關(guān)于鋼筋混凝土蓄冰池保溫厚度的測算

楊榮海

(南京五洲制冷集團(tuán)中天空調(diào)有限公司,南京210012)

1 引言

隨著冰蓄冷技術(shù)的推廣，蓄冰池在空調(diào)系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。筆者所在單位自2003年就與美國PAUL·MUELLER公司合作，引進(jìn)了片冰機(jī)和冰漿機(jī)等冰蓄冷產(chǎn)品，并在國內(nèi)推廣應(yīng)用，先后為廈門匯金、上海東華大學(xué)、北京中關(guān)村科技樓蘇州恒久光電子等10多個(gè)項(xiàng)目生產(chǎn)并安裝了上述產(chǎn)品。冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用勢必要在系統(tǒng)中使用到蓄冰池，蓄冰池可以由多種材料制成，也可以有多種置放方式，其中最常見的還是地下半埋入式的鋼筋混凝土加保溫層的方式。為了達(dá)到既節(jié)約成本，保溫性能好，又堅(jiān)固耐用的目的，我們曾對(duì)采用鋼筋混凝土做蓄冰池設(shè)想過幾種方法，測算在什么條件下，采用多大厚度的鋼筋混凝土層和保溫層才合適。

2 假定條件

蓄冰池長L為10米，寬W為5米，深H為3米，蓄冰量為蓄冰池深度的70%，冰水溫度0℃。蓄冰時(shí)間8小時(shí)，蓄冰池蓄冰、供冷時(shí)間h為14小時(shí)。

蓄冰池內(nèi)冰的體積V為：

V=L×W×H×70%=10×5×3×70%=105 m3

蓄冰池內(nèi)冰的重量G為：

G=V×γ

=105×900=94500 kg

式中，冰的容重γ取900 kg/m3；冰的融解熱為：80kcal/kg(334.88kJ/kg)

儲(chǔ)存冰的蓄冷量為：

Q0=94500×80

=7560000 kcal=8792.28 kWh

分以下三種情況測算：

(1)蓄冰桶位于室內(nèi)地面上，在不加其他保溫材料的情況下，求鋼筋混凝土的厚度。

(2)蓄冰桶埋于地下，在不加其他保溫材料的情況下，假設(shè)鋼筋混凝土的厚度，求出在該厚度下的熱損失率。

(3)蓄冰桶埋于地下，采用一定厚度的鋼筋混凝土加保溫材料的情況下，求出在該厚度下的熱損失率。

以上三種情況下的防潮層熱阻均忽略不計(jì)。

3 計(jì)算過程

(1)蓄冰池位于空調(diào)制冷機(jī)房地面上，在不加其他保溫材料的情況下，計(jì)算鋼筋混凝土的厚度。在這種情況下，因地面以上有空氣擾動(dòng)，可視為單層平壁的傳熱?！对O(shè)備及管道保冷設(shè)計(jì)導(dǎo)則》GBT15586-1995第5.2.2條[1]防止表面凝露的保冷層厚度計(jì)算第a項(xiàng)平面單層保冷層計(jì)算公式為：

式中：

δ—保冷層厚度，m;

λ—保冷層材料制品在使用溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；查《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50072-2001[2]條文說明表11，鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.55W/(m·K)。(注：新的《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50072-2010條文說明中沒有“冷庫常用建筑材料熱物理系數(shù)”表，故采用舊規(guī)范中的表格參數(shù))；

ta—環(huán)境溫度，取累年夏季空調(diào)室外干球計(jì)算溫度，℃；查《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)規(guī)范》GBJ19-87[3]附錄二，南京地區(qū)為35℃；

t—無襯里金屬設(shè)備或管道的外表面溫度，取其正常運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部介質(zhì)溫度tf,℃，本例t為0℃；

td—露點(diǎn)溫度，取累年室外最熱月平均相對(duì)濕度與ta的取值相對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度，南京地區(qū)為31.26℃；

ts—保冷層外表面溫度，取ts=td+(1～3)℃。本例加1℃計(jì)算；

αs—保冷層外表面對(duì)周圍空氣的換熱系數(shù)，一般取值為8.14W/m2·K。

將各項(xiàng)參數(shù)代入公式計(jì)算：

=2.43m

(2)蓄冰池埋于地下，在不加其他保溫材料的情況下，假設(shè)一鋼筋混凝土的厚度，求出在該厚度下的熱損失率。在這種情況下，因蓄冰池埋于地下，與外界無熱流體對(duì)流換熱，僅有池壁兩側(cè)溫差的熱傳導(dǎo)；采用單層平壁導(dǎo)熱公式。

