海上升壓站圍護結構保溫隔熱評價

繆智昕

（上海勘測設計研究院有限公司 上海 200434）

0 引言

同陸上建筑一樣，室內外空氣溫差通過海上升壓站圍護結構的傳熱損失占空調系統能耗的很大部分，因此海上升壓站外圍護結構的傳熱特性對暖通設備合理選型和設計方案有很大影響。

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》針對船舶平板結構的傳熱給出了具體的計算參數及方法，并給出了幾種特殊隔熱結構形式的傳熱系數取值[1]。

《船舶設計實用手冊冷藏通風分冊》介紹了船舶圍壁傳熱系數的簡化算法，該算法是將帶有梁（扶強材）的甲板或垂直艙壁看成是帶有肋片的傳熱面來計算其傳熱系數，并在船舶圍護結構隔熱結構時將空氣層中的對流換熱簡化成已知對流換熱系數的邊界條件，同時忽略空氣的熱阻[2]。

李偉光[3]等人針對采用數值模擬軟件對幾種復雜船舶圍壁進行穩態傳熱計算，并將計算所得圍壁傳熱系數與相關標準提供的計算值進行對比，結果表明，采用數值方法計算得到的復雜船舶圍壁傳熱系數與相關標準提供的參考值相比差異很大；計算結果也表明空氣層厚度對船舶甲板圍壁的傳熱系數影響較大，而對垂直圍壁的傳熱系數影響較小。

海上升壓站各艙室外維護結構多為波浪形式的艙壁，其傳熱計算較為復雜，通常需要借助計算機模擬進行計算，而圍護結構隔熱性能的好壞關系到各艙室冷、熱負荷計算，最終影響空調設備的選型及系統設計。通過本課題的研究，為海上升壓站典型設備艙室維護結構保溫隔熱設計提供一定參考。

1 海上升壓站圍護結構

目前海上升壓站外圍護結構艙壁有A0 級、A60 級和H120 級三種類型，如圖1～圖3 所示。

圖1 A0 級外墻防火絕緣及隔熱詳圖Fig.1 Details of fire insulation and heat insulation of class A0 exterior wall

圖2 A60 級外墻防火絕緣及隔熱詳圖Fig.2 Details of fire insulation and heat insulation of class A60 exterior wall

圖3 H120 級外墻防火絕緣及隔熱詳圖Fig.3 Details of fire insulation and heat insulation of class H120 exterior wall

A0級外墻由室外到室內依次為6mm厚鋼制瓦楞板、80mm 厚巖棉組成，A60 級外墻由室外到室內依次為6mm 厚鋼制瓦楞板、40mm 厚陶瓷棉、50mm 厚巖棉組成，H120 級外墻由室外到室內依次為6mm 厚鋼制瓦楞板、80mm 厚陶瓷棉組成。

海上升壓站甲板亦有A0 級、A60 級和H120級三種類型，如圖4～圖6 所示。A0 級暴露甲板由室外到室內依次為8mm 厚甲板、80mm 厚巖棉組成，A60 級暴露甲板由室外到室內依次為8mm 厚甲板、40mm 厚陶瓷棉、50mm 厚巖棉組成，H120級暴露甲板由室外到室內依次為8mm 厚甲板、80mm 厚陶瓷棉組成。

圖4 A0 級暴露甲板防火絕緣及隔熱詳圖Fig.4 Fire insulation and heat insulation details of A0 exposed deck

圖5 A60 級暴露甲板防火絕緣及隔熱詳圖Fig.5 Fire insulation and heat insulation details of A60 exposed deck

圖6 H120 級暴露甲板防火絕緣及隔熱詳圖Fig.6 Fire insulation and heat insulation details of H120 exposed deck

