冷庫保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

鄭大宇，王冠弘，劉衛(wèi)黨，顏 濤

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱150028)

冷庫保溫層作為冷庫建筑中的重要部分已經(jīng)越來越多的受到行業(yè)的關(guān)注.現(xiàn)有冷庫圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是采用聚苯板或聚氨酯［1］.聚苯板保溫層的結(jié)構(gòu)是在裸墻內(nèi)是聚苯板層，聚苯板內(nèi)是混凝土層，在混凝土里層是墻內(nèi)板.這種保溫層的缺點(diǎn)是兩面墻的墻角或墻與頂棚的角容易形成冷橋，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，增加耗冷量［2］.聚氨酯保溫結(jié)構(gòu)是聚氨酯噴涂在墻內(nèi)表面，再在它上面粘墻內(nèi)板.但是由于聚氨酯的價(jià)格較高，這種圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往費(fèi)用比較昂貴［3］.本文采用將兩種保溫材料復(fù)合的方法解決上述問題.

1 冷庫保溫結(jié)構(gòu)研究模型

1.1 有關(guān)參數(shù)的選取

選用常用冷庫，凍藏間，庫溫是－20℃作為研究的基本條件［4］.庫墻是標(biāo)準(zhǔn)49墻{傳熱系數(shù)是0.7 W/(m2·K)}，外墻需要增設(shè)保溫層的面積: (3×20)m2，此時(shí)按照夏季室外溫度35℃.

1.2 傳熱性能模型

首先采用傳熱性能指標(biāo)來分別評(píng)價(jià)聚氨酯保溫層和聚苯保溫層以及改進(jìn)型復(fù)合保溫層［5］.保溫層熱阻.

其中:R為保溫層熱阻，(m2·K)/W;δ為保溫層厚度，m;λ為保溫層導(dǎo)熱系數(shù);α為修正系數(shù).

1.2.1 聚氨酯保溫層熱阻

按照實(shí)際情況和建模要求參數(shù)的選擇.

選用141B 25.0/g，密度是27.52 kg/m3聚氨酯材料導(dǎo)熱系數(shù):λ=0.024 12(W/m3·K)［2］.按照設(shè)計(jì)要求所選擇的外墻保溫厚度是8 cm;按照冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范，修正系數(shù)選取1.4;外墻保溫層熱阻計(jì)算，代入式(1)，計(jì)算得2.36(m2·K)/W.

1.2.2 聚苯板保溫層熱阻:

按照實(shí)際情況和建模要求參數(shù)的選擇.選用擠塑型聚苯板(EPS)，導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.040(W/m3·K)［2］按照設(shè)計(jì)要求所選擇的厚度一般是15 cm;內(nèi)墻按照冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范，修正系數(shù)選取1.3.

1)聚苯板保溫層熱阻計(jì)算

代入式(1)，計(jì)算得2.88(m2·K)/W.

2)冷橋引入熱量模型

有關(guān)參數(shù)的選取:外墻產(chǎn)生的冷橋是一條長(zhǎng)50 m，厚度2 mm的狹長(zhǎng)縫隙，縫隙和冷間之間只有不帶保溫層的冷庫墻內(nèi)板.冷庫墻內(nèi)板的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04 W/(m2·K)［6－7］;板的厚度是3 mm，由于采用聚苯板做冷庫墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫層，容易在墻角處或墻與屋頂交接處形成冷橋［1］，此處引入冷橋引入熱量［5］.

其中:Q為熱流密度，W;c為傳熱系數(shù)，W/(m2· K);F是傳熱面積，m2;Δt是溫差，℃.

冷橋耗冷量計(jì)算，Δt=35℃，F(xiàn)=50×0.02=1 m2代入式(2)，得Q=47 W.

1.2.3 優(yōu)化后的新型復(fù)合材料保溫層熱阻模型

為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，減少保溫層厚度，消滅冷橋，提高冷庫工作效率，結(jié)合已有技術(shù)和實(shí)際施工要求，對(duì)保溫層進(jìn)行了如下優(yōu)化設(shè)計(jì).

1)材料的選取

選用導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.024 12 W/(m3·K)聚氨酯材料和導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.040 W/(m3·K)聚苯材料，噴涂約厚度1 cm聚氨酯材料，在鋪設(shè)厚度約10 cm的聚苯材料，然后在它的外側(cè)再噴涂厚度為1 cm聚氨酯材料，就構(gòu)成新型復(fù)合材料保溫層.如圖1所示，在冷庫外墻內(nèi)表面噴涂聚氨酯層，由于聚氨酯黏性較大，可以很好的和墻面粘合，在聚氨酯層上面鋪設(shè)聚苯板，在聚苯板的空隙里噴涂聚氨酯層，聚氨酯層內(nèi)表面可以直接鋪設(shè)墻內(nèi)板.

