关于钢筋混凝土蓄冰池保温厚度的测算

杨荣海

(南京五洲制冷集团中天空调有限公司,南京210012)

1 引言

随着冰蓄冷技术的推广，蓄冰池在空调系统中得到了越来越多的应用。笔者所在单位自2003年就与美国PAUL·MUELLER公司合作，引进了片冰机和冰浆机等冰蓄冷产品，并在国内推广应用，先后为厦门汇金、上海东华大学、北京中关村科技楼苏州恒久光电子等10多个项目生产并安装了上述产品。冰蓄冷技术的应用势必要在系统中使用到蓄冰池，蓄冰池可以由多种材料制成，也可以有多种置放方式，其中最常见的还是地下半埋入式的钢筋混凝土加保温层的方式。为了达到既节约成本，保温性能好，又坚固耐用的目的，我们曾对采用钢筋混凝土做蓄冰池设想过几种方法，测算在什么条件下，采用多大厚度的钢筋混凝土层和保温层才合适。

2 假定条件

蓄冰池长L为10米，宽W为5米，深H为3米，蓄冰量为蓄冰池深度的70%，冰水温度0℃。蓄冰时间8小时，蓄冰池蓄冰、供冷时间h为14小时。

蓄冰池内冰的体积V为：

V=L×W×H×70%=10×5×3×70%=105 m3

蓄冰池内冰的重量G为：

G=V×γ

=105×900=94500 kg

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

储存冰的蓄冷量为：

Q0=94500×80

=7560000 kcal=8792.28 kWh

分以下三种情况测算：

(1)蓄冰桶位于室内地面上，在不加其他保温材料的情况下，求钢筋混凝土的厚度。

(2)蓄冰桶埋于地下，在不加其他保温材料的情况下，假设钢筋混凝土的厚度，求出在该厚度下的热损失率。

(3)蓄冰桶埋于地下，采用一定厚度的钢筋混凝土加保温材料的情况下，求出在该厚度下的热损失率。

以上三种情况下的防潮层热阻均忽略不计。

3 计算过程

(1)蓄冰池位于空调制冷机房地面上，在不加其他保温材料的情况下，计算钢筋混凝土的厚度。在这种情况下，因地面以上有空气扰动，可视为单层平壁的传热。《设备及管道保冷设计导则》GBT15586-1995第5.2.2条[1]防止表面凝露的保冷层厚度计算第a项平面单层保冷层计算公式为：

式中：

δ—保冷层厚度，m;

λ—保冷层材料制品在使用温度下的导热系数，W/(m·K)；查《冷库设计规范》GB50072-2001[2]条文说明表11，钢筋混凝土的导热系数为1.55W/(m·K)。(注：新的《冷库设计规范》GB50072-2010条文说明中没有“冷库常用建筑材料热物理系数”表，故采用旧规范中的表格参数)；

ta—环境温度，取累年夏季空调室外干球计算温度，℃；查《采暖通风与空气调节规范》GBJ19-87[3]附录二，南京地区为35℃；

t—无衬里金属设备或管道的外表面温度，取其正常运行时的内部介质温度tf,℃，本例t为0℃；

td—露点温度，取累年室外最热月平均相对湿度与ta的取值相对应的露点温度，南京地区为31.26℃；

ts—保冷层外表面温度，取ts=td+(1～3)℃。本例加1℃计算；

αs—保冷层外表面对周围空气的换热系数，一般取值为8.14W/m2·K。

将各项参数代入公式计算：

=2.43m

(2)蓄冰池埋于地下，在不加其他保温材料的情况下，假设一钢筋混凝土的厚度，求出在该厚度下的热损失率。在这种情况下，因蓄冰池埋于地下，与外界无热流体对流换热，仅有池壁两侧温差的热传导；采用单层平壁导热公式。

