船舶隔热结构防结露计算及优化设计

李 坤

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200030；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

船舶隔热结构防结露计算及优化设计

李 坤1,2

（1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200030；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

结露现象会导致绝缘的水分增加，使隔热能力急剧下降。长时间的结露会造成隔热材料的永久性损坏，同时会造成室内积水，环境潮湿。因此防结露设计是船舶舱室隔热设计的一个重要组成部分。文中对《船舶设计实用手册(舾装分册)》中的防结露计算方法进行了细化和分析，结合陆用规范的冬季保温设计对手册防结露的计算方法提出了一些修正方案，并对传统的隔热材料节点形式进行优化设计。

船舶；防结露；隔热材料；优化设计

引 言

船舶设计中，隔热材料的厚度一般都是根据经验值或根据《船舶设计实用手册（舾装分册）第3版》所给出的绝缘厚度推荐值进行选取［1］，但此方法有一定局限性。一方面该方法不适用于热带航行船舶和极地航行船舶；另一方面，该方法可能会使设计师忽略结露现象产生的机理，虽然所选的隔热材料厚度已足够，但仍然无法理解结露现象产生的原因，因此防结露计算就显得尤为必要。经过计算可以使设计师在隔热设计时充分考虑各种因素的影响，提高设计水平。

1 设计手册中的防结露计算分析

按照船舶设计实用手册，防止结露时的最小厚度值应按公式1进行计算［1］：

该计算适用于理想的舱室环境，但是实际舱室会受到外界环境的各种影响，因此该公式中用到的物理量就需经过分析后予以修正。

首先，船舶所处的环境具有较高的湿度，隔热材料装船应用一段时间后必定会从周围环境中吸取湿气和水分，再加上隔热材料通过碰钉、压片同船体结构的安装方式会对隔热材料的性能造成一定的影响，导热系数值会比出厂时增大，计算时需要加以修正。

其次，室内温度环境实际上不可能永远保持在一个恒定值，它会随时间的变化产生1～2℃的波动，舱室内表面的露点温度也会随之相应变化。如果防结露计算是按照室内计算温度的临界值选取，那么当室内温度从低到高变化时，舱室内表面的实际露点温度便会因变化的滞后性而导致室内产生结露现象。因此计算时应对结露时的温度TRO进行修正，或对整个壁面隔热结构的传热阻进行修正。

最后，关于室外计算温度的取值，因每年冬季室外的平均气温和最低气温均有不同，如室外温度选取时取了一个相对较高的数值，那么当冬季极端气温低于该值时，室内壁便会产生结露现象。冬季室外计算温度的选取较为复杂。前苏联、美国的学者和工程师对此都有一定的研究。在以前的船舶防结露设计中一般采用式（2）所示的经验公式计算法［4］。

式中：Ta为冬季室外计算温度，℃；Tw为冬季室外平均温度，℃；Tmin为冬季室外极端温度，℃。

该计算方法有一定的缺陷，首先Tw和Tmin是两个毫不相关的温度数据，两者之间不存在对比性，另外，本计算主要用于陆上冬季采暖室外的室外温度计算，且计算未考虑隔热结构热惰性指标的相关影响，在几乎没有热惰性的船体隔热结构的室外计算温度选取中具有较大局限性，需作修正。

2 隔热结构防结露计算

2.1 修正系数的选取

船舶设计中已有设计师对船舶的防结露措施进行过程计优化［5］，但是在计算层面对各类修正系数的选取尚未统一标准。而此类修正早已在陆用建筑的冬季防结露设计中广泛应用，并有相应的规范和标准进行支撑。建设部、国家技术监督局发布的GB50176-93《民用建筑热工设计规范》［6］便是其中的一个代表。本文认为，规范中的相关规定完全可以应用于船舶隔热设计。下页图1为典型隔热结构节点图。

按GB50176，冬季室外计算温度应根据热惰性指标的不同分别选取。对于船体隔热结构来讲，首先根据经验假设隔热材料分别选用75 mm厚或50 mm厚岩棉，装饰板采用25 mm厚复合岩棉板，岩棉和装饰板的导热系数均取0.036 W /m·K，根据式（3）可计算出其热惰性指标介于1.61～ 2.14，因此，图1所示结构的冬季室外计算温度应暂按第Ⅲ类隔热结构形式进行计算，见式（4）［6］。

因室内温度波动造成露点温度的变化需进行修正。露点温度的修正分为两种方法：一种是将室内设计温度提高2℃时的露点温度作为计算露点温度，通过减小室内温度和露点温度差的方式，露点温度可由湿空气焓湿图查得［2］；另一种方式是增大隔热结构的传热阻，提高热惰性指标来实现［6］。本文采用的是增大计算露点温度的方式，另外因岩棉等隔热材料吸取湿气和水分造成的导热系数的变化也需要修正，修正后的隔热材料厚度最小值用式（5）表示。

