船舶隔熱結構防結露計算及優化設計

李 坤

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶隔熱結構防結露計算及優化設計

李 坤1,2

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

結露現象會導致絕緣的水分增加，使隔熱能力急劇下降。長時間的結露會造成隔熱材料的永久性損壞，同時會造成室內積水，環境潮濕。因此防結露設計是船舶艙室隔熱設計的一個重要組成部分。文中對《船舶設計實用手冊(舾裝分冊)》中的防結露計算方法進行了細化和分析，結合陸用規范的冬季保溫設計對手冊防結露的計算方法提出了一些修正方案，并對傳統的隔熱材料節點形式進行優化設計。

船舶；防結露；隔熱材料；優化設計

引 言

船舶設計中，隔熱材料的厚度一般都是根據經驗值或根據《船舶設計實用手冊（舾裝分冊）第3版》所給出的絕緣厚度推薦值進行選取［1］，但此方法有一定局限性。一方面該方法不適用于熱帶航行船舶和極地航行船舶；另一方面，該方法可能會使設計師忽略結露現象產生的機理，雖然所選的隔熱材料厚度已足夠，但仍然無法理解結露現象產生的原因，因此防結露計算就顯得尤為必要。經過計算可以使設計師在隔熱設計時充分考慮各種因素的影響，提高設計水平。

1 設計手冊中的防結露計算分析

按照船舶設計實用手冊，防止結露時的最小厚度值應按公式1進行計算［1］：

該計算適用于理想的艙室環境，但是實際艙室會受到外界環境的各種影響，因此該公式中用到的物理量就需經過分析后予以修正。

首先，船舶所處的環境具有較高的濕度，隔熱材料裝船應用一段時間后必定會從周圍環境中吸取濕氣和水分，再加上隔熱材料通過碰釘、壓片同船體結構的安裝方式會對隔熱材料的性能造成一定的影響，導熱系數值會比出廠時增大，計算時需要加以修正。

其次，室內溫度環境實際上不可能永遠保持在一個恒定值，它會隨時間的變化產生1～2℃的波動，艙室內表面的露點溫度也會隨之相應變化。如果防結露計算是按照室內計算溫度的臨界值選取，那么當室內溫度從低到高變化時，艙室內表面的實際露點溫度便會因變化的滯后性而導致室內產生結露現象。因此計算時應對結露時的溫度TRO進行修正，或對整個壁面隔熱結構的傳熱阻進行修正。

最后，關于室外計算溫度的取值，因每年冬季室外的平均氣溫和最低氣溫均有不同，如室外溫度選取時取了一個相對較高的數值，那么當冬季極端氣溫低于該值時，室內壁便會產生結露現象。冬季室外計算溫度的選取較為復雜。前蘇聯、美國的學者和工程師對此都有一定的研究。在以前的船舶防結露設計中一般采用式（2）所示的經驗公式計算法［4］。

式中：Ta為冬季室外計算溫度，℃；Tw為冬季室外平均溫度，℃；Tmin為冬季室外極端溫度，℃。

該計算方法有一定的缺陷，首先Tw和Tmin是兩個毫不相關的溫度數據，兩者之間不存在對比性，另外，本計算主要用于陸上冬季采暖室外的室外溫度計算，且計算未考慮隔熱結構熱惰性指標的相關影響，在幾乎沒有熱惰性的船體隔熱結構的室外計算溫度選取中具有較大局限性，需作修正。

2 隔熱結構防結露計算

2.1 修正系數的選取

船舶設計中已有設計師對船舶的防結露措施進行過程計優化［5］，但是在計算層面對各類修正系數的選取尚未統一標準。而此類修正早已在陸用建筑的冬季防結露設計中廣泛應用，并有相應的規范和標準進行支撐。建設部、國家技術監督局發布的GB50176-93《民用建筑熱工設計規范》［6］便是其中的一個代表。本文認為，規范中的相關規定完全可以應用于船舶隔熱設計。下頁圖1為典型隔熱結構節點圖。

