長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析

王海濤，王 軍，郭呈周

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長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析

王海濤，王 軍，郭呈周

（河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，鄭州 450001）

糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能對(duì)儲(chǔ)糧安全和糧倉(cāng)能耗有重要影響。糧倉(cāng)屋頂面積大，是糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)接受太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的部位，外界熱量主要通過(guò)屋頂傳入糧倉(cāng)，因此屋頂是糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱設(shè)計(jì)的最重要部位。雙層通風(fēng)屋頂、高反射率的屋面隔熱涂料和保溫隔熱材料等節(jié)能技術(shù)近年來(lái)在糧倉(cāng)屋頂設(shè)計(jì)中得到迅速發(fā)展和應(yīng)用?？紤]屋頂不同外表面太陽(yáng)輻射反射率和自然通風(fēng)對(duì)雙層通風(fēng)屋頂傳熱的影響，該文給出并試驗(yàn)驗(yàn)證了多層屋頂非穩(wěn)態(tài)傳熱模型和雙層通風(fēng)屋頂傳熱模型，利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的屋頂傳熱模型進(jìn)行屋頂能耗計(jì)算，采用經(jīng)濟(jì)性模型和全生命周期理論對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)普通屋頂和雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度進(jìn)行分析，并對(duì)采用最佳保溫隔熱層厚度時(shí)的生命周期總投資、凈收益及回收周期進(jìn)行計(jì)算和比較分析。研究結(jié)果表明：屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度和經(jīng)濟(jì)性有較大影響，雙層通風(fēng)屋頂可以減小屋頂最佳保溫隔熱層厚度，長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)可采用雙層通風(fēng)屋頂和高反射率的屋面隔熱涂料降低糧倉(cāng)能耗，減少因能源消耗而引起的環(huán)境污染問(wèn)題。長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)普通屋頂擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.106～0.183 m，生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值為417～633.38元/m2，投資回收年限為2.39～2.96 a。低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度隨屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的增大而減小，雙層通風(fēng)屋頂可以減少屋頂保溫隔熱層投資回收年限。該屋頂最佳保溫隔熱層厚度確定方法對(duì)于指導(dǎo)低溫糧倉(cāng)屋頂保溫隔熱設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)意義。

傳熱；保溫層；模型；屋頂；太陽(yáng)輻射；最佳厚度；生命周期

0 引 言

低溫儲(chǔ)糧是一種有效的綠色儲(chǔ)糧措施[1]，15 ℃以下的低溫可以抑制害蟲和微生物生長(zhǎng)繁殖、保證糧食品質(zhì)和減少糧食熏蒸的化學(xué)藥劑污染[2]。提高糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)的低溫儲(chǔ)糧起著關(guān)鍵作用[3-4]。糧倉(cāng)屋頂具有安全、隔熱和防水的功能。糧倉(cāng)屋頂面積大，是糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)接受太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的部位，因此屋頂成為糧倉(cāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱設(shè)計(jì)最重要的部位。通過(guò)屋頂進(jìn)入糧倉(cāng)的熱量是造成儲(chǔ)糧溫度偏高和影響儲(chǔ)糧安全的最重要原因之一[5]。雙層通風(fēng)屋頂、高反射率的屋面隔熱涂料和保溫隔熱材料等方法均是提高糧倉(cāng)屋頂保溫隔熱性能的有效技術(shù)措施[6-15]，保溫隔熱層厚度不但會(huì)影響低溫糧倉(cāng)制冷空調(diào)的能耗，而且會(huì)影響糧倉(cāng)的建設(shè)成本。因此，研究低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度，使糧倉(cāng)整個(gè)生命周期內(nèi)能耗費(fèi)用與糧倉(cāng)建設(shè)費(fèi)用之和最小，可以確保儲(chǔ)糧安全和實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)節(jié)能減排，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱作為建筑節(jié)能的重要技術(shù)措施已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[16-17]。目前絕大多數(shù)最佳保溫隔熱層厚度研究采用度日數(shù)法計(jì)算建筑能耗，利用生命周期法建立綜合考慮建筑能耗費(fèi)用和保溫隔熱材料成本的保溫隔熱層厚度數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而研究最佳保溫隔熱層厚度和節(jié)能效益[18-25]。僅有少量學(xué)者采用多層圍護(hù)結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱模型計(jì)算建筑能耗[17]。度日數(shù)法假定的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間與空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間不符，并且忽略了太陽(yáng)輻射對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，這將降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。采用生命周期法分析建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)成本時(shí)，沒(méi)有考慮建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)用和其他相關(guān)費(fèi)用，導(dǎo)致建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)成本分析具有片面性，最佳保溫隔熱層厚度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性降低。針對(duì)以上實(shí)際情況，本文以長(zhǎng)沙地區(qū)為例，考慮低溫糧倉(cāng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行及其能耗與普通居民建筑和公共建筑的不同，采用多層屋頂非穩(wěn)態(tài)傳熱模型和雙層通風(fēng)屋頂傳熱模型進(jìn)行能耗計(jì)算，并利用1-2經(jīng)濟(jì)性模型分析糧倉(cāng)普通屋頂和雙層通風(fēng)屋頂?shù)谋馗魺釋由芷诔杀?，分析預(yù)測(cè)長(zhǎng)沙地區(qū)不同外表面太陽(yáng)輻射反射率的糧倉(cāng)屋頂和雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度。