单位面积导热量为：

Δt=ttu-t

式中：

ttu—蓄冰池外侧土壤温度，℃。《冷库设计规范》GB50072-2010[4]A.0.5条规定：“土壤温度应采取地面下3.2m深处历年最低两个月的土壤平均温度……”。从“表A.0.5主要城市地面下3.2m深处历年最低两个月的土壤平均温度”查得南京地区最低两个月的土壤平均温度为13.9℃；

t— 蓄冰池内温度，℃；取冰水温度0℃；

δ— 钢筋混凝土厚度，初步设为0.25m；

λ—钢筋混凝土导热系数。1.55W/(m·K)。

蓄冰池的热损失量：

Q损=q损×F×h

式中：

F—蓄冰池的外表面积，m2；

h—蓄冰池蓄冰、供冷时间，设为14小时；

F=2×(L×W+L×H+W×H)

=2×(10×5+10×3+5×3)=190m2

Q损=86.18×190×14

=229238.8=229.24 kWh

(3)蓄冰池埋于地下，采用一定厚度的钢筋混凝土加保温材料的情况下，求出在该厚度下的热损失率。与第2种情况相似，只是此时已是多层平壁，采用多层平壁导热公式。单位面积导热量为：

△t=ttu-t

式中：

ttu—蓄冰池外侧土壤温度，℃。同上例;

t—蓄冰池内温度，℃。取冰水温度0℃;

δ1—钢筋混凝土厚度，初步设为0.25m;

λ1—钢筋混凝土导热系数。1.55W/(m·K);

δ2—聚苯乙烯挤塑板厚度，取0.1m;

λ2—聚苯乙烯挤塑板导热系数。0.047W/(m·K)。

=6.07 W/m2

蓄冰池的热损失量

Q损=q损×F×h

式中：

F—蓄冰池的外表面积，m2；

h—蓄冰池蓄冰、供冷时间，设为14小时。

F=2×(L×W+L×H+W×H)

=2×(10×5+10×3+5×3)=190m2

Q损=6.07×190×14 =16146.2 =16.15 kWh

4 结语

根据以上三种假设情况计算，可以认为：如果在室内地面上设置不加隔热材料的钢筋混凝土蓄冰池，还要达到蓄冰池外壁不结露的目的，其厚度将达到2.43m，这似乎太不现实。在实际应用中，尤其是高楼建筑中，空调制冷机房大都位于地下室，且机房的面积和高度有限，不可能在机房内设置一个墙体厚度近2.5米、容积达数百乃至上千立方米的蓄冰池。而采用埋于空调制冷机房地面下，厚度为0.25m的钢筋混凝土不加其他保温材料的蓄冰池，其热损失率仍为2.61%。如果可以接受5%以下的热损失率，可以采用这一方式，但此种方式易产生在没有保温层、持续的冰点温度下导致的蓄冰池冻胀损坏情况。如果要达到0.5%以下的热损失率，单纯增加钢筋混凝土的厚度也不太可能。势必要在钢筋混凝土的内侧或外侧加上一定厚度的保温材料，如聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯挤塑板等，用于蓄冰池的聚氨酯泡沫塑料以现场发泡为宜。第3种计算中采用了0.25m钢筋混凝土加0.1m的聚苯乙烯挤塑板，可以达到0.5%以下的热损失率。实际应用中，可根据蓄冰池大小及承受的压力，钢筋混凝土的厚度可酌情增厚，保温层只要0.1m就可满足要求了。

以上3种情况的计算中没有考虑蓄冰池内冰水扰动时的放热因素，如考虑这一因素，可能热损失率更高。但从另一个角度考虑，当蓄冰池内的冷量透过池壁传入深层的土壤后，土壤的温度会适当下降，深层土壤内积蓄的冷量不会很快散发到地面上，尤其是位于高楼地下空调制冷机房内的蓄冰池更是散发得慢。这样，可能实际的热损失率不会像计算的那么大。

[1] 设备及管道保冷设计导则 GBT15586-1995[S]

[2] 冷库设计规范 GB50072-2001[S]

[3] 采暖通风与空气调节规范 GBJ19-87[S]

[4] 冷库设计规范 GB50072-2010[S]