真空絕熱板熱橋效應數值分析及優化
真空絕熱板隔氣結構引起邊緣熱流損失,尤其是當其中含有金屬層時,所造成的熱橋效應會使真空絕熱板整體導熱系數提高,嚴重影響其絕熱性能。文章建立邊界熱流傳遞數學模型,并基于邊界條件下分析與計算,結果表明,影響真空絕熱板熱橋效應的主要因素包括板材厚度、芯層導熱系數、隔氣結構導熱系數及厚度等,并揭示其影響規律。基于分析的基礎上提出了減小熱橋效應的優化措施,對真空絕熱板的生產及推廣應用具有參考價值。
真空絕熱板(Vacuum Insulation Panel, VIP)是一種高效絕熱材料,目前廣泛應用與冷凍冷藏,交通運輸,醫藥保溫,航空航天及建筑等領域,它是基于真空隔熱機理,由芯層納米級微孔介質材料和低氣體滲透率的隔氣結構真空防護膜組成的熱屏障。微孔介質中的真空可以有效地降低VIP 的導熱系數,20 mm 厚的VIP 其導熱系數可低達0.004 W/ (m·K), 其熱阻值相當于120mm~185 mm 厚的PU 發泡材料的熱阻值。為了
盡可能長久的維持VIP 板內的真空度,要求其隔氣結構具有較高的滲氣率(一般用VIP 的冷藏設備使用壽命不低于25 年,建筑用VIP 不低于50年),在23℃,相對濕度為50%的工況下,其滲氧率不高于0.0005 cm- 3/(m2·day),在38℃,相對濕度為100%的測試工況下,其水蒸氣滲透率不高于0.01 g/(m2·day) 。
為了達到這一要求,隔氣結構一般由金屬或者含有金屬層的多層聚酯基薄膜組成。隔氣結構將新層材料全面的包裹后抽真空封裝,則易于在四周邊緣處產生熱橋效應,即形成熱橋。VIP 的熱橋效應是無法避免的。因隔氣結構與外界環境形成的熱流通道使部分熱量通過隔氣結構直接由熱端傳向冷端,造成熱量流失,導致VIP 整體導熱系數增加,使其絕熱性能下降。對于含有金屬層或金屬基隔氣結構,其整體導熱系數與中心導熱系數相比,會增長64%,甚至380%,這會大大影響VIP 的整體絕熱效果。
目前國內外VIP 生產廠家及研究機構對VIP 導熱系數的研究多是針對VIP 中心區域導熱系數的,而極少有人將VIP 作為一個整體來研究其導熱系數。因為熱橋效應的影響,VIP 整體導熱系數將遠大于其中心區域的導熱系數。Glicksman,L.R.于1991 年首先從數學意義上研究了VIP 熱橋效應的問題,而后大部分學者的研究主要集中在芯層材料、隔氣結構及真空度等因素對中心導熱系數的影響及中心導熱系數的測試方法上,其目的主要是研究VIP 組件對其隔熱性能的影響。近期,Thomas I Thorsell, 和M. Tenpierik 等人研究了用于建筑系統的VIP 的熱橋效應及減少VIP 熱流損失的方法,對于VIP 熱橋效應的認識及其重要性才得到廣泛的關注。
本文對VIP 的熱橋效應及影響因素建立了數值模型并加以分析,提出相應的降低熱橋影響的措施,對VIP 的生產及應用具有指導意義。
1、VIP 的熱橋形成機理
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2、熱橋數學模型及分析
3、分析及計算結果
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3.1、VIP 厚度對熱橋效應的影響
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3.2、VIP 芯材導熱系數對熱橋效應的影響
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3.3、隔氣結構厚度對熱橋效應的影響
3.4、隔氣結構導熱系數對熱橋效應的影響
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4、減小熱橋效應的措施
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5、結論
通過數學建模及計算分析表明,影響VIP 邊緣熱橋效應的主要因素包括芯材的厚度、導熱系數及隔氣結構的厚度及導熱系數等。生產工藝、安裝技術及使用環境對VIP 的邊緣熱流損失也存在一定的影響。在實際生產及應用的過程中,可以從原料及工藝角度入手,有針對性的減少這些參數的影響。目前產品制造工藝存在很大的改進空間,可以采用Serpentine 封邊技術或者采用非側面封邊工藝等技術,減少邊緣熱流損失。施工安裝時也盡量避免對縫空間過大,并加以隔熱處理,進而改善產品性能,更好的發揮VIP 絕熱優勢。VIP 封裝的工藝性研究將會是VIP 性能的研究的一個重點。