2 控制方程

當熱物性參數λ、ρ和c均為常數且無內熱源時，導熱微分方程[4]簡化為：

因此，在穩態傳熱時，可將式（1）進一步簡化為：

通常，圍護結構傳熱計算中室內空氣溫度ti和室外空氣溫度t0，內外壁表面換熱系數可以通過規范查到，因此，該傳熱過程滿足第三類邊界條件，可表示為：

式（3）中，tw為換熱表面壁面溫度；tf為周圍流體的溫度；n為換熱表面的外法線。

3 海上升壓站平直艙壁和瓦楞板艙壁傳熱分析

3.1 數值模型驗證

對于平直圍護結構而言，其傳熱系數應按下式計算[2]：

式中：K為圍護結構的傳熱系數，W/(m2·K)；α n為圍護結構的內表面換熱系數，W/(m2·K)；αw為圍護結構的外表面換熱系數，W/(m2·K)；δ為圍護結構各層材料厚度，m；λ為圍護結構各層材料導熱系數，W/(m·K)；α λ為材料導熱系數修正系數，見表2。

海上升壓站圍護結構各層材料的熱工參數如表1 所示。保溫材料的修正系數如表2 所示。

表1 材料熱工參數Table 1 Thermal parameters of materials

表2 保溫材料導熱修正系數Table 2 Thermal conductivity correction coefficient of thermal insulation materials

下面首先進行平直艙壁傳熱系數Fluent 軟件模擬值和理論計算值的對比驗證，驗證過程不考慮保溫材料的導熱修正系數。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》給出了圍護結構的內表面換熱系數為8W/(m2·K)，圍護結構的外表面換熱系數為80W/(m2·K)，所建立物理模型寬度1.1m，左右邊界均為絕熱邊界。邊界條件如表3 所示。

表3 Fluent 模擬邊界條件[1]Table 3 Fluent simulation boundary conditions

通過ICEM 軟件建立不同艙壁模型并進行網格劃分，分別針對網格尺寸分別為0.1mm、0.5mm和1mm 時進行網格劃分和計算。設T1和T2分別為較大網格和較小網格時計算得的某點的溫度，T為計算體的平均溫度。當滿足以下條件時，認為網格的獨立性成立，可以使用其中較大網格計算。否則需要進一步細化網格。

以A0 級平直艙壁為例，當網格大小分別為0.1mm、0.5mm、1mm 時，網格分別約為947.19萬個、38.30 萬個、9.68 萬個，A0 級平直艙壁的溫度分布如圖7、圖8、圖9 所示。結果表明，網格大小分別為0.1mm、0.5mm、1mm 時的溫度分布計算結果一致。

圖7 0.1mm 網格大小時A0 級平直艙壁溫度分布Fig.7 Temperature distribution of A0 straight bulkhead with 0.1mm grid size

圖8 0.5mm 網格大小時A0 級平直艙壁溫度分布Fig.8 Temperature distribution of A0 straight bulkhead with 0.5mm grid size

圖9 1mm 網格大小時A0 級平直艙壁溫度分布Fig.9 Temperature distribution of A0 straight bulkhead with 1mm grid size

通過對本項目情況進行網格獨立性分析后，網格尺寸確定為1mm，網格總數約為9.68 萬（A0 級平直艙壁）、10.9 萬（A60 級平直艙壁）和9.68 萬（H120 級平直艙壁）。

求解過程是利用分離求解器以求解壓力耦合方程組的半隱式方法（SIMPLE）進行迭代計算求解。求解時，求解器設為穩態分析，以二階迎風格式計算，能量殘差收斂標準設為10-16，其他變量殘差收斂標準設為10-10。數值仿真以ANSYS Fluent 18.0 作為通用CFD 求解器。

平直艙壁傳熱系數模擬值和理論值如表4 所示。從表4 中可以看出，所建立的海上升壓站圍護結構Fluent 模型的模擬值與理論值十分吻合，說明所建立的模型是可靠的。

表4 平直艙壁傳熱系數Table 4 Heat transfer coefficient of straight bulkhead

3.2 平直艙壁和瓦楞板艙壁傳熱分析

下面進行比較平直艙壁和瓦楞板艙壁的傳熱分析，此過程亦不考慮保溫材料的導熱修正系數。A0 級平直艙壁和瓦楞板艙壁溫度云圖分別如圖10、圖11 所示，A60 級平直艙壁和瓦楞板艙壁溫度云圖分別如圖12、圖13 所示，H120 級平直艙壁和瓦楞板艙壁溫度云圖分別如圖14、圖15 所示。

