某造紙車間鋼屋面保溫厚度的計算與分析

曾敏 楊品德

中國輕工業長沙工程有限公司

0 前言

目前雙層壓型彩鋼板結構屋面廣泛應用于造紙車間，鋼板熱阻可以忽略不計，同時鋼板對水蒸氣不滲透等特點使其在屋面構造中的溫度分布、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，使得保溫層厚度對輕鋼結構屋面的熱工特性及車間熱舒適等有顯著影響。目前工程設計中，普遍采用防止內表面結露計算確定保溫層厚度，以防屋面結露縮短鋼結構屋面的使用壽命，但很少關注車間夏季的熱舒適感，尤其是夏熱冬冷地區及夏熱冬暖地區。基于此，本文著重從冬季防止內表面結露及夏季防止內表面溫度過高這兩個方面，對是以保溫還是隔熱來確定保溫層厚度進行分析探討。

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露，導致露水從屋面滴落在紙幅上面，影響工藝生產質量，或沿屋面流淌至側墻，造成側墻霉變。同時能保障車間在冬季有適宜的溫度。《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2015）對圍護結構的最小傳熱阻進行了限定，計算公式如下[2]：

駐ty表示冬季室內計算溫度與圍護結構內表面溫度的允許溫差（°C），當不允許內表面結露時

由式（1）～（3）可得屋面結構中保證內表面不結露的保溫層最小厚度為：

式中：α 為圍護結構溫差修正系數；tn，te，t1為冬季室內計算溫度、冬季圍護結構室外計算溫度、室內計算溫度和相對濕度狀況下的露點溫度，°C；αn，αw為圍護結構內外表面換熱系數，W/(m2·°C)；δ 為圍護結構主斷面各層材料厚度，m；λ 為圍護結構主斷面各層材料導熱系數，W/(m2·°C)；Rk為空氣間層的熱阻，W/(m·°C)。

以岳陽地區某造紙車間雙層壓型鋼板復合保溫屋面構造為例[3]（見圖1）：面板0.5 mm 厚鍍鋁鋅鋼板（密度ρ抑7850 kg/m3；導熱系數λ=58.2 W/(m·K)）；粉紅色超細環保玻璃棉（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，計算采用保證此種屋面在不同室內溫濕度條件下內表面不結露的保溫層最小厚度。

圖1 壓型雙層鋼板復合保溫屋面構造

圖2 表示了防止內表面結露的保溫層最小厚度隨室內溫濕度的結果變化曲線，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，保溫厚度隨tn增大增速很慢。當φ 由90%增大至95%時，保溫層厚度隨室溫tn增速略增大。在相同室內溫度下，當φ>90%對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φ=100%時，tn-t1→0，則δmin→肄。因此，冬季造紙車間室內溫濕度的參數對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 岳陽地區典型雙層壓型鋼屋面保溫層計算最小厚度

2 滿足夏季隔熱節能設計隔熱層最小厚度

造紙車間中的干冷氣流與熱濕氣流不斷進行熱質交換，會出現溫度分層現象，夏季鋼屋面內表面的溫度越高，對車間的熱輻射及向室內傳熱越大，給車間操作人員帶來的悶熱不適感越強，因此有必要研究如何將屋面內表面溫度限定在較低的范圍內以達到隔熱的目的，維持車間一定的熱環境。本文擬采用[4]中對自然通風條件下屋面內表面溫度最大值滿足：

屋面內表面溫度可近似按下式計算：

式中：θi，max為內表面最高溫度，°C；te，max為夏季室外計算最高溫度，°C；β，β'為相位差修正系數，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，此處取0.79；R0為圍護結構的傳熱阻，m2·K/W；為室內、外計算溫度平均值，°C；?0，?i為室外綜合溫度波動至內表面的衰減倍數、室內空氣至內表面的衰減倍數；Ati，Ate為室內、外計算溫度波幅，°C。

按照上述公式計算，為便于獲得可靠的計算原始數據，選取同處夏熱冬冷地區的南京、長沙兩個城市，由文獻查得計算所需原始數據列在如表1 中，結合式（5）、（6）兩式、R0均為變量，因此制Excel 計算表試算，并將計算出的所需隔熱層厚度繪制如圖3。

圖3 隔熱層計算最小厚度

表1 南京、長沙相關計算參數

從圖3 得出，南京夏季室外計算溫度最高值及平均值均低于長沙，而其夏季平均太陽輻射照度大于長沙，所需的隔熱層厚度越大。因此當地夏季室外計算溫度最高值越低，滿足夏季隔熱設計要求的隔熱層厚度越大，長沙地區按夏季隔熱設計要求的隔熱層最小厚度在24～71 mm（對應鋼屋面內側溫度為30～34°C）。

3 屋面保溫/隔熱層的最小厚度計算分析

仍以上述為例，計算原始條件為在室內干球溫度25～35°C及各自對應在φ=80%，90%，95%的相關參數代入（1）～（4）式，從滿足冬季防結露最小熱阻、夏季隔熱的要求計算出岳陽地區雙層壓型鋼板造紙車間屋面的保溫（隔熱）層最小厚度計算結果并整理成如圖4所示。可以看出，造紙車間夏季隔熱計算出的隔熱層最小厚度在屋頂室內側溫度達到34°C及以上時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，但當相對濕度高于90%以上時，防結露最小厚度反而超過了隔熱所需最小厚度。根據[3]查知長沙地區夏季通風室外計算溫度為32.9°C，假定工作地點溫度為35°C，由于溫度梯度存在，屋面內表面溫度極有可能達到夏季室外計算溫度，此時隔熱所需保溫棉厚度將陡增，這對于屋面荷載及造價不利也不現實。同時從圖4 可以看出以tn=35°C，φ=90%作為室內設計參數是較為合適的，這也是工程設計中通常采用的一個設計參數。因此，對于夏熱冬冷地區應以夏季隔熱計算確定保溫最小厚度δmin，并校核是否滿足冬季防結露要求的最小厚度要求。

圖4 岳陽地區屋面保溫層厚度比較

4 結語

1）在夏熱冬冷地區造紙車間雙層壓型鋼板屋面保溫/隔熱設計時，應以夏季隔熱計算確定保溫層的最小厚度，同時反過來校核是否滿足冬季設計工況下的防結露最小保溫厚度。

2）造紙車間室內設計溫濕度對保溫層厚度有很大影響，當室內溫度大于35°C，相對濕度高于90%時，夏熱冬冷地區乃至夏熱冬暖地區均應做內表面防結露驗算。

本文的相關結論可以幫助設計人員拓寬至夏熱冬冷地區高溫高濕車間鋼屋面的保溫/隔熱層的計算分析。

掃一掃，關注《建筑熱能通風空調》雜志！