冷库保温结构优化分析

郑大宇，王冠弘，刘卫党，颜 涛

(哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院，哈尔滨150028)

冷库保温层作为冷库建筑中的重要部分已经越来越多的受到行业的关注.现有冷库围护结构主要是采用聚苯板或聚氨酯［1］.聚苯板保温层的结构是在裸墙内是聚苯板层，聚苯板内是混凝土层，在混凝土里层是墙内板.这种保温层的缺点是两面墙的墙角或墙与顶棚的角容易形成冷桥，影响围护结构传热系数，增加耗冷量［2］.聚氨酯保温结构是聚氨酯喷涂在墙内表面，再在它上面粘墙内板.但是由于聚氨酯的价格较高，这种围护结构往往费用比较昂贵［3］.本文采用将两种保温材料复合的方法解决上述问题.

1 冷库保温结构研究模型

1.1 有关参数的选取

选用常用冷库，冻藏间，库温是－20℃作为研究的基本条件［4］.库墙是标准49墙{传热系数是0.7 W/(m2·K)}，外墙需要增设保温层的面积: (3×20)m2，此时按照夏季室外温度35℃.

1.2 传热性能模型

首先采用传热性能指标来分别评价聚氨酯保温层和聚苯保温层以及改进型复合保温层［5］.保温层热阻.

其中:R为保温层热阻，(m2·K)/W;δ为保温层厚度，m;λ为保温层导热系数;α为修正系数.

1.2.1 聚氨酯保温层热阻

按照实际情况和建模要求参数的选择.

选用141B 25.0/g，密度是27.52 kg/m3聚氨酯材料导热系数:λ=0.024 12(W/m3·K)［2］.按照设计要求所选择的外墙保温厚度是8 cm;按照冷库设计规范，修正系数选取1.4;外墙保温层热阻计算，代入式(1)，计算得2.36(m2·K)/W.

1.2.2 聚苯板保温层热阻:

按照实际情况和建模要求参数的选择.选用挤塑型聚苯板(EPS)，导热系数λ=0.040(W/m3·K)［2］按照设计要求所选择的厚度一般是15 cm;内墙按照冷库设计规范，修正系数选取1.3.

1)聚苯板保温层热阻计算

代入式(1)，计算得2.88(m2·K)/W.

2)冷桥引入热量模型

有关参数的选取:外墙产生的冷桥是一条长50 m，厚度2 mm的狭长缝隙，缝隙和冷间之间只有不带保温层的冷库墙内板.冷库墙内板的导热系数约为0.04 W/(m2·K)［6－7］;板的厚度是3 mm，由于采用聚苯板做冷库墙体围护结构保温层，容易在墙角处或墙与屋顶交接处形成冷桥［1］，此处引入冷桥引入热量［5］.

其中:Q为热流密度，W;c为传热系数，W/(m2· K);F是传热面积，m2;Δt是温差，℃.

冷桥耗冷量计算，Δt=35℃，F=50×0.02=1 m2代入式(2)，得Q=47 W.

1.2.3 优化后的新型复合材料保温层热阻模型

为简化结构，降低成本，减少保温层厚度，消灭冷桥，提高冷库工作效率，结合已有技术和实际施工要求，对保温层进行了如下优化设计.

1)材料的选取

选用导热系数λ=0.024 12 W/(m3·K)聚氨酯材料和导热系数λ=0.040 W/(m3·K)聚苯材料，喷涂约厚度1 cm聚氨酯材料，在铺设厚度约10 cm的聚苯材料，然后在它的外侧再喷涂厚度为1 cm聚氨酯材料，就构成新型复合材料保温层.如图1所示，在冷库外墙内表面喷涂聚氨酯层，由于聚氨酯黏性较大，可以很好的和墙面粘合，在聚氨酯层上面铺设聚苯板，在聚苯板的空隙里喷涂聚氨酯层，聚氨酯层内表面可以直接铺设墙内板.