圖10 A0 級平直艙壁溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram of A0 straight bulkhead

圖11 A0 級瓦楞板艙壁溫度云圖Fig.11 Temperature nephogram of A0 corrugated ulkhead

圖12 A60 級平直艙壁溫度云圖Fig.12 Temperature nephogram of A60 straight bulkhead

圖13 A60 級瓦楞板艙壁溫度云圖Fig.13 Temperature nephogram of A60 corrugated bulkhead

圖14 H120 級平直艙壁溫度云圖Fig.14 Temperature nephogram of H120 straight bulkhead

圖15 H120 級瓦楞板艙壁溫度云圖Fig.15 Temperature nephogram of H120 corrugated bulkhead

比較平直艙壁和瓦楞板艙壁的溫度云圖可以發現，平直艙壁的傳熱是一維傳熱，而瓦楞板艙壁因為其波浪形的構造，其傳熱為二維傳熱，因此其內表面溫度凹陷處較高。平直艙壁和瓦楞板艙壁的傳熱量和熱流密度如圖16 所示（Fluent 軟件在默認輸出換熱量大小時，按照Z 方向高度為1m 來處理）。

圖16 平直艙壁和瓦楞板艙壁傳熱量和熱流密度Fig.16 Heat transfer and heat flux density of straight bulkhead and corrugated bulkhead

由于瓦楞板艙壁波浪形的構造使得其比相同寬度的平直艙壁面積要大，導致傳熱面積增加，因此從圖16 中可以看出瓦楞板艙壁的傳熱量均比相同防火等級的平直艙壁的傳熱量大；而平直艙壁的熱流密度比相同防火等級的瓦楞板艙壁的熱流密度大，原因在于瓦楞板艙壁波浪形構造使得其在折彎處的厚度增大，導致瓦楞板艙壁的熱流密度更小，但折彎處厚度的增大對傳熱量的影響沒有面積增大對傳熱量的影響大，因此盡管瓦楞板艙壁的熱流密度減小了，但傳熱量比平直艙壁的傳熱量大。

平直艙壁和瓦楞板艙壁內表面最低溫度和最高溫度如圖17 所示。從圖17 可以看出，瓦楞板艙壁的內表面最低溫度比相同防火等級的平直艙壁的內表面最低溫度低，瓦楞板艙壁的內表面最高溫度比相同防火等級的平直艙壁的內表面最高溫度大。

圖17 平直艙壁和瓦楞板艙壁內表面最低溫度和最高溫度Fig.17 Minimum and maximum temperature of inner surface of straight bulkhead and corrugated plate bulkhead

4 海上升壓站主體圍護結構結露驗算

冬季圍護結構內表面溫度過低，人體向外輻射熱過多，會產生不舒適感，內表面結露可導致耗熱量增大和使圍護結構易于損壞。參照GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》第7.2.1 條規定：冬季室外計算溫度低于0.9℃時，應對圍護結構進行內表面結露驗算[5]。根據表5[1-6]中國各海區的空氣室外計算參數，東海、黃海和渤海區域需進行圍護結構內表面結露驗算。

表5 中國各海區的空氣室外計算參數表Table 5 Outdoor calculation parameters of air in various sea areas of China

參照GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》第7.2.1 條規定，結露驗算的室內空氣溫度供暖房間取18℃，非供暖房間取12℃，考慮到海上比陸上更為潮濕，室內空氣相對濕度取70%，驗算過程考慮保溫材料的導熱修正系數，平直艙壁可以用公式直接驗算且在海上升壓站中不常用，而瓦楞板艙壁的二維傳熱使得其難以利用公式進行驗算，因此結露驗算針對瓦楞板艙壁利用Fluent 模擬軟件進行。結露驗算Fluent模擬邊界條件如表6 所示。

表6 結露驗算Fluent 模擬邊界條件Table 6 Boundary conditions of fluent simulation for condensation checking calculation

