南方地區造紙車間鋼屋面保溫厚度的計算與分析

曾 敏 王 華 鄒均名 李文斌

（中國輕工業長沙工程有限公司，湖南長沙，410114）

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影響顯著。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2 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濕熱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，影響工藝生產質量，或沿屋面流淌至側墻，造成側墻霉變[2]；同時能保障車間在冬季有適宜的溫度。GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》對圍護結構的最小傳熱阻進行了限定，計算如式（1）～式（2）所示。

式中，?ty為冬季室內計算溫度與圍護結構內表面溫度的允許溫差，℃。當不允許內表面結露時，?ty計算見式（3）。

由式（1）～式（3）可得屋面結構中保證內表面不結露的保溫層最小厚度計算見式（4）。

式中，αλ為材料導熱系數的修正系數；k為最小熱阻修正系數，磚石墻體取0.95，外門取0.60，其他取1；a為圍護結構溫差修正系數；tn、te、tl分別為冬季室內計算溫度、冬季圍護結構室外計算溫度（見GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中表5.1.6-2）、室內計算溫度和相對濕度對應的露點溫度，℃；αn、αw分別為圍護結構內外表面換熱系數，W/(m2?K)，對于鋼屋面，兩者相對圍護結構內阻很小，本文為簡化計算，將其作為一個安全余量，不計入公式；δ、λ分別為圍護結構主斷面各層材料厚度（m）、導熱系數（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合保溫屋面構造為例（見圖1），面板0.5 mm 厚鍍鋁鋅鋼板（密度ρ≈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Fig.1 Roofing structure with composite insulation of profiled double-layer steel plate

圖2 為防止內表面結露的保溫層最小厚度隨室內溫濕度的變化曲線。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，保溫層最小厚度隨室內溫度tn升高增速很慢；當φ由90%增至95%時，保溫層最小厚度隨室溫tn增速略增大；在相同室內溫度下，當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φ=100%時，tn-tl→0，則δmin→∞。因此，冬季造紙車間室內溫濕度的參數對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 滿足夏季隔熱節能設計的隔熱層最小厚度

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，從而維持車間一定的熱環境。根據實用供熱空調設計手冊[3]，自然通風條件下屋面內表面溫度最大值滿足式（5）。

屋面內表面溫度可近似按式（6）和式（7）計算[3]。

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

按照上式計算，為便于獲得可靠的計算原始數據，選取夏熱冬冷地區的南京、長沙及夏熱冬暖地區的福州、廣州4 個城市，由實用供熱空調設計手冊[3]中表4.1-12 查得計算所需原始數據如表1 所示，結合式（5）、式（7），均為變量，因此制Excel 計算表試算，并繪制計算出的所需隔熱層最小厚度隨室溫的變化曲線，結果見圖3。

表1 南京、長沙、福州、廣州相關計算參數Table 1 Relevant calculation parameters in Nanjing,Changsha,Fuzhou and Guangzhou

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

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

3 屋面保溫/隔熱層的最小厚度計算分析

仍以上述為例，將室內干球溫度25~35℃及各自對應在φ=80%、90%、95%的相關參數帶入式（1）~式（4），計算原始條件見表2。從滿足冬季防結露最小熱阻、夏季隔熱的要求計算出長沙地區雙層壓型鋼板造紙車間屋面的保溫（隔熱）層最小厚度，結果如圖4所示。

表2 長沙地區室內空氣狀態參數Table 2 Indoor air state parameters in Changsha

由圖4 可以看出，在長沙地區造紙車間夏季隔熱計算出的隔熱層最小厚度在屋頂室內溫度達到34℃及以上時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，但當相對濕度高于90%以上時，防結露計算出的最小厚度反而超過了隔熱所需最小厚度。根據GB 50019—2015《工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范》查知，長沙地區夏季通風室外計算溫度為32.9℃，假定工作地點溫度為35℃，由于存在溫度梯度，屋面內表面溫度極有可能超過夏季室外計算溫度te,max，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℃、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。

圖4 長沙地區屋面保溫層最小厚度比較Fig.4 Comparison of minimum roof thermal-preservation layer thickness in Changsha

為分析不同地區屋面保溫/隔熱層的最小厚度，同時也為簡化計算工作量，僅以上述4個典型城市在φ=80%和φ=90%對應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算結果見圖5和圖6所示。

由圖5 和圖6 可以看出，在φ=80%、tn=30~35℃時，4 個城市根據夏季隔熱計算出的保溫層最小厚度均大于冬季防結露計算保溫層厚度；而當φ=90%時，除福州、廣州地區仍是隔熱計算出的保溫層最小厚度始終大于冬季防結露計算保溫層厚度，南京和長沙地區則有可能出現防結露計算保溫層厚度反超夏季隔熱計算保溫層最小厚度的情況；tn=35℃時福州和廣州地區夏季隔熱計算保溫層最小厚度已超過工程實際，按照夏季隔熱計算保溫層最小厚度已失去意義。因此，對于夏熱冬冷地區應以夏季隔熱計算確定保溫層最小厚度δmin，并校核是否滿足冬季防結露要求的最小厚度要求；對于夏熱冬暖地區，僅需核算冬季防結露的保溫層最小厚度即可。

圖5 不同地區保溫/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 語

4.1 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層厚度。

4.2 造紙車間室內設計溫濕度對保溫層厚度影響顯著，對于工程設計常采用的室內設計溫濕度tn=35℃、φ=90%，夏熱冬暖地區無需計算隔熱所需保溫層厚度，做內表面防結露計算，并參考GB 51245—2017《工業建筑節能設計統一標準》推薦值。