冷庫保溫結構優化分析

鄭大宇，王冠弘，劉衛黨，顏 濤

(哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院，哈爾濱150028)

冷庫保溫層作為冷庫建筑中的重要部分已經越來越多的受到行業的關注.現有冷庫圍護結構主要是采用聚苯板或聚氨酯［1］.聚苯板保溫層的結構是在裸墻內是聚苯板層，聚苯板內是混凝土層，在混凝土里層是墻內板.這種保溫層的缺點是兩面墻的墻角或墻與頂棚的角容易形成冷橋，影響圍護結構傳熱系數，增加耗冷量［2］.聚氨酯保溫結構是聚氨酯噴涂在墻內表面，再在它上面粘墻內板.但是由于聚氨酯的價格較高，這種圍護結構往往費用比較昂貴［3］.本文采用將兩種保溫材料復合的方法解決上述問題.

1 冷庫保溫結構研究模型

1.1 有關參數的選取

選用常用冷庫，凍藏間，庫溫是－20℃作為研究的基本條件［4］.庫墻是標準49墻{傳熱系數是0.7 W/(m2·K)}，外墻需要增設保溫層的面積: (3×20)m2，此時按照夏季室外溫度35℃.

1.2 傳熱性能模型

首先采用傳熱性能指標來分別評價聚氨酯保溫層和聚苯保溫層以及改進型復合保溫層［5］.保溫層熱阻.

其中:R為保溫層熱阻，(m2·K)/W;δ為保溫層厚度，m;λ為保溫層導熱系數;α為修正系數.

1.2.1 聚氨酯保溫層熱阻

按照實際情況和建模要求參數的選擇.

選用141B 25.0/g，密度是27.52 kg/m3聚氨酯材料導熱系數:λ=0.024 12(W/m3·K)［2］.按照設計要求所選擇的外墻保溫厚度是8 cm;按照冷庫設計規范，修正系數選取1.4;外墻保溫層熱阻計算，代入式(1)，計算得2.36(m2·K)/W.

1.2.2 聚苯板保溫層熱阻:

按照實際情況和建模要求參數的選擇.選用擠塑型聚苯板(EPS)，導熱系數λ=0.040(W/m3·K)［2］按照設計要求所選擇的厚度一般是15 cm;內墻按照冷庫設計規范，修正系數選取1.3.

1)聚苯板保溫層熱阻計算

代入式(1)，計算得2.88(m2·K)/W.

2)冷橋引入熱量模型

有關參數的選取:外墻產生的冷橋是一條長50 m，厚度2 mm的狹長縫隙，縫隙和冷間之間只有不帶保溫層的冷庫墻內板.冷庫墻內板的導熱系數約為0.04 W/(m2·K)［6－7］;板的厚度是3 mm，由于采用聚苯板做冷庫墻體圍護結構保溫層，容易在墻角處或墻與屋頂交接處形成冷橋［1］，此處引入冷橋引入熱量［5］.

其中:Q為熱流密度，W;c為傳熱系數，W/(m2· K);F是傳熱面積，m2;Δt是溫差，℃.

冷橋耗冷量計算，Δt=35℃，F=50×0.02=1 m2代入式(2)，得Q=47 W.

1.2.3 優化后的新型復合材料保溫層熱阻模型

為簡化結構，降低成本，減少保溫層厚度，消滅冷橋，提高冷庫工作效率，結合已有技術和實際施工要求，對保溫層進行了如下優化設計.

1)材料的選取

選用導熱系數λ=0.024 12 W/(m3·K)聚氨酯材料和導熱系數λ=0.040 W/(m3·K)聚苯材料，噴涂約厚度1 cm聚氨酯材料，在鋪設厚度約10 cm的聚苯材料，然后在它的外側再噴涂厚度為1 cm聚氨酯材料，就構成新型復合材料保溫層.如圖1所示，在冷庫外墻內表面噴涂聚氨酯層，由于聚氨酯黏性較大，可以很好的和墻面粘合，在聚氨酯層上面鋪設聚苯板，在聚苯板的空隙里噴涂聚氨酯層，聚氨酯層內表面可以直接鋪設墻內板.