查焓濕圖，溫度18℃，相對濕度70%時，露點溫度為12.3℃；溫度12℃，相對濕度70%時，露點溫度為6.6℃。A0 級艙壁、A60 級艙壁、H120級艙壁的結露驗算表如表7 所示。

表7 艙壁結露驗算表Table 7 Checking calculation of condensation in bulkhead

從表7 艙壁結露驗算表中可以看出H120 級艙壁在渤海區域的供暖房間運用的內表面最低溫度為12.32℃，非常接近室內的露點溫度12.3℃，內表面極有可能會結露，其溫度云圖如圖18 所示，有可能發生結露的部位位于內表面向室外突出部位的轉折處，此處內表面溫度最低。因此在滿足房間的防火等級要求下，盡量不用H120 級防火艙壁，如若使用應增加保溫層。A0 級艙壁和A60 級艙壁在東海、黃海和渤海區域無論在供暖房間和非供暖房間使用，均不會有結露風險。

圖18 H120 級防火艙壁溫度云圖Fig.18 Temperature cloud diagram of H120 fire bulkhead

下面利用公式進行A0 級甲板、A60 級甲板、H120 級甲板的結露驗算。

從表8 中可以看出，在我國渤海、東海、黃海，A0 級甲板、A60 級甲板、H120 級甲板內表面溫度均高于室內露點溫度，甲板內表面均無結露風險。

表8 甲板結露驗算表Table 8 Checking calculation of deck condensation

5 海上升壓站主體圍護結構隔熱評價

有兩個因素會造成室內外的傳熱：一是太陽輻射，二是室外和室內空氣的溫度差。太陽輻射對建筑物有兩種類型的作用：一種是太陽輻射通過玻璃窗直接進入室內，無論冬季或夏季，室內總是可以得到太陽輻射造成的熱量；另一種是外墻或屋頂在太陽的照射下提高了外表面的溫度。夏季，由于室外空氣溫度高于室內，熱量從室外通過外墻或屋頂傳向室內，當外表面受到太陽照射時，溫度更高，使室外向室內的傳熱量增加，我國南方地區夏季屋面外表面綜合溫度會達到60℃以上，西外墻外表面溫度達50℃以上，使得圍護結構內表面平均輻射溫度大大超過人體熱舒適輻射溫度，直接影響室內熱環境的好壞和建筑能耗的大小。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》給出了艙外計算當量空氣溫度，如表9 所示。

表9 艙外當量空氣溫度Table 9 Equivalent air temperature outside the cabin

建筑外圍護結構防熱能力越強，室外綜合熱作用對室內熱環境影響越小，不易造成室內過熱。圍護結構內表面溫度是衡量圍護結構隔熱水平的重要指標，參照GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》第6.1.1 條規定，在給定兩側空氣溫度及變化規律的情況下，輕質圍護結構（D＜2.5）外墻內表面最高溫度應比室內空氣溫度低3℃，屋面內表面最高溫度應比室內空氣設計溫度低3.5℃；重質圍護結構（D≥2.5）外墻內表面最高溫度應比室內空氣溫度小2℃，屋面內表面最高溫度應比室內空氣設計溫度低2.5℃。A0 級艙壁、A60 級艙壁、H120級艙壁的熱惰性指標分別為1.219、1.443、1.365，A0 級甲板、A60 級甲板、H120 級甲板的熱惰性指標分別為1.224、1.447、1.369，故海上升壓站外圍護結構的內表面最高溫度限值按輕質圍護結構考慮。利用Fluent 針對A0 級艙壁、A60 級艙壁、H120級艙壁及A0 級甲板、A60 級甲板、H120 級甲板進行隔熱分析，模擬時需考慮保溫材料的修正系數。邊界條件如表10 所示。