2)外墙保温层热阻计算

代入式(1)得

图1 聚氨酯－聚苯混合材料保温层结构示意图

1.3 经济性模型

参数的选取同传热性能模型.保温层的经济性指标分为初投资和维护费用两部分.其中初投资又分为材料成本和安装费用.但三种保温层的安装成本和维护费用基本相当，所以成本差异主要来自于材料成本.

1.3.1 采用聚氨酯保温层的材料成本模型

材料单价:20元/kg，计算所要用材料的质量，选取修正系数是1.3;

其中材料质量采用式(3)计算:

其中:m是所要用材料的质量，ρ是材料的密度，F是面积，δ是厚度，a是修正系数.

将面积20×3=60 m2，厚度8 cm，密度27.52 kg/m3带入上式，计算聚氨酯的价格为3 500元.

1.3.2 采用聚苯板保温层的材料成本计算

材料单价:14元/m3，面积60 m2，厚度15 cm，计算材料成本为126元.

1.3.3 采用复合保温层的材料成本模型

先计算用聚氨酯的成本:将面积60 m2，厚度2 cm，修正系数1.3计算得到聚氨酯成本为860元，再计算使用聚苯板的成本:将面积60 m2，厚度10 cm，计算聚苯板成本为74元，最后得到材料成本为934元.

2 结果分析

结果分析包括3种保温层的传热性能分析，经济性分析以及工程适用性分析.

2.1 传热性能分析

由传热模型可见，不同的保温层在适用于给定参数的模型时，所需要的厚度和其他条件各有特点.其中聚氨酯保温层在得到相近热阻的模型中，厚度最小，性能最好;聚苯板保温层因为具有冷桥，所以必须适当增加热阻，再得到相近热阻的模型中厚度最大，占用库内空间最多;复合材料保温层消除了冷桥对库内环境影响的同时，厚度适中.见表1.

表1 不同结构保温层厚度和热阻的比较

2.2 经济性能分析

由经济性模型可见，聚氨酯保温层最昂贵，聚苯板保温层虽然出投资较低，但因为厚度较厚，要占用库内较大空间以及存在冷桥，影响库内环境等问题，再加上它本身的维护费用较高，综合经济性能并不乐观.优化后的复合保温层兼具了较低的初投资，较低的维护维护费用以及较好的适用性能，经济性能最优.见表2，图2.

表2 模型下不同结构保温层经济性比较

2.3 工程适用性分析

聚氨酯保温层适用性广，价格昂贵.

聚苯板保温层因为聚苯板疏松，容易损坏而且材料本身容易收到生物侵害，使用环境受到限制.而且聚苯板保温层在安装使用过程中会产生冷桥，影响冷库整体保温效果.即使通过加厚保温层的方法来平衡冷桥产生的耗冷量，冷桥附近的存货也因为温度不稳定很容易变质，这样就影响了整个冷库的使用效率.

新型复合保温层由于表面是聚氨酯层，克服了聚苯保温层结构疏松，容易收到生物侵害的问题，有效消除了冷桥，同时兼具经济性.

图2 保温层总厚度和价格示意图

3 结语

以传热性能指标和经济性指标为标准，建立了冷库保温层结构研究模型，并运用该模型对不同冷库保温层结构进分析，新的复合保温材料保温层具备优良传热性能，良好的工程适用性，以及显著的经济性.因此具备很高的工程应用价值.

［1］ 毕泽钊.制冷技术［M］.北京:科学出版社，2009.

［2］ 李永安.制冷技术与装置［M］.北京:化学工业出版社，2010.

［3］ 赵 华，金 虹.采暖建筑节能符合文虎结构与保温材料经济性的研究［J］.哈尔滨建筑大学学报，2001(2):21－24.

［4］ 周 然，陈锦远，王随林，等.冷库通风地面构造层的数值模拟［J］.冷藏技术，2007(4):16－20.

［5］ 高祖锟.冷库地坪防冻臌机械通风的传热计算［J］.暖通空调，1996(4):65－69.

［6］ 杨世铭，陶文铨.传热学［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［7］ 王起霄，卢维国.制冷装置冷凝器系统的设计及研究［J］.哈尔滨商业大学学报:自然科学版，2010，26(5):604－607.