1 低溫糧倉(cāng)屋頂引起的空調(diào)能耗費(fèi)用計(jì)算

1.1 糧倉(cāng)多層屋頂非穩(wěn)態(tài)傳熱模型

糧倉(cāng)屋頂不同建筑材料層交界處的熱傳遞方程可以用式（2）和式（3）表示。

1.2 糧倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂傳熱模型

雙層通風(fēng)屋頂作為一種節(jié)能減排新技術(shù)在糧倉(cāng)中得到了迅速發(fā)展。雙層通風(fēng)屋頂?shù)淖匀煌L(fēng)降溫機(jī)理已經(jīng)被建筑熱工界所認(rèn)知。上層屋面得到的太陽(yáng)輻射熱量一部分以輻射和對(duì)流傳熱的方式傳遞到外界大氣環(huán)境中，其余熱量由上層屋面吸收后以輻射為主傳遞到下層屋面，上下2層屋面間空氣層的自然通風(fēng)氣流會(huì)帶走部分的屋頂傳熱量，將熱量傳遞到外界大氣環(huán)境中。圖1給出了雙層通風(fēng)屋頂?shù)膫鳠釞C(jī)理示意圖。

雙層通風(fēng)屋頂?shù)膫鳠釘?shù)學(xué)模型可用式（6）表示。

式中是屋頂上表面的溫度，K；是外界環(huán)境的空氣溫度，K；是雙層通風(fēng)屋頂?shù)拈L(zhǎng)度，m；d為雙層通風(fēng)屋頂?shù)膶挾龋琺；是上下2層屋面之間的距離，m；是屋面的傾斜角；是瑞利數(shù)；是局部努塞爾數(shù)；m為空氣質(zhì)量流速，kg/s。

分析式（7）和式（8）可知，影響雙層通風(fēng)屋頂自然通風(fēng)氣流帶走熱量的主要因素分別是屋頂上表面溫度與外界環(huán)境空氣溫度之間的溫差、屋面傾斜角、屋面長(zhǎng)度和上下2層屋面之間的距離。

Olsson[27]給出了屋頂內(nèi)側(cè)空氣溫度計(jì)算公式。

1.3 糧倉(cāng)屋頂傳熱模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究采用對(duì)比糧倉(cāng)屋頂內(nèi)表面溫度預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的方法，驗(yàn)證糧倉(cāng)屋頂傳熱模型的準(zhǔn)確性。利用經(jīng)過(guò)標(biāo)定的LZ700型紅外測(cè)溫儀和數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)采集長(zhǎng)沙地區(qū)2017年7月29日0:00時(shí)至2017年7月30日24:00時(shí)2個(gè)糧倉(cāng)的屋頂內(nèi)表面溫度數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間間隔為10 min，共獲得288組溫度數(shù)據(jù)。屋頂內(nèi)表面溫度取坡屋面幾何中心3個(gè)不同的相鄰的測(cè)量點(diǎn)的溫度平均值，溫度測(cè)量點(diǎn)的間距為0.1m。驗(yàn)證試驗(yàn)涉及的糧倉(cāng)普通屋頂為典型的糧倉(cāng)屋面結(jié)構(gòu)（細(xì)石混凝土40 mm+水泥砂漿20 mm+防水卷材4 mm+水泥砂漿20 mm+粉煤灰陶?；炷?0 mm+鋼筋混凝土350 mm）。驗(yàn)證試驗(yàn)涉及的雙層通風(fēng)屋頂?shù)南聦游菝鏋榛炷廖菝姘?，上層屋面為紅褐色瓦屋面。圖2為高大平房倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂剖面示意圖。高大平房倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂寬24 m，縱向高度7.5 m。

