曾敏 楊品德

中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司

0 前言

目前雙層壓型彩鋼板結(jié)構(gòu)屋面廣泛應(yīng)用于造紙車間，鋼板熱阻可以忽略不計(jì)，同時(shí)鋼板對(duì)水蒸氣不滲透等特點(diǎn)使其在屋面構(gòu)造中的溫度分布、水蒸氣分壓力分布等與鋼筋混凝土屋面不同[1]。此外，造紙車間高溫高濕的特點(diǎn)，使得保溫層厚度對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)屋面的熱工特性及車間熱舒適等有顯著影響。目前工程設(shè)計(jì)中，普遍采用防止內(nèi)表面結(jié)露計(jì)算確定保溫層厚度，以防屋面結(jié)露縮短鋼結(jié)構(gòu)屋面的使用壽命，但很少關(guān)注車間夏季的熱舒適感，尤其是夏熱冬冷地區(qū)及夏熱冬暖地區(qū)?；诖耍疚闹貜亩痉乐箖?nèi)表面結(jié)露及夏季防止內(nèi)表面溫度過高這兩個(gè)方面，對(duì)是以保溫還是隔熱來確定保溫層厚度進(jìn)行分析探討。

1 由最小傳熱阻確定保溫層最小厚度

造紙車間鋼屋面保溫的目的主要是防止熱濕氣體遇低溫的鋼屋面底板表面而冷凝結(jié)露，導(dǎo)致露水從屋面滴落在紙幅上面，影響工藝生產(chǎn)質(zhì)量，或沿屋面流淌至側(cè)墻，造成側(cè)墻霉變。同時(shí)能保障車間在冬季有適宜的溫度?！豆I(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50019-2015）對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱阻進(jìn)行了限定，計(jì)算公式如下[2]：

駐ty表示冬季室內(nèi)計(jì)算溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的允許溫差（°C），當(dāng)不允許內(nèi)表面結(jié)露時(shí)

由式（1）～（3）可得屋面結(jié)構(gòu)中保證內(nèi)表面不結(jié)露的保溫層最小厚度為：

式中：α 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；tn，te，t1為冬季室內(nèi)計(jì)算溫度、冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計(jì)算溫度、室內(nèi)計(jì)算溫度和相對(duì)濕度狀況下的露點(diǎn)溫度，°C；αn，αw為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱系數(shù)，W/(m2·°C)；δ 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主斷面各層材料厚度，m；λ 為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主斷面各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·°C)；Rk為空氣間層的熱阻，W/(m·°C)。

以岳陽地區(qū)某造紙車間雙層壓型鋼板復(fù)合保溫屋面構(gòu)造為例[3]（見圖1）：面板0.5 mm 厚鍍鋁鋅鋼板（密度ρ抑7850 kg/m3；導(dǎo)熱系數(shù)λ=58.2 W/(m·K)）；粉紅色超細(xì)環(huán)保玻璃棉（ρ=20 kg/m3；λ=0.037 W/(m·K)）保溫；隔汽層為0.02 mm 厚鋁箔（λ=203 W/(m·K)），貼面背襯聚丙烯膜；70 mm 厚擠塑板防熱橋塊（ρ=20～30 kg/m3；λ=0.03 W/(m·K)）；底板為0.4 mm 厚鍍鋅鋼板，計(jì)算采用保證此種屋面在不同室內(nèi)溫濕度條件下內(nèi)表面不結(jié)露的保溫層最小厚度。

圖1 壓型雙層鋼板復(fù)合保溫屋面構(gòu)造

圖2 表示了防止內(nèi)表面結(jié)露的保溫層最小厚度隨室內(nèi)溫濕度的結(jié)果變化曲線，可以看出，隨著溫濕度的增加保溫厚度要求增大，在相同濕度（φ<90%）時(shí)，保溫厚度隨tn增大增速很慢。當(dāng)φ 由90%增大至95%時(shí)，保溫層厚度隨室溫tn增速略增大。在相同室內(nèi)溫度下，當(dāng)φ>90%對(duì)保溫層的厚度要求隨單位濕度增量升高增快。由式（4）分析可知，當(dāng)φ=100%時(shí)，tn-t1→0，則δmin→肄。因此，冬季造紙車間室內(nèi)溫濕度的參數(shù)對(duì)保溫層厚度的影響重大，有必要將車間上方的溫濕度控制在不超過30°C，90%。

圖2 岳陽地區(qū)典型雙層壓型鋼屋面保溫層計(jì)算最小厚度

2 滿足夏季隔熱節(jié)能設(shè)計(jì)隔熱層最小厚度

造紙車間中的干冷氣流與熱濕氣流不斷進(jìn)行熱質(zhì)交換，會(huì)出現(xiàn)溫度分層現(xiàn)象，夏季鋼屋面內(nèi)表面的溫度越高，對(duì)車間的熱輻射及向室內(nèi)傳熱越大，給車間操作人員帶來的悶熱不適感越強(qiáng)，因此有必要研究如何將屋面內(nèi)表面溫度限定在較低的范圍內(nèi)以達(dá)到隔熱的目的，維持車間一定的熱環(huán)境。本文擬采用[4]中對(duì)自然通風(fēng)條件下屋面內(nèi)表面溫度最大值滿足：

