2010/07/05
經濟部能源局
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▓撰文：張育誠、陳遠達、吳國光、焦鴻文
保溫材料又可稱為隔熱材料（Thermal Insulation Materials），是一種應用於隔熱技術的基本材料，其主要是降低在高溫下之熱傳導效果，盡可能的抑制熱的移動為目的所用的材料。一般而言，保溫材料常見運用於工業製程加熱系統中，如：鋼鐵業、水泥業、石化業、陶瓷業及焚化爐等做為高溫爐之爐體保溫，可以有效利用能源、減少熱損失、提高機組整體熱效率。
能源消耗與保溫材料的關係
依據經濟部能源局的統計資料顯示，截至2009年12月底，國內主要耗能部門包含：工業部門、商業部門、運輸部門、農業部門、住宅部門與其他部門等，其中又以工業部門每年能源消耗為最多（52.5％），即占整體耗能部門的二分之一以上，依序為運輸（13.2％）次之、住宅（11.6％）、服務業（11.5％）、能源部門（7.2％）、非能源消費（3.1％）等。
一般而言，化石能源主要用戶端為蒸汽動力機組，亦是為能源消耗最大部門，通常為達高能源使用效率，多半涉及到爐體設計、改善煤炭品質及進行燃燒調整（Tuning）等方式來達成目標，而以上方式皆是以改善燃燒狀況為主，但是，根據美國能源局（DOE）能源技術資料指出，一般高溫工業加熱爐總輸入熱量中，大約有10～25％藉由熱傳機制造成熱損失（Heat Loss），對於能源損耗亦將是關鍵因素之一，因此，如何有效減少工業爐或鍋爐爐體熱損失，即成為降低能源消耗非常重要的課題。
此外，美國能源局也依據幾項重要製程加熱技術項目與發展邏輯，訂定出短期（2001至2004年）、中期（至2010年）、長期（至2020年）的目標，其中有關保溫材料技術發展，將是以中、長期目標為主，其規劃如下：
一、中期：改良保溫材料密閉性能與基礎設計、發展低密度與低滲透性之保溫材料。
二、長期：改良保溫材料冷卻技術。
由此可見，國外針對製程加熱系統中，保溫材料技術在未來展望與前瞻目標，均持有相當正面且積極的作法。其中，國外發展保溫材料主要的性能指標，分別為能源效率與材料成本兩項，依據性能指標進行材料技術開發。
保溫材料常見應用於工業加熱爐體或煙道的隔熱及斷熱，對於防止散熱、節能及作業安全非常重要，保溫材料此項產品雖不如高科技電子產品具龐大的市場，然而每年仍有固定的需求，用於新加熱設備或舊有設備之更新汰換。此外，早期最常應用於工業鍋爐之保溫為石綿保溫材，但是石綿無法於長時間下連續承受高溫度，並且此種材質有致癌的健康顧慮，而現有保溫效果最好之進口陶瓷纖維（Ceramic Fiber）棉毯類的熱傳導係數仍嫌過高，約為國外目前正在研發之先進保溫材料的2倍以上。最常見之節能保溫材料主要包括：岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫塑料、水泥聚苯板、矽酸鹽複合絕熱砂漿等。
選擇上的五個基本考量
一般而言，保溫材料除了具備抑制熱量傳遞之外，還必須具備5種基本特性，包括：
一、低熱傳導係數
保溫材料之熱傳導係數愈小，保溫效果愈佳。一般來說，在工程上熱傳導係數低於0.175W╱m-K的材料稱為保溫材料。
二、低熱膨脹係數
由於材料因為溫度梯度，所發生之膨脹與收縮現象，其材料兩點間之距離變化，稱之為線膨脹係數，因此，當保溫材料之熱膨脹係數越小時，代表材料受熱變化小。
三、防水性
由於保溫材料會因外來水分或吸收濕氣後，水分容易滯留於材料孔隙之內，造成材料熱傳導係數上升，而使得保溫效果降低。因此，保溫材料若能在表面噴塗一層防水塗料，不但確保保溫效果，並兼具有防水之功能，不僅可增加材料之耐久性，亦可增加防水效果。