按GB50176，冬季室外計算溫度應根據熱惰性指標的不同分別選取。對于船體隔熱結構來講，首先根據經驗假設隔熱材料分別選用75 mm厚或50 mm厚巖棉，裝飾板采用25 mm厚復合巖棉板，巖棉和裝飾板的導熱系數均取0.036 W /m·K，根據式（3）可計算出其熱惰性指標介于1.61～ 2.14，因此，圖1所示結構的冬季室外計算溫度應暫按第Ⅲ類隔熱結構形式進行計算，見式（4）［6］。

因室內溫度波動造成露點溫度的變化需進行修正。露點溫度的修正分為兩種方法：一種是將室內設計溫度提高2℃時的露點溫度作為計算露點溫度，通過減小室內溫度和露點溫度差的方式，露點溫度可由濕空氣焓濕圖查得［2］；另一種方式是增大隔熱結構的傳熱阻，提高熱惰性指標來實現［6］。本文采用的是增大計算露點溫度的方式，另外因巖棉等隔熱材料吸取濕氣和水分造成的導熱系數的變化也需要修正，修正后的隔熱材料厚度最小值用式（5）表示。

2.2 防結露計算

室內結露現象從根本上講是室內濕空氣因氣壓不同從溫度高處向溫度低處的一種傳遞過程。對于圖1所示的隔熱結構，因襯板、天花板不可能做到氣密，室內的濕空氣會從其縫隙傳遞到溫度相對較低的隔熱材料表面。為使計算結果偏于安全，計算時一般忽略裝飾板的影響。

以一般航線的遠洋船舶為例，冬季室外平均溫度為-20℃，極端溫度為-30℃，室內設計溫度一般取20℃，室內濕度φ一般不會超過50%［2］。根據濕空氣焓濕圖可以知道室內濕度越低，露點溫度越小，相應公式中的TR- TRO越大，計算所得預防結露時所需的最小隔熱材料厚度就越小。因此采取較大的濕度進行計算更加安全（取φ = 50%）。經查焓濕圖，22℃時的室內露點溫度為11.3℃。

將以上參數代入式（5），可得到本例巖棉防止結露時的最小厚度：

經計算，可以認為在隔熱材料厚度不小于29.2 mm的情況下，艙室內表面不會產生結露現象。但是通過查閱GB50176《民用建筑熱工設計規范》得知，陸用建筑保溫設計時還要考慮人體和室內艙壁因相互熱輻射換熱帶來的人體不適等因素。它規定，當外墻溫差取不大于6℃、屋頂溫差取不大于4℃時，人體才不會感覺不適。本文認為這一原則也完全適用于船舶的隔熱保溫設計。因此，若遵循這一規定，隔熱材料的厚度值應不小于：

（1）對于露天圍壁

（2）對于露天甲板

因此，如在甲板處選用75 mm厚巖棉、圍壁處選用50 mm厚巖棉，不但室內不會產生結露現象，也不會使人體感覺到因溫差帶來的不適。況且對圖1而言，隔熱結構還包括復合巖棉板和空氣層，效果會更好些。

實際上，隔熱材料不但要用于冬季防結露，還要用于夏季艙室隔熱。對于艙室隔熱來講，空調和通風負荷的計算一般都是根據文獻2給出的典型隔熱結構的傳熱系數K值來進行計算。所以為保證夏季艙室隔熱的需求，還需根據K值來進行隔熱材料厚度的驗算。對于有空調的艙室隔熱材料的厚度應同時滿足防結露和隔熱要求，對于無空調的艙室滿足防結露要求即可。

對于圖1所示的有內裝板的典型艙室隔熱結構，隔熱計算時由于不涉及安全因素應考慮復合巖棉板和內外表面換熱的影響，因此隔熱材料的厚度不小于式（6）［4］的規定：

式中：K為傳熱系數，W/m2·K，甲板取0.65、圍壁取0.85［2］；為室外的表面的換熱系數，W/m2·K，風速15 m/s時取70 W/m2·K［2］為室內的表面的換熱系數，W/m2·K，一般取8 W/m2·K［2］；為隔熱結構中隔熱材料外其他材料的厚度，mm；為隔熱結構中隔熱材料外其他材料的導熱系數，W/m2·K。