注：上下2層屋面之間的距離為1 m，單側(cè)屋面長(zhǎng)度為12.5 m，屋面的傾斜角度為30°。圖中尺寸表示各通風(fēng)孔高度。

在進(jìn)行屋頂傳熱模型驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取30 min，假設(shè)屋頂內(nèi)各層建筑材料的初始溫度相同，初始溫度取2017年7月29日溫度測(cè)量的平均值，通過(guò)對(duì)比2017年7月30日屋頂內(nèi)表面溫度測(cè)量值與模型預(yù)測(cè)值來(lái)驗(yàn)證糧倉(cāng)屋頂傳熱模型的準(zhǔn)確性。屋頂內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)取8.72 W/(m2·K)，屋頂外表面對(duì)流換熱系數(shù)取23.26 W/(m2·K)[3]。屋頂外表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度取屋面垂直壁面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，其值可根據(jù)氣象部門試驗(yàn)測(cè)得的太陽(yáng)總輻射由Lam等[28]提出的分解公式計(jì)算獲得。圖3給出了糧倉(cāng)屋頂內(nèi)表面溫度的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值。由圖3可知，屋頂內(nèi)表面溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的平均偏差小于5.5%，屋頂內(nèi)表面溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合良好。與實(shí)測(cè)值相比，多層屋頂動(dòng)態(tài)傳熱模型的最大偏差為6.7%，平均偏差為4.6%。雙層通風(fēng)屋頂傳熱模型的最大偏差為8.2%，平均偏差為5.3%。驗(yàn)證結(jié)果表明屋頂傳熱模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高，屋頂傳熱模型可用于分析和預(yù)測(cè)糧倉(cāng)屋頂?shù)目照{(diào)冷負(fù)荷。

注：溫度測(cè)量時(shí)間為2017年7月30日，2017年7月29日溫度測(cè)量的平均值作為傳熱模型驗(yàn)證時(shí)的屋頂初始溫度。

1.4 糧倉(cāng)屋頂冷負(fù)荷引起的空調(diào)能耗費(fèi)用計(jì)算

2 糧倉(cāng)屋頂P1-P2經(jīng)濟(jì)性模型分析方法

單位面積糧倉(cāng)屋頂保溫隔熱層的建設(shè)成本可用式（14）表示。

3 糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度計(jì)算

本研究利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的糧倉(cāng)屋頂傳熱模型預(yù)測(cè)糧倉(cāng)屋頂冷負(fù)荷引起的空調(diào)系統(tǒng)能耗費(fèi)用，采用1-2經(jīng)濟(jì)分析模型進(jìn)行綜合考慮建設(shè)成本和空調(diào)系統(tǒng)能耗費(fèi)用的糧倉(cāng)屋頂全生命周期經(jīng)濟(jì)性分析，研究長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂不同外表面太陽(yáng)輻射反射率的最佳保溫隔熱層厚度和雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度。本研究以具有典型夏熱冬冷氣候特征的長(zhǎng)沙地區(qū)為例，結(jié)合長(zhǎng)沙地區(qū)的真實(shí)低溫糧倉(cāng)進(jìn)行低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度研究。長(zhǎng)沙地區(qū)的產(chǎn)糧以稻谷為主，低溫儲(chǔ)糧是抑制稻谷有害生物體生長(zhǎng)繁殖和延緩稻谷品質(zhì)劣變的最佳方法。低溫儲(chǔ)糧具有很好的安全儲(chǔ)糧效果，但需要安裝運(yùn)行能耗較高的制冷空調(diào)系統(tǒng)。本研究涉及的低溫糧倉(cāng)安裝了能效比為2.3的空調(diào)系統(tǒng)。每年4月—11月為需要糧倉(cāng)空調(diào)系統(tǒng)制冷的月份。每年5月—9月糧倉(cāng)空調(diào)系統(tǒng)全天24 h間歇運(yùn)行，以便保證稻谷的儲(chǔ)糧安全。每年4月、10月和11月為過(guò)渡月份，利用小功率軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行適宜室外氣象條件的通風(fēng)降溫，實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)過(guò)渡月份的通風(fēng)節(jié)能。

