可减小辐射热通量。同时从公式（5）可知，所插入的箔片材料辐射系数越小，或插入箔片数越多，就越能降低两平行平面间的辐射热通量。

由以上分析可知，一般隔热主要是通过更换热传导率更低的材料，而阻热则通过阻热涂料降低传热表面的辐射系数或者增加阻热层阻挡辐射。而实际应用中，通常将隔热与阻热相结合，以此来达到节能的效果。

3　隔热与阻热技术的应用

3.1项目实施流程

一般可以取得较大节能效果的项目，需要有如图1所示的工作流程。

（1）现有设备、装置热损失诊断

图1　隔热与阻热项目实施流程

通过热敏图像等仪表对现有设备与装置的表面温度、散热量等进行检测，根据取得的该设备的热图像等数据，推算出项目实施对象某位置上的热损失。

（2）编写相应材料的劣化程度表

根据取得的热图像数据，计算出散热量、热损失的情况，分别确认材料的劣化程度，编写相应表格，方便后续确定项目实施范围与方法。

（3）确定项目实施的范围与方法

根据已编写完成的材料劣化数据表以及实施的项目图表（燃料消费测算、二氧化碳排放降低成效等测算结果）向用户提交方案，由此确定、更新项目的实施范围与施工方法。

具体的施工方案如下「5」：

方案1：对原来没有隔热阻热材料防护的位置增加相应的材料。如：安装简易可拆卸的保温罩。在阀门、法兰盘等部件处制作相应的保温罩。盖罩边可用拉链或扣子固定，不需要依赖专业人员就可以实现设备的可脱卸保温。一般情况也可用耐热布料缝制，纤维质地内部充填保温材料。此方法对保温工程不易涉及的地方具有非常大的节能效果。

方案2：不拆除原有材料设施，在原有基础上增加相应材料的施工，如：增加一个保温层。这种施工方法可节省拆除费用，同时具有取得更好节能效果的优势。但这种方法要求原有的保温材料达到能够继续使用的标准，增加保温厚度以后不影响其他设施且不增加施工难度，所增加的材料具备低热导性能，同时新增厚度控制在最低限度，才能实施。

方案3：拆除原有材料设施，采用隔热阻热性能更好的材料重新施工，如：使用低导热保温材料。在需要更新改造时更换低热导、高性能保温材料，在厚度不变的情况下实现更好的节能效果。目前可选择的产品有：保温材料内部气隙更细密的纳米级的保温材料，或者就保温老产品自身已有材质能提高的替代产品等。

（4）增加或更新项目的施工方案

与用户交换意见，确定施工范围，进行增加或更新改造施工。

（5）确认项目实施后的节能效果

项目施工完成后，应用与施工前同样的方式进行热诊断与状态分析，计算出施工后的节能效果（包括燃料成本、二氧化碳排放减少量等），最后向厂家提交成果报告书。

3.2隔热项目施工后的节能效果

隔热项目比较有代表性的就是更换热传导率更低的新型保温材料，并优化施工工艺，如：日本保温保冷工业协会计划部介绍的对某项目进行隔热改造「6」。其对现有设备或机器、管道上进行更新改造施工后，对节能成效进行了估算，估算记录如表2所示。

表2是采用了新型保温材料Pyrogel XT（超低热导材料，防水性与水蒸汽穿透性能优良），施工方式为e'-AIM施工法。从表2可以看出，方案的节能效果显著。

3.3阻热项目施工后的节能效果

阻热项目一般应用于保冷（夏天降温），比较具有代表性的是通过建筑物喷涂涂料而实现。如：日本涂料建筑株式会社建筑涂料技术支持事业部对东京都内一大楼楼顶进行了测试，检测内容包括是否使用涂料、夏季降温效果的比较和涂料2年后的降温变化情况的比较「7」。

大楼内的2处房间均为是35 m2，形状、大小基本相同，两者相距100 m的A室与B室，并在相同的位置放置了传感器。A室喷涂涂料，B室不喷涂。在屋顶硅重力梁的外侧与内侧以及顶面天花板面设置温度测点进行测量。室外气温的测量是放置在A室的门口，屋顶水平面的测点则用来测量全天候的热辐射量。

A室的高折射率涂料的施工标准是在聚氯乙烯树脂膜表面安装温度传感器，然后分别顺序施工双组液态环氧树脂系列白色涂料（标准膜厚度30 μm），双组液态氨基甲酸乙酯树脂系列高折射率白色涂料（标准膜厚度60 μm）。评价阻热项目的节能效果，一般是把涂料喷涂后的试验体置于阳光直射下，测量出试验体表面与背面的温度，从而了解涂料的降温性能。为了解涂料的降温程度，在夏季的8月份进行测量，测试时间间隔为5 min，取相应的最高气温日以及最大温度差值，具体的测量结果如表3所示。

对比测试室A、B的温度可以发现，喷涂高折射率的阻热层对建筑物室内温度的降低是有效的。同时，室A与室B出现最大温差的时间点并不同步，并不确定在同一时刻点上出现。通过与喷涂1年后、喷涂2年后的数据对比发现，喷涂材料经受住了时间的考验，在一定的时间范围内是有效的。

4　结束语

本文介绍了隔热阻热的重要性、基本概念以及与隔热阻热材料相关的技术应用。不论是民生部门还是产业部门、运输部门，热管理是一项重要技术。隔热阻热技术可以从另一侧面节约能源、降低二氧化碳的排放，简单来说，节能就是要降低热能的损失，也就是加强隔热阻热项目的实施建设。作为节能技术中的重要技术，期待隔热阻热技术的不断进步。D

「1」宗像铁雄.从节能角度看隔热、阻热的重要性「J」.日本节能，2013（3）：26-29.

「2」八木俊明，高桥克行.隔热建材应用后降低电费的显著成效「J」.日本节能，2013（3）：52-54.

「3」黑坂和弥.工厂的热能损失及其应对措施「J」.日本节能，2013（3）：30-32.

「4」德永义弘，吉田胜彦，山下大辅.建筑物采用阻热帘方式在夏、冬季的节能「J」.日本节能，2013（3）：38-42.

「5」服部幸夫.工业生产中的保温与维护方法「J」.日本节能，2013（3）：33-37.

「6」崛之内淳.应用工程强化方式加强节能效果「J」.日本节能，2013（3）：43-47.

「7」樱田将至.建筑物外墙采用高折射率涂料降低室温的验证「J」.日本节能，2013（3）：47-51.

（本栏责任编辑孙晶）

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）

在节能减排的背景下，为降低热能损失，隔热与阻热技术的发展越发显现其重要性。分析日本近年来能耗现状与发展隔热阻热技术的必要性，从原理上对隔热阻热技术进行分析，重点介绍隔热与阻热技术在日本节能领域中的应用实例。实例证明，隔热与阻热技术可以很好地节约能源、降低能耗与二氧化碳的排放，值得推广应用。

隔热；阻热；热管理；节能

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