綜合以上各種情況下的計算，當在露天甲板上敷設75 mm厚隔熱材料、露天圍壁上敷設50 mm厚隔熱材料，可同時滿足防結露和隔熱的要求。

在船舶設計中，為增大艙室空間，隔熱材料在扶強材處的厚度比較薄，厚度一般取25 mm，因此應對扶強材處隔熱材料內表面的溫度進行校核。

2.3 扶強材處絕緣內表面溫度的校核

性質I. GMC 取值范圍為0到1，即0≤GMC(Y|X),GMC(X|Y)≤1，且當變量X與Y相互獨立時，有GMC(Y|X)=GMC(X|Y)=0。

扶強材處絕緣內表面溫度的驗算有經驗公式法和數值模擬計算法兩種方法。數值模擬法因要通過軟件模擬隔熱結構各個部位的溫度場，計算精度較高，適用于艙室空間特別緊張、扶強材處隔熱材料較薄的情況。

經驗公式法是按最危險的情況校核的一種方法。它假設扶強材和室外溫度相同，將扶強材處隔熱結構看作平板包敷25 mm厚隔熱材料的情況，并忽略裝飾板和空氣層的影響，簡化模型如圖2所示。扶強材處隔熱材料內表面的溫度按式（7）進行校核［1］，傳熱系數按式（8）進行計算［7］。

式中：αr為室內的表面的換熱系數（W/m2·K），一般取8 W/m2·K［2］；δi為扶強材處巖棉厚度，mm；λi為扶強材處巖棉導熱系數，W/m2·K。

經計算可得扶強材隔熱材料內表面溫度為11.6℃，大于露點溫度，所以不會結露。

3 隔熱材料厚度足夠時的結露現象

根據計算，理論上當隔熱材料的厚度大于計算所得出的最小厚度值時，室內不會產生結露現象，可實際情況并非如此。主要原因如下：

（1）管系、空調風管等一般隱藏在裝飾板背后和隔熱材料直接相鄰，這些管系的漏水和產生的冷凝水會破壞隔熱材料的性能，導致隔熱材料導熱系數增加，可能會產生結露現象。以圖1隔熱材料的典型結構形式為例，扶強材處的隔熱層和主隔熱層之間有一個明顯的空氣層，如果扶強材處隔熱層和主隔熱層之間密封性不好，室內濕熱空氣會通過空隙進入空氣層，導致產生結露現象。

（2）隔熱材料安裝時是以規格大致相同的板狀或塊狀材料固定在船體上。安裝時，板與板之間可能會有縫隙，板與船體板間也可能有縫隙，縫隙內的熱量傳遞可能會導致結露現象。

4 防結露改進措施

導致結露現象產生的因素還有很多，大多和隔熱材料的安裝工藝有關。針對上述分析的原因，在隔熱材料設計與安裝時應注意：

（1）應加強室內的通風，降低空氣濕度，從根本上解決室內結露問題。

（2）在隔熱層所有外露表面應包敷防水玻璃絲布或防水涂層，拼縫處應以防水膠布有效粘貼，降低濕氣滲透導致隔熱材料性能下降產生的結露現象。

（3）對于管系、空調風管漏水導致的結露現象，在總布置時應將此類管系盡量避免布置于露天圍壁和甲板的內側，如布置有困難應采取保護措施，空調風管還應包敷適當厚度的隔熱材料以防冷凝水。

（4）對于扶強材處隔熱層不密封導致的結露現象可采取以下方案：方案1、適當增加扶強材處隔熱材料的包敷長度并增加碰釘安裝密度，減小因縫隙造成的熱量傳遞；方案2、先用型材套塊包敷扶強材，然后再敷設主隔熱層，減小空氣層的影響（典型套塊的形式見圖3）。

（5）對于拼縫處縫隙產生的結露現象，可通過錯層安裝的方式來解決。比如經計算需敷設50 mm厚的巖棉，安裝時可先敷設一層25 mm厚的巖棉，然后再加敷一層25 mm的巖棉，上層材料需將下層材料有效覆蓋。