四、高熱容量
低熱容量之材料，當受到熱量時，溫度會急速上升，若熱源停止供熱時，則溫度急速下降，其溫度變化較為劇烈。反之高熱容量之材料，溫度上升緩慢，亦即溫度改變量較小。因此，保溫材料之應用以高熱容量者愈佳。
五、材質輕
保溫材料內部構造具有許多孔隙，故重量較輕；孔隙最好是密閉性，因為半連續性孔隙會導致吸水作用，造成保溫性質下降。
影響熱傳導係數的主要因素
熱傳導係數主要為保溫材料良窳之性能指標。當熱傳導係數增減所代表之意義，為材料熱通量之大小，材料若需有良好的保溫特性時，則熱傳導係數越低越好。一般物質熱傳導係數，當中以氣體熱傳導係數為最低。
其中，影響材料導熱係數的因素很多，主要可分為：材料形狀、含水率、視密度與孔隙特徵、溫度、濕度及熱流方向等6大部分，以下分項說明。
一、隔熱材形狀
不同材質材料具有不同的熱傳導係數，當中以純金屬的導熱係數最大，合金次之，而氣體為最小。保溫材料大致可分為纖維質（Fibrous Medium）保溫材與多孔質（Porous Medium）保溫材。纖維質保溫材料如陶瓷纖維、岩棉製成之棉毯；多孔質保溫材如耐火磚、矽酸鈣板等板材。其中，多孔質保溫材料由於孔隙率高，孔隙中氣體（空氣）對熱傳係數的影響相當大。在固體結構部分，無論是結晶態或玻璃態對熱傳導係數影響不大，僅對熱流方向與熱傳遞方式有關。因此，在多孔性保溫材料之孔隙率，是主要影響熱傳導之重要參數。
二、含水率
水的導熱係數約為0.58W╱m-K，是空氣（0.029W╱m-K）的20倍左右，由於保溫材料內部含有大量空氣，當材料吸濕後，空隙由水氣所填滿，則孔隙中蒸汽的擴散與水分子的熱傳導將起主要傳熱作用。此外，當空隙中之水蒸氣比熱較空氣為大，高溫側蒸發向低溫側擴散凝結，放出潛熱，凝結成冰，則冰的導熱係數更大（2.33W╱m-K），其結果將導致材料的熱傳導係數增大，使得材料保溫性降低。
三、視密度與孔隙特徵
由於材料中固體物質的熱傳導能力要比空氣大，因此視密度小的材料，其孔隙率大，則熱傳導係數小。在孔隙率相同的條件下，孔隙尺寸愈大，熱傳導係數愈大；開孔型（open-cell）孔隙較封閉型（close-cell）孔隙導熱性高。對於視密度很小的材料，特別是纖維狀材料，當其視密度低於某一極限值時，熱導係數反而會增加，主要由於孔隙增大且開孔型孔隙增多，造成對流作用增強之結果。
四、溫度
保溫材料以使用溫度範圍來區分，可分為：高溫保溫材料（溫度範圍為500～2,500K）、中溫保溫材料（溫度範圍200～500K）及低溫保溫材料（溫度範圍小於200K）等3大類。材料的熱傳導係數主要會隨著溫度升高而增加，因為溫度升高時，材料固體分子的熱運動增強，同時材料孔隙中空氣的導熱和孔壁間的輻射作用也有所增加。當溫度在0～50℃範圍內時並不顯著，只有對處於高溫或負溫下的材料，才要考慮溫度的影響。但在中、高溫保溫材料之熱傳導係數有隨溫度上升而急增傾向。
五、熱流方向
針對異方向性的材料，如纖維質的材料，當熱流平行於纖維方向時，則熱流受到阻力小，而熱流垂直於纖維方向時，受到的阻力就增加。
六、其他因素
保溫材料之使用需考慮使用部位之輻射、對流或壓力等，如防止輻射傳熱方面，使用熱線反射率大的鋁箔可有效抑制，此外，壓力會影響空隙內之對流作用，並且隨著氣體壓力增高，熱傳導率增大。
結語
在工業上常見大型耗能之動力設備，除了講求設備效率之外，更重要的在於降低高溫下所產生之熱損失。根據2005年全國能源會議指出，國際各國因應二氧化碳減量所採取的措施之一，即是如何提高能源轉換與使用效率。因此，大型耗能之動力設備應更進一步，針對系統的隔熱╱保溫工程進行評估與瞭解，徹底降低因系統熱損失所造成之無效能源轉換行為。（作者任職於工研院能環所）