曾 敏 王 華 鄒均名 李文斌

（中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410114）

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影響顯著。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?，本文著重從冬季防止內(nèi)表面結(jié)露及夏季防止內(nèi)表面溫度過高這2 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?jié)駸釟怏w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，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[2]；同時(shí)能保障車間在冬季有適宜的溫度。GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱阻進(jìn)行了限定，計(jì)算如式（1）～式（2）所示。

式中，?ty為冬季室內(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，℃。當(dāng)不允許內(nèi)表面結(jié)露時(shí)，?ty計(jì)算見式（3）。

由式（1）～式（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計(jì)算見式（4）。

式中，αλ為材料導(dǎo)熱系數(shù)的修正系數(shù)；k為最小熱阻修正系數(shù)，磚石墻體取0.95，外門取0.60，其他取1；a為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；tn、te、tl分別為冬季室內(nèi)計(jì)算溫度、冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計(jì)算溫度（見GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表5.1.6-2）、室內(nèi)計(jì)算溫度和相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度，℃；αn、αw分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面換熱系數(shù)，W/(m2?K)，對(duì)于鋼屋面，兩者相對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)阻很小，本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，將其作為一個(gè)安全余量，不計(jì)入公式；δ、λ分別為圍護(hù)結(jié)構(gòu)主斷面各層材料厚度（m）、導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；Rk為空氣間層的熱阻，m2·K/W。

以岳陽某造紙車間雙層壓型鋼板復(fù)合保溫屋面構(gòu)造為例（見圖1），面板0.5 mm 厚鍍鋁鋅鋼板（密度ρ≈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Fig.1 Roofing structure with composite insulation of profiled double-layer steel plate

圖2 為防止內(nèi)表面結(jié)露的保溫層最小厚度隨室內(nèi)溫濕度的變化曲線。從圖2可以看出，隨著溫濕度的提高，保溫層最小厚度增大。在相同濕度（φ<90%）時(shí)，保溫層最小厚度隨室內(nèi)溫度tn升高增速很慢；當(dāng)φ由90%增至95%時(shí)，保溫層最小厚度隨室溫tn增速略增大；在相同室內(nèi)溫度下，當(dāng)φ>90%，保溫層最小厚度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-tl→0，則δmin→∞。因此，冬季造紙車間室內(nèi)溫濕度的參數(shù)對(duì)保溫層最小厚度的影響顯著，有必要將車間上方的溫度控制在低于35℃，濕度90%。

圖2 岳陽地區(qū)典型雙層壓型鋼屋面保溫層最小厚度Fig.2 Minimum thickness of typical double-layer laminated steel roof thermal-preservation layer in rueyang

2 滿足夏季隔熱節(jié)能設(shè)計(jì)的隔熱層最小厚度

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，從而維持車間一定的熱環(huán)境。根據(jù)實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]，自然通風(fēng)條件下屋面內(nèi)表面溫度最大值滿足式（5）。

屋面內(nèi)表面溫度可近似按式（6）和式（7）計(jì)算[3]。

式中，θi,max為內(nèi)表面最高溫度，℃；te,max為夏季室外計(jì)算溫度最高值（按參考文獻(xiàn)[3]表4.1-12取值），為室外綜合溫度平均值，℃；αi為內(nèi)表面換熱系數(shù)，W（/m2·K）；Atsa為室外綜合溫度波幅，℃；β、β'為相位差修正系數(shù)，此處取1；Imax、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，℃；?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，℃。

按照上式計(jì)算，為便于獲得可靠的計(jì)算原始數(shù)據(jù)，選取夏熱冬冷地區(qū)的南京、長(zhǎng)沙及夏熱冬暖地區(qū)的福州、廣州4 個(gè)城市，由實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]中表4.1-12 查得計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)如表1 所示，結(jié)合式（5）、式（7），均為變量，因此制Excel 計(jì)算表試算，并繪制計(jì)算出的所需隔熱層最小厚度隨室溫的變化曲線，結(jié)果見圖3。

表1 南京、長(zhǎng)沙、福州、廣州相關(guān)計(jì)算參數(shù)Table 1 Relevant calculation parameters in Nanjing,Changsha,Fuzhou and Guangzhou