屋面內(nèi)表面溫度可近似按下式計(jì)算：

式中：θi，max為內(nèi)表面最高溫度，°C；te，max為夏季室外計(jì)算最高溫度，°C；β，β'為相位差修正系數(shù)，此處取1；為太陽輻射照度最大值及平均值，W/m2；ρs為太陽輻射吸收系數(shù)，此處取0.79；R0為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱阻，m2·K/W；為室內(nèi)、外計(jì)算溫度平均值，°C；?0，?i為室外綜合溫度波動(dòng)至內(nèi)表面的衰減倍數(shù)、室內(nèi)空氣至內(nèi)表面的衰減倍數(shù)；Ati，Ate為室內(nèi)、外計(jì)算溫度波幅，°C。

按照上述公式計(jì)算，為便于獲得可靠的計(jì)算原始數(shù)據(jù)，選取同處夏熱冬冷地區(qū)的南京、長(zhǎng)沙兩個(gè)城市，由文獻(xiàn)查得計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)列在如表1 中，結(jié)合式（5）、（6）兩式、R0均為變量，因此制Excel 計(jì)算表試算，并將計(jì)算出的所需隔熱層厚度繪制如圖3。

圖3 隔熱層計(jì)算最小厚度

表1 南京、長(zhǎng)沙相關(guān)計(jì)算參數(shù)

從圖3 得出，南京夏季室外計(jì)算溫度最高值及平均值均低于長(zhǎng)沙，而其夏季平均太陽輻射照度大于長(zhǎng)沙，所需的隔熱層厚度越大。因此當(dāng)?shù)叵募臼彝庥?jì)算溫度最高值越低，滿足夏季隔熱設(shè)計(jì)要求的隔熱層厚度越大，長(zhǎng)沙地區(qū)按夏季隔熱設(shè)計(jì)要求的隔熱層最小厚度在24～71 mm（對(duì)應(yīng)鋼屋面內(nèi)側(cè)溫度為30～34°C）。

3 屋面保溫/隔熱層的最小厚度計(jì)算分析

仍以上述為例，計(jì)算原始條件為在室內(nèi)干球溫度25～35°C及各自對(duì)應(yīng)在φ=80%，90%，95%的相關(guān)參數(shù)代入（1）～（4）式，從滿足冬季防結(jié)露最小熱阻、夏季隔熱的要求計(jì)算出岳陽地區(qū)雙層壓型鋼板造紙車間屋面的保溫（隔熱）層最小厚度計(jì)算結(jié)果并整理成如圖4所示。可以看出，造紙車間夏季隔熱計(jì)算出的隔熱層最小厚度在屋頂室內(nèi)側(cè)溫度達(dá)到34°C及以上時(shí)都大于滿足冬季最小傳熱阻所需厚度（取φ=90%），而這一溫度在夏季造紙車間頂部是常有的狀態(tài)，但當(dāng)相對(duì)濕度高于90%以上時(shí)，防結(jié)露最小厚度反而超過了隔熱所需最小厚度。根據(jù)[3]查知長(zhǎng)沙地區(qū)夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為32.9°C，假定工作地點(diǎn)溫度為35°C，由于溫度梯度存在，屋面內(nèi)表面溫度極有可能達(dá)到夏季室外計(jì)算溫度，此時(shí)隔熱所需保溫棉厚度將陡增，這對(duì)于屋面荷載及造價(jià)不利也不現(xiàn)實(shí)。同時(shí)從圖4 可以看出以tn=35°C，φ=90%作為室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)是較為合適的，這也是工程設(shè)計(jì)中通常采用的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)以夏季隔熱計(jì)算確定保溫最小厚度δmin，并校核是否滿足冬季防結(jié)露要求的最小厚度要求。

圖4 岳陽地區(qū)屋面保溫層厚度比較

4 結(jié)語

1）在夏熱冬冷地區(qū)造紙車間雙層壓型鋼板屋面保溫/隔熱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以夏季隔熱計(jì)算確定保溫層的最小厚度，同時(shí)反過來校核是否滿足冬季設(shè)計(jì)工況下的防結(jié)露最小保溫厚度。

2）造紙車間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度對(duì)保溫層厚度有很大影響，當(dāng)室內(nèi)溫度大于35°C，相對(duì)濕度高于90%時(shí)，夏熱冬冷地區(qū)乃至夏熱冬暖地區(qū)均應(yīng)做內(nèi)表面防結(jié)露驗(yàn)算。

本文的相關(guān)結(jié)論可以幫助設(shè)計(jì)人員拓寬至夏熱冬冷地區(qū)高溫高濕車間鋼屋面的保溫/隔熱層的計(jì)算分析。

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