2)外墻保溫層熱阻計(jì)算

代入式(1)得

圖1 聚氨酯－聚苯混合材料保溫層結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 經(jīng)濟(jì)性模型

參數(shù)的選取同傳熱性能模型.保溫層的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分為初投資和維護(hù)費(fèi)用兩部分.其中初投資又分為材料成本和安裝費(fèi)用.但三種保溫層的安裝成本和維護(hù)費(fèi)用基本相當(dāng)，所以成本差異主要來自于材料成本.

1.3.1 采用聚氨酯保溫層的材料成本模型

材料單價(jià):20元/kg，計(jì)算所要用材料的質(zhì)量，選取修正系數(shù)是1.3;

其中材料質(zhì)量采用式(3)計(jì)算:

其中:m是所要用材料的質(zhì)量，ρ是材料的密度，F(xiàn)是面積，δ是厚度，a是修正系數(shù).

將面積20×3=60 m2，厚度8 cm，密度27.52 kg/m3帶入上式，計(jì)算聚氨酯的價(jià)格為3 500元.

1.3.2 采用聚苯板保溫層的材料成本計(jì)算

材料單價(jià):14元/m3，面積60 m2，厚度15 cm，計(jì)算材料成本為126元.

1.3.3 采用復(fù)合保溫層的材料成本模型

先計(jì)算用聚氨酯的成本:將面積60 m2，厚度2 cm，修正系數(shù)1.3計(jì)算得到聚氨酯成本為860元，再計(jì)算使用聚苯板的成本:將面積60 m2，厚度10 cm，計(jì)算聚苯板成本為74元，最后得到材料成本為934元.

2 結(jié)果分析

結(jié)果分析包括3種保溫層的傳熱性能分析，經(jīng)濟(jì)性分析以及工程適用性分析.

2.1 傳熱性能分析

由傳熱模型可見，不同的保溫層在適用于給定參數(shù)的模型時(shí)，所需要的厚度和其他條件各有特點(diǎn).其中聚氨酯保溫層在得到相近熱阻的模型中，厚度最小，性能最好;聚苯板保溫層因?yàn)榫哂欣錁?，所以必須適當(dāng)增加熱阻，再得到相近熱阻的模型中厚度最大，占用庫內(nèi)空間最多;復(fù)合材料保溫層消除了冷橋?qū)靸?nèi)環(huán)境影響的同時(shí)，厚度適中.見表1.

表1 不同結(jié)構(gòu)保溫層厚度和熱阻的比較

2.2 經(jīng)濟(jì)性能分析

由經(jīng)濟(jì)性模型可見，聚氨酯保溫層最昂貴，聚苯板保溫層雖然出投資較低，但因?yàn)楹穸容^厚，要占用庫內(nèi)較大空間以及存在冷橋，影響庫內(nèi)環(huán)境等問題，再加上它本身的維護(hù)費(fèi)用較高，綜合經(jīng)濟(jì)性能并不樂觀.優(yōu)化后的復(fù)合保溫層兼具了較低的初投資，較低的維護(hù)維護(hù)費(fèi)用以及較好的適用性能，經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu).見表2，圖2.

表2 模型下不同結(jié)構(gòu)保溫層經(jīng)濟(jì)性比較

2.3 工程適用性分析

聚氨酯保溫層適用性廣，價(jià)格昂貴.

聚苯板保溫層因?yàn)榫郾桨迨杷?，容易損壞而且材料本身容易收到生物侵害，使用環(huán)境受到限制.而且聚苯板保溫層在安裝使用過程中會(huì)產(chǎn)生冷橋，影響冷庫整體保溫效果.即使通過加厚保溫層的方法來平衡冷橋產(chǎn)生的耗冷量，冷橋附近的存貨也因?yàn)闇囟炔环€(wěn)定很容易變質(zhì)，這樣就影響了整個(gè)冷庫的使用效率.

新型復(fù)合保溫層由于表面是聚氨酯層，克服了聚苯保溫層結(jié)構(gòu)疏松，容易收到生物侵害的問題，有效消除了冷橋，同時(shí)兼具經(jīng)濟(jì)性.

圖2 保溫層總厚度和價(jià)格示意圖

3 結(jié)語

以傳熱性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，建立了冷庫保溫層結(jié)構(gòu)研究模型，并運(yùn)用該模型對(duì)不同冷庫保溫層結(jié)構(gòu)進(jìn)分析，新的復(fù)合保溫材料保溫層具備優(yōu)良傳熱性能，良好的工程適用性，以及顯著的經(jīng)濟(jì)性.因此具備很高的工程應(yīng)用價(jià)值.

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