表10 Fluent 模擬邊界條件Table 10 Fluent simulation boundary conditions

A0 級艙壁、A60 級艙壁、H120 級艙壁及進行隔熱分析模擬結果如表11 所示。

表11 艙壁隔熱分析Table 11 Bulkhead insulation analysis

從表11 中可以看出，淡色艙壁內表面最高溫度比深色艙壁的內表面最高溫度要低，設計時應盡量使用淡色艙壁以利于節能；在夏熱冬暖地區使用A0 級艙壁、A60 級深色艙壁，外圍護結構內表面最高溫度均超過室內設計溫度3℃；在夏熱冬暖地區使用深色、淡色H120 級艙壁和在夏熱冬冷地區使用深色H120 級艙壁，外圍護結構內表面最高溫度超過室內設計溫度3℃。外圍護結構內表面最高溫度超過室內設計溫度3℃會使舒適性房間舒適性較差，不利于空調節能，設計時應考慮增加保溫層厚度。

A0 級暴露甲板、A60 級暴露甲板、H120 級暴露甲板的隔熱分析采用理論分析，由式（7）～（8）可得甲板的內表面溫度，結果如表12 所示。從表12 可知；淡色甲板內表面最高溫度比深色甲板的內表面最高溫度要低，設計時應盡量使用淡色甲板以利于節能；A0 級暴露甲板、A60 級暴露甲板、H120 級暴露甲板在不同使用工況下內表面溫度均不超過室內設計溫度3.5℃，滿足GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》的隔熱設計標準。

表12 甲板隔熱分析Table 12 Deck insulation analysis

6 結論

本文從緊湊型海上升壓站平直艙壁和瓦楞板艙壁的傳熱比較、主體圍護結構結露驗算、主體圍護結構隔熱分析等三個方面進行了探討，有如下結論：

（1）相同室內外溫差下瓦楞板艙壁的傳熱量比相同防火等級的平直艙壁的傳熱量大；而平直艙壁的熱流密度比相同防火等級的瓦楞板艙壁的熱流密度大，原因在于瓦楞板艙壁波浪形構造使得其在折彎處的厚度增大，導致瓦楞板艙壁的熱流密度更小，但折彎處厚度的增大對傳熱量的影響沒有面積增大對傳熱量的影響大，因此盡管瓦楞板艙壁的熱流密度減小了，但傳熱量比平直艙壁的傳熱量大。

（2）相同室內外溫差下，瓦楞板艙壁的內表面最低溫度比相同防火等級的平直艙壁的內表面最低溫度低，瓦楞板艙壁的內表面最高溫度比相同防火等級的平直艙壁的內表面最高溫度大。

（3）H120 級艙壁在渤海區域的供暖房間運用的內表面最低溫度為12.32℃，非常接近室內的露點溫度12.3℃，內表面極有可能會結露，有可能發生結露的部位位于內表面向室外突出部位的轉折處，此處內表面溫度最低。因此在滿足房間的防火等級要求下，在渤海區域盡量不用H120 級防火艙壁，如若使用應增加保溫層。在東海、黃海和渤海區域無論在供暖房間和非供暖房間使用A0 級艙壁和A60 級艙壁，均不會有結露風險。

（4）在我國渤海、東海、黃海，A0 級甲板、A60 級甲板、H120 級甲板內表面溫度均高于室內露點溫度，甲板內表面均無結露風險。

（5）淡色艙壁內表面最高溫度比深色艙壁的內表面最高溫度要低，設計時應盡量使用淡色艙壁以利于節能；在夏熱冬暖地區即南海地區使用A0級艙壁、A60 級深色艙壁，外圍護結構內表面最高溫度均超過室內設計溫度3℃；在夏熱冬暖地區使用深色、淡色H120 級艙壁和在夏熱冬冷地區使用深色H120 級艙壁，外圍護結構內表面最高溫度超過室內設計溫度3℃。外圍護結構內表面最高溫度超過室內設計溫度3℃會使舒適性房間舒適性較差，不利于空調節能，設計時應考慮增加保溫層厚度。

（6）淡色甲板內表面最高溫度比深色甲板的內表面最高溫度要低，設計時應盡量使用淡色甲板，以利于節能；A0 級暴露甲板、A60 級暴露甲板、H120 級暴露甲板在不同使用工況下內表面溫度均不超過室內設計溫度3.5 ℃，滿足GB 50176-2016《民用建筑熱工設計規范》的隔熱設計標準。