利用式（14）和式（15）計(jì)算長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂不同保溫隔熱層厚度的生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值。圖4為糧倉(cāng)屋頂外表面太陽(yáng)輻射高反射率、中反射率和低反射率時(shí)生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值隨擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層厚度的變化情況。隨著屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的減小，生命周期內(nèi)總投資現(xiàn)值逐漸增加。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射高反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值分別為137.29和129.56元/m2。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值分別為181.15和157.36元/m2。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射低反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值分別為193.29和167.82元/m2。擠塑聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值為137.29～193.29元/m2，膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值為129.56～167.82元/m2。雙層通風(fēng)屋頂?shù)臄D塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)總投資最小現(xiàn)值分別為256.71和233.35元/m2。

表1 屋頂材料特性參數(shù)

注：a是太陽(yáng)能輻射熱吸收系數(shù)；屋頂外表面為太陽(yáng)輻射高反射率表面時(shí)a=0.45；屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率表面時(shí)a=0.75；屋頂外表面為太陽(yáng)輻射低反射率表面時(shí)a=0.90；雙層通風(fēng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率表面時(shí)a=0.75。

利用式（14）和式（16）計(jì)算長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂不同保溫隔熱層厚度的生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值（即生命周期內(nèi)凈收益）。圖5給出了糧倉(cāng)屋頂外表面太陽(yáng)輻射高反射率、中反射率、低反射率時(shí)生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值隨擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層厚度的變化情況。隨著屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的減小，生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值逐漸減小。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射低反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值分別為417和424.7元/m2。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值分別為534.67和558.46元/m2。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射高反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值分別為607.9和633.38元/m2。擠塑聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值為417～607.9元/m2， 膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值為424.7～ 633.38元/m2。雙層通風(fēng)屋頂?shù)臄D塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值分別為458.98和482.47元/m2。

圖5 不同保溫隔熱層厚度的生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值

當(dāng)生命周期內(nèi)凈現(xiàn)值最大時(shí)，糧倉(cāng)屋頂保溫隔熱層厚度為最佳保溫隔熱層厚度。圖6給出了糧倉(cāng)屋頂外表面太陽(yáng)輻射高反射率、中反射率和低反射率時(shí)擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度。隨著屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的減小，最佳保溫隔熱層厚度逐漸增加。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射高反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.106和0.148 m。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.145和0.171 m。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射低反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.154和0.183 m。擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.106～0.154 m，膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.148～0.183 m。雙層通風(fēng)屋頂?shù)臄D塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.137和0.167 m。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，雙層通風(fēng)屋頂?shù)淖罴驯馗魺釋雍穸刃∮诟叽笃椒總}(cāng)普通屋頂最佳保溫隔熱層厚度。

確定長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度之后，可以利用式（18）計(jì)算長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度的投資回收年限。圖7給出了糧倉(cāng)屋頂外表面太陽(yáng)輻射高反射率、中反射率和低反射率時(shí)擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度的投資回收年限。隨著屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的減小，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限均逐漸減小。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射高反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.96和2.68 a。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.71和2.47 a。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射低反射率時(shí)，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.62和 2.39 a。擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限為2.62～2.96 a，膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限為2.39～2.68 a。雙層通風(fēng)屋頂擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.67和2.37 a。當(dāng)屋頂外表面為太陽(yáng)輻射中反射率時(shí)，高大平房倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂比普通屋頂具有更小的投資回收年限。

圖6 最佳保溫隔熱層厚度

圖7 最佳保溫隔熱層投資回收年限

4 結(jié) 論

1）膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度大于擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度，膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層比擠塑聚苯乙烯保溫隔熱層有更短的投資回收年限。長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)普通屋頂最佳保溫隔熱層厚度范圍為0.106～0.183 m，生命周期內(nèi)最大凈現(xiàn)值范圍為417～633.38元/m2，投資回收年限為2.39～2.96 a。長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂采用膨脹聚苯乙烯比擠塑聚苯乙烯更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

2）外表面太陽(yáng)輻射反射率對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度有較大影響，長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂保溫隔熱工程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的影響。隨著糧倉(cāng)屋頂外表面太陽(yáng)輻射反射率的減小，糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度逐漸增加，擠塑聚苯乙烯保溫隔熱層和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層的投資回收年限均逐漸減少，因此長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)普通屋頂應(yīng)采用太陽(yáng)輻射高反射率的屋頂外表面，低溫糧倉(cāng)屋頂外表面噴高反射率的隔熱涂料可以起到較顯著的節(jié)能減排效果。