2)外墻保溫層熱阻計算

代入式(1)得

圖1 聚氨酯－聚苯混合材料保溫層結構示意圖

1.3 經濟性模型

參數的選取同傳熱性能模型.保溫層的經濟性指標分為初投資和維護費用兩部分.其中初投資又分為材料成本和安裝費用.但三種保溫層的安裝成本和維護費用基本相當，所以成本差異主要來自于材料成本.

1.3.1 采用聚氨酯保溫層的材料成本模型

材料單價:20元/kg，計算所要用材料的質量，選取修正系數是1.3;

其中材料質量采用式(3)計算:

其中:m是所要用材料的質量，ρ是材料的密度，F是面積，δ是厚度，a是修正系數.

將面積20×3=60 m2，厚度8 cm，密度27.52 kg/m3帶入上式，計算聚氨酯的價格為3 500元.

1.3.2 采用聚苯板保溫層的材料成本計算

材料單價:14元/m3，面積60 m2，厚度15 cm，計算材料成本為126元.

1.3.3 采用復合保溫層的材料成本模型

先計算用聚氨酯的成本:將面積60 m2，厚度2 cm，修正系數1.3計算得到聚氨酯成本為860元，再計算使用聚苯板的成本:將面積60 m2，厚度10 cm，計算聚苯板成本為74元，最后得到材料成本為934元.

2 結果分析

結果分析包括3種保溫層的傳熱性能分析，經濟性分析以及工程適用性分析.

2.1 傳熱性能分析

由傳熱模型可見，不同的保溫層在適用于給定參數的模型時，所需要的厚度和其他條件各有特點.其中聚氨酯保溫層在得到相近熱阻的模型中，厚度最小，性能最好;聚苯板保溫層因為具有冷橋，所以必須適當增加熱阻，再得到相近熱阻的模型中厚度最大，占用庫內空間最多;復合材料保溫層消除了冷橋對庫內環境影響的同時，厚度適中.見表1.

表1 不同結構保溫層厚度和熱阻的比較

2.2 經濟性能分析

由經濟性模型可見，聚氨酯保溫層最昂貴，聚苯板保溫層雖然出投資較低，但因為厚度較厚，要占用庫內較大空間以及存在冷橋，影響庫內環境等問題，再加上它本身的維護費用較高，綜合經濟性能并不樂觀.優化后的復合保溫層兼具了較低的初投資，較低的維護維護費用以及較好的適用性能，經濟性能最優.見表2，圖2.

表2 模型下不同結構保溫層經濟性比較

2.3 工程適用性分析

聚氨酯保溫層適用性廣，價格昂貴.

聚苯板保溫層因為聚苯板疏松，容易損壞而且材料本身容易收到生物侵害，使用環境受到限制.而且聚苯板保溫層在安裝使用過程中會產生冷橋，影響冷庫整體保溫效果.即使通過加厚保溫層的方法來平衡冷橋產生的耗冷量，冷橋附近的存貨也因為溫度不穩定很容易變質，這樣就影響了整個冷庫的使用效率.

新型復合保溫層由于表面是聚氨酯層，克服了聚苯保溫層結構疏松，容易收到生物侵害的問題，有效消除了冷橋，同時兼具經濟性.

圖2 保溫層總厚度和價格示意圖

3 結語

以傳熱性能指標和經濟性指標為標準，建立了冷庫保溫層結構研究模型，并運用該模型對不同冷庫保溫層結構進分析，新的復合保溫材料保溫層具備優良傳熱性能，良好的工程適用性，以及顯著的經濟性.因此具備很高的工程應用價值.

［1］ 畢澤釗.制冷技術［M］.北京:科學出版社，2009.

［2］ 李永安.制冷技術與裝置［M］.北京:化學工業出版社，2010.

［3］ 趙 華，金 虹.采暖建筑節能符合文虎結構與保溫材料經濟性的研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，2001(2):21－24.

［4］ 周 然，陳錦遠，王隨林，等.冷庫通風地面構造層的數值模擬［J］.冷藏技術，2007(4):16－20.

［5］ 高祖錕.冷庫地坪防凍臌機械通風的傳熱計算［J］.暖通空調，1996(4):65－69.

［6］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［7］ 王起霄，盧維國.制冷裝置冷凝器系統的設計及研究［J］.哈爾濱商業大學學報:自然科學版，2010，26(5):604－607.