圖3 隔熱層計(jì)算最小厚度Fig.3 Minimum thickness of thermal insulating layer

從表1 及圖3 可知，南京夏季室外計(jì)算溫度最高值及平均值均低于長(zhǎng)沙，而其夏季太陽輻射照度平均值大于長(zhǎng)沙，所需的隔熱層厚度較大。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℃）。而福州和南京的曲線幾乎重合，原因在于夏季室外最高計(jì)算溫度僅相差0.1℃。

3 屋面保溫/隔熱層的最小厚度計(jì)算分析

仍以上述為例，將室內(nèi)干球溫度25~35℃及各自對(duì)應(yīng)在φ=80%、90%、95%的相關(guān)參數(shù)帶入式（1）~式（4），計(jì)算原始條件見表2。從滿足冬季防結(jié)露最小熱阻、夏季隔熱的要求計(jì)算出長(zhǎng)沙地區(qū)雙層壓型鋼板造紙車間屋面的保溫（隔熱）層最小厚度，結(jié)果如圖4所示。

表2 長(zhǎng)沙地區(qū)室內(nèi)空氣狀態(tài)參數(shù)Table 2 Indoor air state parameters in Changsha

由圖4 可以看出，在長(zhǎng)沙地區(qū)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)溫度達(dá)到34℃及以上時(shí)均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態(tài)，但當(dāng)相對(duì)濕度高于90%以上時(shí)，防結(jié)露計(jì)算出的最小厚度反而超過了隔熱所需最小厚度。根據(jù)GB 50019—2015《工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》查知，長(zhǎng)沙地區(qū)夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度為32.9℃，假定工作地點(diǎn)溫度為35℃，由于存在溫度梯度，屋面內(nèi)表面溫度極有可能超過夏季室外計(jì)算溫度te,max，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℃、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)。

圖4 長(zhǎng)沙地區(qū)屋面保溫層最小厚度比較Fig.4 Comparison of minimum roof thermal-preservation layer thickness in Changsha

為分析不同地區(qū)屋面保溫/隔熱層的最小厚度，同時(shí)也為簡(jiǎn)化計(jì)算工作量，僅以上述4個(gè)典型城市在φ=80%和φ=90%對(duì)應(yīng)的濕球溫度下求得的最小傳熱阻要求保溫厚度及夏季隔熱層厚度的計(jì)算結(jié)果見圖5和圖6所示。

由圖5 和圖6 可以看出，在φ=80%、tn=30~35℃時(shí)，4 個(gè)城市根據(jù)夏季隔熱計(jì)算出的保溫層最小厚度均大于冬季防結(jié)露計(jì)算保溫層厚度；而當(dāng)φ=90%時(shí)，除福州、廣州地區(qū)仍是隔熱計(jì)算出的保溫層最小厚度始終大于冬季防結(jié)露計(jì)算保溫層厚度，南京和長(zhǎng)沙地區(qū)則有可能出現(xiàn)防結(jié)露計(jì)算保溫層厚度反超夏季隔熱計(jì)算保溫層最小厚度的情況；tn=35℃時(shí)福州和廣州地區(qū)夏季隔熱計(jì)算保溫層最小厚度已超過工程實(shí)際，按照夏季隔熱計(jì)算保溫層最小厚度已失去意義。因此，對(duì)于夏熱冬冷地區(qū)應(yīng)以夏季隔熱計(jì)算確定保溫層最小厚度δmin，并校核是否滿足冬季防結(jié)露要求的最小厚度要求；對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)，僅需核算冬季防結(jié)露的保溫層最小厚度即可。

圖5 不同地區(qū)保溫/隔熱層最小厚度比較（φ=80%）Fig.5 Comparison of minimum thermal-preservation/thermal insulating layer thickness in different areas(φ=80%)

圖6 不同地區(qū)保溫/隔熱層最小厚度比較（φ=90%）Fig.6 Comparison of minimum thermal-preservation/thermal insulating layer thickness in different areas(φ=90%)

4 結(jié) 語

4.1 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)露最小保溫層厚度。

4.2 造紙車間室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度對(duì)保溫層厚度影響顯著，對(duì)于工程設(shè)計(jì)常采用的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫濕度tn=35℃、φ=90%，夏熱冬暖地區(qū)無需計(jì)算隔熱所需保溫層厚度，做內(nèi)表面防結(jié)露計(jì)算，并參考GB 51245—2017《工業(yè)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》推薦值。