單位面積導(dǎo)熱量為：

Δt=ttu-t

式中：

ttu—蓄冰池外側(cè)土壤溫度，℃。《冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50072-2010[4]A.0.5條規(guī)定：“土壤溫度應(yīng)采取地面下3.2m深處歷年最低兩個(gè)月的土壤平均溫度……”。從“表A.0.5主要城市地面下3.2m深處歷年最低兩個(gè)月的土壤平均溫度”查得南京地區(qū)最低兩個(gè)月的土壤平均溫度為13.9℃；

t— 蓄冰池內(nèi)溫度，℃；取冰水溫度0℃；

δ— 鋼筋混凝土厚度，初步設(shè)為0.25m；

λ—鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。1.55W/(m·K)。

蓄冰池的熱損失量：

Q損=q損×F×h

式中：

F—蓄冰池的外表面積，m2；

h—蓄冰池蓄冰、供冷時(shí)間，設(shè)為14小時(shí)；

F=2×(L×W+L×H+W×H)

=2×(10×5+10×3+5×3)=190m2

Q損=86.18×190×14

=229238.8=229.24 kWh

(3)蓄冰池埋于地下，采用一定厚度的鋼筋混凝土加保溫材料的情況下，求出在該厚度下的熱損失率。與第2種情況相似，只是此時(shí)已是多層平壁，采用多層平壁導(dǎo)熱公式。單位面積導(dǎo)熱量為：

△t=ttu-t

式中：

ttu—蓄冰池外側(cè)土壤溫度，℃。同上例;

t—蓄冰池內(nèi)溫度，℃。取冰水溫度0℃;

δ1—鋼筋混凝土厚度，初步設(shè)為0.25m;

λ1—鋼筋混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。1.55W/(m·K);

δ2—聚苯乙烯擠塑板厚度，取0.1m;

λ2—聚苯乙烯擠塑板導(dǎo)熱系數(shù)。0.047W/(m·K)。

=6.07 W/m2

蓄冰池的熱損失量

Q損=q損×F×h

式中：

F—蓄冰池的外表面積，m2；

h—蓄冰池蓄冰、供冷時(shí)間，設(shè)為14小時(shí)。

F=2×(L×W+L×H+W×H)

=2×(10×5+10×3+5×3)=190m2

Q損=6.07×190×14 =16146.2 =16.15 kWh

4 結(jié)語

根據(jù)以上三種假設(shè)情況計(jì)算，可以認(rèn)為：如果在室內(nèi)地面上設(shè)置不加隔熱材料的鋼筋混凝土蓄冰池，還要達(dá)到蓄冰池外壁不結(jié)露的目的，其厚度將達(dá)到2.43m，這似乎太不現(xiàn)實(shí)。在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是高樓建筑中，空調(diào)制冷機(jī)房大都位于地下室，且機(jī)房的面積和高度有限，不可能在機(jī)房內(nèi)設(shè)置一個(gè)墻體厚度近2.5米、容積達(dá)數(shù)百乃至上千立方米的蓄冰池。而采用埋于空調(diào)制冷機(jī)房地面下，厚度為0.25m的鋼筋混凝土不加其他保溫材料的蓄冰池，其熱損失率仍為2.61%。如果可以接受5%以下的熱損失率，可以采用這一方式，但此種方式易產(chǎn)生在沒有保溫層、持續(xù)的冰點(diǎn)溫度下導(dǎo)致的蓄冰池凍脹損壞情況。如果要達(dá)到0.5%以下的熱損失率，單純增加鋼筋混凝土的厚度也不太可能。勢必要在鋼筋混凝土的內(nèi)側(cè)或外側(cè)加上一定厚度的保溫材料，如聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯擠塑板等，用于蓄冰池的聚氨酯泡沫塑料以現(xiàn)場發(fā)泡為宜。第3種計(jì)算中采用了0.25m鋼筋混凝土加0.1m的聚苯乙烯擠塑板，可以達(dá)到0.5%以下的熱損失率。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)蓄冰池大小及承受的壓力，鋼筋混凝土的厚度可酌情增厚，保溫層只要0.1m就可滿足要求了。

以上3種情況的計(jì)算中沒有考慮蓄冰池內(nèi)冰水?dāng)_動(dòng)時(shí)的放熱因素，如考慮這一因素，可能熱損失率更高。但從另一個(gè)角度考慮，當(dāng)蓄冰池內(nèi)的冷量透過池壁傳入深層的土壤后，土壤的溫度會(huì)適當(dāng)下降，深層土壤內(nèi)積蓄的冷量不會(huì)很快散發(fā)到地面上，尤其是位于高樓地下空調(diào)制冷機(jī)房內(nèi)的蓄冰池更是散發(fā)得慢。這樣，可能實(shí)際的熱損失率不會(huì)像計(jì)算的那么大。

[1] 設(shè)備及管道保冷設(shè)計(jì)導(dǎo)則 GBT15586-1995[S]

[2] 冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50072-2001[S]

[3] 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)規(guī)范 GBJ19-87[S]

[4] 冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50072-2010[S]