3）高大平房倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂可以減少長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度，減少屋頂保溫隔熱層投資回收年限，長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)可以采用雙層通風(fēng)屋頂來(lái)降低糧倉(cāng)能耗。長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)采用雙層通風(fēng)屋面仍需設(shè)置一定厚度的保溫隔熱層，才能達(dá)到理想的經(jīng)濟(jì)效果和節(jié)能減排效果。

4）本文雖然僅以長(zhǎng)沙地區(qū)為例進(jìn)行案例分析，但主要是從方法上來(lái)分析研究糧倉(cāng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度，文中所提出的研究方法可推廣應(yīng)用到全國(guó)不同氣候區(qū)域和不同的保溫隔熱材料，對(duì)提高低溫糧倉(cāng)保溫隔熱性能，優(yōu)選保溫隔熱材料，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)糧安全和糧倉(cāng)節(jié)能減排具有重要指導(dǎo)意義。

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Analysis of optimum thermal insulation thickness of double-skin ventilation roof of low temperature granary in Changsha region

Wang Haitao, Wang Jun, Guo Chengzhou

(450001,)

The thermal insulation performance of granary envelope has important impacts on grain storage safety and granary energy consumption. The roof of a granary is usually very large. Because roof is the position with the strongest solar radiation in granary, the external heat is mainly transferred into granary through roof. Therefore, granary roof is the key part in the design of thermal insulation in building envelope of granary. Double-skin ventilation roof, high reflectivity coatings for roof, and thermal insulation material are three popular techniques for roof of granary for stored grain safety and more energy saving. According to different solar radiation levels and different climatic characteristics, the optimum thermal insulation thicknesses of roofs is different in different areas of China. In this paper, the transient heat transfer model of multi-layer roof was presented and validated for calculating energy consumption of ordinary roof in low temperature granary. By considering the influence of natural ventilation, a heat transfer model of double-skin ventilation roof was proposed and validated for determining energy consumption of double-skin ventilation roof. In this pater, the1-2economic models were used to study the optimum thermal insulation thicknesses of the ordinary multi-layer roof and the double-skin ventilation roof of the low temperature granaries in Changsha region. The effect of different solar radiation reflectivity rates of outside surface was considered in determining the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof in Changsha region. The optimum thermal insulation thicknesses of two thermal insulation materials including expanded polystyrene and expanded polystyrene were calculated for ordinary roof and double-skin ventilation roof of the low temperature granary in Changsha region by using1-2economic model respectively. And then, on the basis of life cycle cost analysis, the total life cycle costs, life cycle savings and payback periods were calculated. The results of this research showed that the solar radiation reflectivity of outside surface has a significant impact on the economy and the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof in Changsha region. Double-skin ventilation roof can reduce the optimum thermal insulation thickness of low temperature granary roof. Double-skin ventilation roof and high reflectivity coatings for roof should be adopted in roof of low temperature granary in Changsha region for more energy saving and less environmental pollution. The optimum thermal insulation thicknesses range of extruded polystyrene and expanded polystyrene was between 0.106-0.183 m for ordinary roof of low temperature granary. The maximum life cycle savings range from 417 to 633.38 RMB Yuan/m2. The payback period ranges from 2.39 to 2.96 years for the optimum thermal insulation thickness of roof. Expanded polystyrene has thicker optimum thermal insulation layer than extruded polystyrene. Expanded polystyrene has shorter payback period of optimum thermal insulation thickness of roof than extruded polystyrene. The optimum thermal insulation thickness of the roof decreases with the increase of the solar radiation reflectivity of outside surface of the roof. The double-skin ventilation roof can shorten the payback period of the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof. Besides, this determination method of optimum thermal insulation thickness of roof has a certain guiding significance for guiding design process of thermal insulation thickness of low temperature granary roof.

heat transfer; thermal insulation; model; roof; solar radiation; optimum thickness; life cycle

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035

TU111.4

A

1002-6819(2018)-19-0276-08

2018-06-12

2018-08-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（51406048）；國(guó)家糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201513001）；河南工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新人才基金項(xiàng)目 (2015RCJH17)

王海濤，副教授，博士，主要從事建筑熱濕傳遞特性研究。Email：haitao-wangshd@163.com

王海濤，王 軍，郭呈周. 長(zhǎng)沙地區(qū)低溫糧倉(cāng)雙層通風(fēng)屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：276－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035 http://www.tcsae.org

Wang Haitao, Wang Jun, Guo Chengzhou. Analysis of optimum thermal insulation thickness of double-skin ventilation roof of low temperature granary in changsha region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 276－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035 http://www.tcsae.org