南方地区造纸车间钢屋面保温厚度的计算与分析

造纸车间钢屋面保温的目的主要是防止湿热气体遇低温的钢屋面底板表面而冷凝结露，导致露水从屋面滴落在纸幅上，影响工艺生产质量，或沿屋面流淌至侧墙，造成侧墙霉变^[2]；同时能保障车间在冬季有适宜的温度。GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》对围护结构的最小传热阻进行了限定，计算如式（1）～式（2）所示。

式中，Δty$∆t_{\mathrm{y}}$为冬季室内计算温度与围护结构内表面温度的允许温差，℃$℃$。当不允许内表面结露时，Δty$∆t_{\mathrm{y}}$计算见式（3）。

由式（1）～式（3）可得屋面结构中保证内表面不结露的保温层最小厚度计算见式（4）。

式中，αλ${\alpha }_{\mathrm{\lambda }}$为材料导热系数的修正系数；k$k$为最小热阻修正系数，砖石墙体取0.95，外门取0.60，其他取1；a$a$为围护结构温差修正系数；tn、te、tl$t_{\mathrm{n}}\mathrm{、}{t}_{\mathrm{e}}\mathrm{、}{t}_{\mathrm{l}}$分别为冬季室内计算温度、冬季围护结构室外计算温度（见GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》中表5.1.6-2）、室内计算温度和相对湿度对应的露点温度，℃；αn、αw${\alpha }_{\mathrm{n}}\mathrm{、}{\alpha }_{\mathrm{w}}$分别为围护结构内外表面换热系数，W/(m2⋅K)$\mathrm{W}/\left({\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}·\mathrm{K}\right)$，对于钢屋面，Rw=1αw=$R_{\mathrm{w}}=\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{w}}}=$0.04，Rn=1αn=$R_{\mathrm{n}}=\frac{\mathrm{1}}{{\alpha }_{\mathrm{n}}}=$0.115，两者相对围护结构内阻很小，本文为简化计算，将其作为一个安全余量，不计入公式；δ、λ$\delta \mathrm{、}\lambda$分别为围护结构主断面各层材料厚度（m）、导热系数（W/（m·K））；Rk$R_{\mathrm{k}}$为空气间层的热阻，m²·K/W。

以岳阳某造纸车间双层压型钢板复合保温屋面构造为例（见图1），面板0.5 mm厚镀铝锌钢板（密度ρ$\rho$≈7850 kg/m³；导热系数λ$\lambda$=58.2 W/（m·K））；粉红色超细环保玻璃棉（ρ=20 kg/m³；λ$\lambda$=0.037 W/（m·K））保温；隔汽层为0.02 mm厚铝箔（λ=203 W/（m·K）），贴面背衬聚丙烯膜；70 mm厚挤塑板防热桥块（ρ$\rho$=20~30 kg/m³；λ=0.03 W/（m·K））；底板为0.4 mm厚镀锌钢板，计算采用保证此种屋面在不同室内温湿度条件下内表面不结露的保温层最小厚度。

图1  压型双层钢板复合保温屋面构造

Fig. 1  Roofing structure with composite insulation of profiled double-layer steel plate

图2为防止内表面结露的保温层最小厚度随室内温湿度的变化曲线。从图2可以看出，随着温湿度的提高，保温层最小厚度增大。在相同湿度（φ<$\phi <$90%）时，保温层最小厚度随室内温度tn$t_{\mathrm{n}}$升高增速很慢；当φ$\phi$由90%增至95%时，保温层最小厚度随室温tn$t_{\mathrm{n}}$增速略增大；在相同室内温度下，当φ>$\phi >$90%，保温层最小厚度随单位湿度增量升高增快；由式（4）分析可知，当φ$\phi$=100%时，tn−tl$t_{\mathrm{n}}-t_{\mathrm{l}}$→0，则δmin${\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}$→∞。因此，冬季造纸车间室内温湿度的参数对保温层最小厚度的影响显著，有必要将车间上方的温度控制在低于35℃，湿度90%。

图2  岳阳地区典型双层压型钢屋面保温层最小厚度

Fig. 2  Minimum thickness of typical double-layer laminated steel roof thermal-preservation layer in rueyang

造纸车间中的干冷气流与热湿气流不断进行热质交换，会出现温度分层现象，夏季钢屋面内表面的温度越高，对车间的热辐射及向室内传热越大，给车间操作人员带来的闷热不适感越强，因此有必要研究如何将屋面内表面温度限定在较低的范围内以达到隔热的目的，从而维持车间一定的热环境。根据实用供热空调设计手册^[3]，自然通风条件下屋面内表面温度最大值满足式（5）。

屋面内表面温度可近似按式（6）和式（7）计算^[3]。

式中，θi,max为${\theta }_{\mathrm{i},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{为}$内表面最高温度，℃$℃$；te,max为$t_{\mathrm{e},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{为}$夏季室外计算温度最高值（按参考文献[3]表4.1-12取值），℃$℃$；tsa¯¯¯¯$\overline{t_{\mathrm{s}\mathrm{a}}}$为室外综合温度平均值，℃；αi${\alpha }_{\mathrm{i}}$为内表面换热系数，W/（m²·K）；Atsa$A_{\mathrm{t}\mathrm{s}\mathrm{a}}$为室外综合温度波幅，℃；β、β'$\beta \mathrm{、}\beta \text{'}$为相位差修正系数，此处取1；Imax、I¯$I_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\mathrm{、}\overline{I}$为太阳辐射照度最大值及平均值，W/m²；ρs${\rho }_{\mathrm{s}}$为太阳辐射吸收系数，此处取0.79；R0为$R_{\mathrm{0}}\mathrm{为}$围护结构的传热阻，m2⋅K/W${\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}·\mathrm{K}/\mathrm{W}$；ti¯¯¯$\overline{t_{\mathrm{i}}}$、te,c¯¯¯¯¯$\overline{t_{\mathrm{e},\mathrm{c}}}$为室内、外计算温度平均值，℃$℃$；ϑ0、ϑi${\vartheta }_{\mathrm{0}}\mathrm{、}{\vartheta }_{\mathrm{i}}$为室外综合温度波动至内表面的衰减倍数、室内空气至内表面的衰减倍数；Ati、Ate$A_{\mathrm{t}\mathrm{i}}\mathrm{、}{A}_{\mathrm{t}\mathrm{e}}$为室内、外计算温度波幅，℃$℃$。