（6）對于隔熱材料和船體板之間存在縫隙產生的結露現象，也可按改進措施第（4）條解決方案執行，如采用噴涂式隔熱材料或將隔熱材料同船體板用膠水粘接效果更佳。

（7）對于隔熱材料終止處的處理應按以下幾種情況分別考慮：

對于墻角處，隔熱材料應延伸一定的距離，終止處應采用折彎扁鋼有效壓緊。降低墻角處熱橋影響及濕氣滲透導致的結露現象；

對于門框、窗框隔熱材料終止處，隔熱材料應在門窗框處有效壓緊，并粘貼防水膠布，防止濕氣滲透導致的結露現象。

材料敷設到甲板處要留50 mm左右的空隙，以防止各種表面產生的冷凝水滴落后滲透到隔熱材料內部，導致產生結露現象。對于無裝飾板的艙室，應用攔水扁鐵將隔熱材料下表面有效壓緊，防止熱量傳遞導致的結露現象。

5 結 論

總之，結露現象的形成有多種原因，雖然理論計算可以得出隔熱材料防結露的最小厚度值，但是因設計和施工不合理還是可能造成結露現象；而且隔熱材料在長期高濕環境下吸收濕氣和老化而導致性能下降后，結露現象會變得越來越嚴重，直至完全損毀。然而，重新敷設隔熱材料需先拆除所有艙室的內裝、設備和家具才能進行，工程太大，因此，設計初期通過計算和設計就顯得尤為必要，務必引起注意！

［1］中國船舶工業集團公司.船舶設計手冊（舾裝分冊）［M］. 3版.北京：國防工業出版社. 2013： 967-979.

［2］中國船舶工業集團公司. 船舶設計手冊（輪機分冊）［M］. 3版.北京：國防工業出版社，2013：601-636.

［3］國家技術監督局. GB/T 13409-92.船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法［S］.北京：中國標準出版社，1992.

［4］中國船舶工業集團公司. 船舶設計實用手冊（舾裝分冊）［M］.北京：國防工業出版社，1963： 1161-1174.

［5］周雄，董偉，徐忠輝，等. 海洋平臺防結露設計優化［J］.船舶工程，2016 （S1）：124-127.

［6］中華人民共和國建設部. GB 50176-93.民用建筑熱工設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，1993.

［7］中國船舶工業集團公司.船舶設計手冊（冷藏通風）［M］.北京：國防工業出版社，1975：606-624.

MARIC設計的5.5萬噸級原油輪順利交付

5月18日，由中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）設計、廣船國際建造的北海船務5.5萬噸級原油輪1號船命名暨交船儀式在廣船國際南沙廠區舉行。MARIC副所長沈偉平和所長助理朱建璋出席儀式。命名嘉賓黃薇女士將該船命名為“北海開拓”號，并祝福其在將來的航程中一帆風順，一生平安。命名儀式后，北海船務、中船貿易、廣船國際三方簽署了該船的交船文件。

5.5 萬噸級原油船主要用于國內石油平臺到沿海及長江港口運輸原油，并兼顧國際航行要求，采用MARIC最新揚子型寬體油輪設計，是新一代綠色、安全、環保船型，航速達14.5 kn，入級中國船級社。

該船在設計過程中經過多次線型優化，包括采用直立船首的線型優化，G型主機，大直徑螺旋槳和轂帽鰭，達到了節能減排的效果。該船具有淺吃水下高載貨能力的特點，滿足了滿載載重量約5.5萬噸進入長江航道的要求。

Calculation and optimization design of anti-condensation for ship heat insulation

LI Kun1,2
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

Condensation of moisture will cause a sharp drop in the thermal insulation capability due to the humidity increment of insulation. A long time of condensation can even result in the permanent damage of the thermal insulation, waterlogged cabin and humid environment. Therefore anti-condensation design becomes an important part in the design of the thermal insulation for the ship cabin. The calculation method of anticondensation in "practical ship design manual (outfitting section)" is systematically analyzed and thoroughly studied in this paper. Some amendments are made for the anti-condensation calculation method based on the winter thermal insulation design for the land civil architecture. It fi nally carries out the optimization design of the joint types of the traditional insulation material.

ship; anti-condensation; heat insulation material; optimization design

U672.7

A

1001-9855（2017）03-0079-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.079

2016-11-02；

2016-11-25

李 坤（1981-），男，碩士，工程師。研究方向：船舶內裝。