按照上式计算，为便于获得可靠的计算原始数据，选取夏热冬冷地区的南京、长沙及夏热冬暖地区的福州、广州4个城市，由实用供热空调设计手册^[3]中表4.1-12查得计算所需原始数据如表1所示，结合式（5）、式（7），β'Ateϑ0$\beta \text{'}\frac{A_{\mathrm{t}\mathrm{e}}}{{\vartheta }_{\mathrm{0}}}$、R0$R_{\mathrm{0}}$均为变量，因此制Excel计算表试算，并绘制计算出的所需隔热层最小厚度随室温的变化曲线，结果见图3。

图3  隔热层计算最小厚度

Fig. 3  Minimum thickness of thermal insulating layer

从表1及图3可知，南京夏季室外计算温度最高值及平均值均低于长沙，而其夏季太阳辐射照度平均值大于长沙，所需的隔热层厚度较大。因此，当地夏季室外计算温度最高值越低，满足夏季隔热设计要求的隔热层厚度越大，长沙地区按夏季隔热设计要求的隔热层最小厚度在24~71 mm（对应钢屋面内侧温度为30~34℃）。而福州和南京的曲线几乎重合，原因在于夏季室外最高计算温度仅相差0.1℃。

仍以上述为例，将室内干球温度25~35℃及各自对应在φ$\phi$=80%、90%、95%的相关参数带入式（1）~式（4），计算原始条件见表2。从满足冬季防结露最小热阻、夏季隔热的要求计算出长沙地区双层压型钢板造纸车间屋面的保温（隔热）层最小厚度，结果如图4所示。

图4  长沙地区屋面保温层最小厚度比较

Fig. 4  Comparison of minimum roof thermal-preservation layer thickness in Changsha

由图4可以看出，在长沙地区造纸车间夏季隔热计算出的隔热层最小厚度在屋顶室内温度达到34℃及以上时均大于满足冬季最小传热阻所需厚度（取φ$\phi$=90%），而这一温度在夏季造纸车间顶部是常态，但当相对湿度高于90%以上时，防结露计算出的最小厚度反而超过了隔热所需最小厚度。根据GB 50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》查知，长沙地区夏季通风室外计算温度为32.9℃，假定工作地点温度为35℃，由于存在温度梯度，屋面内表面温度极有可能超过夏季室外计算温度te,max$t_{\mathrm{e},\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$，此时隔热所需保温棉厚度将陡增，这对于屋面荷载及造价不利，也不现实。同时从图4可以看出，以tn=$t_{\mathrm{n}}=$35℃、φ=$\phi =$90%作为室内设计参数是较为合适的，这也是工程设计中通常采用的一个设计参数。

为分析不同地区屋面保温/隔热层的最小厚度，同时也为简化计算工作量，仅以上述4个典型城市在φ=80%和φ=90%对应的湿球温度下求得的最小传热阻要求保温厚度及夏季隔热层厚度的计算结果见图5和图6所示。

图5  不同地区保温/隔热层最小厚度比较（φ=80%）

Fig. 5  Comparison of minimum thermal-preservation/thermal insulating layer thickness in different areas (φ=80%)

图6  不同地区保温/隔热层最小厚度比较（φ=90%）

Fig. 6  Comparison of minimum thermal-preservation/thermal insulating layer thickness in different areas (φ=90%)

由图5和图6可以看出，在φ=80%、tn=$t_{\mathrm{n}}=$30~35℃时，4个城市根据夏季隔热计算出的保温层最小厚度均大于冬季防结露计算保温层厚度；而当φ=90%时，除福州、广州地区仍是隔热计算出的保温层最小厚度始终大于冬季防结露计算保温层厚度，南京和长沙地区则有可能出现防结露计算保温层厚度反超夏季隔热计算保温层最小厚度的情况；tn=$t_{\mathrm{n}}=$35℃时福州和广州地区夏季隔热计算保温层最小厚度已超过工程实际，按照夏季隔热计算保温层最小厚度已失去意义。因此，对于夏热冬冷地区应以夏季隔热计算确定保温层最小厚度δmin${\delta }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}$，并校核是否满足冬季防结露要求的最小厚度要求；对于夏热冬暖地区，仅需核算冬季防结露的保温层最小厚度即可。

4.1　在夏热冬冷地区造纸车间双层压型钢板屋面保温/隔热设计时，应以夏季隔热计算确定保温层的最小厚度，同时反过来校核是否满足冬季设计工况下的防结露最小保温层厚度。

4.2　造纸车间室内设计温湿度对保温层厚度影响显著，对于工程设计常采用的室内设计温湿度tn=$t_{\mathrm{n}}=$35℃、φ=$\phi =$90%，夏热冬暖地区无需计算隔热所需保温层厚度，做内表面防结露计算，并参考GB 51245—2017《工业建筑节能设计统一标准》推荐值。