2.2 防结露计算

室内结露现象从根本上讲是室内湿空气因气压不同从温度高处向温度低处的一种传递过程。对于图1所示的隔热结构，因衬板、天花板不可能做到气密，室内的湿空气会从其缝隙传递到温度相对较低的隔热材料表面。为使计算结果偏于安全，计算时一般忽略装饰板的影响。

以一般航线的远洋船舶为例，冬季室外平均温度为-20℃，极端温度为-30℃，室内设计温度一般取20℃，室内湿度φ一般不会超过50%［2］。根据湿空气焓湿图可以知道室内湿度越低，露点温度越小，相应公式中的TR- TRO越大，计算所得预防结露时所需的最小隔热材料厚度就越小。因此采取较大的湿度进行计算更加安全（取φ = 50%）。经查焓湿图，22℃时的室内露点温度为11.3℃。

将以上参数代入式（5），可得到本例岩棉防止结露时的最小厚度：

经计算，可以认为在隔热材料厚度不小于29.2 mm的情况下，舱室内表面不会产生结露现象。但是通过查阅GB50176《民用建筑热工设计规范》得知，陆用建筑保温设计时还要考虑人体和室内舱壁因相互热辐射换热带来的人体不适等因素。它规定，当外墙温差取不大于6℃、屋顶温差取不大于4℃时，人体才不会感觉不适。本文认为这一原则也完全适用于船舶的隔热保温设计。因此，若遵循这一规定，隔热材料的厚度值应不小于：

（1）对于露天围壁

（2）对于露天甲板

因此，如在甲板处选用75 mm厚岩棉、围壁处选用50 mm厚岩棉，不但室内不会产生结露现象，也不会使人体感觉到因温差带来的不适。况且对图1而言，隔热结构还包括复合岩棉板和空气层，效果会更好些。

实际上，隔热材料不但要用于冬季防结露，还要用于夏季舱室隔热。对于舱室隔热来讲，空调和通风负荷的计算一般都是根据文献2给出的典型隔热结构的传热系数K值来进行计算。所以为保证夏季舱室隔热的需求，还需根据K值来进行隔热材料厚度的验算。对于有空调的舱室隔热材料的厚度应同时满足防结露和隔热要求，对于无空调的舱室满足防结露要求即可。

对于图1所示的有内装板的典型舱室隔热结构，隔热计算时由于不涉及安全因素应考虑复合岩棉板和内外表面换热的影响，因此隔热材料的厚度不小于式（6）［4］的规定：

式中：K为传热系数，W/m2·K，甲板取0.65、围壁取0.85［2］；为室外的表面的换热系数，W/m2·K，风速15 m/s时取70 W/m2·K［2］为室内的表面的换热系数，W/m2·K，一般取8 W/m2·K［2］；为隔热结构中隔热材料外其他材料的厚度，mm；为隔热结构中隔热材料外其他材料的导热系数，W/m2·K。

综合以上各种情况下的计算，当在露天甲板上敷设75 mm厚隔热材料、露天围壁上敷设50 mm厚隔热材料，可同时满足防结露和隔热的要求。

在船舶设计中，为增大舱室空间，隔热材料在扶强材处的厚度比较薄，厚度一般取25 mm，因此应对扶强材处隔热材料内表面的温度进行校核。

2.3 扶强材处绝缘内表面温度的校核

性质I. GMC 取值范围为0到1，即0≤GMC(Y|X),GMC(X|Y)≤1，且当变量X与Y相互独立时，有GMC(Y|X)=GMC(X|Y)=0。

扶强材处绝缘内表面温度的验算有经验公式法和数值模拟计算法两种方法。数值模拟法因要通过软件模拟隔热结构各个部位的温度场，计算精度较高，适用于舱室空间特别紧张、扶强材处隔热材料较薄的情况。

经验公式法是按最危险的情况校核的一种方法。它假设扶强材和室外温度相同，将扶强材处隔热结构看作平板包敷25 mm厚隔热材料的情况，并忽略装饰板和空气层的影响，简化模型如图2所示。扶强材处隔热材料内表面的温度按式（7）进行校核［1］，传热系数按式（8）进行计算［7］。

式中：αr为室内的表面的换热系数（W/m2·K），一般取8 W/m2·K［2］；δi为扶强材处岩棉厚度，mm；λi为扶强材处岩棉导热系数，W/m2·K。

经计算可得扶强材隔热材料内表面温度为11.6℃，大于露点温度，所以不会结露。

3 隔热材料厚度足够时的结露现象

根据计算，理论上当隔热材料的厚度大于计算所得出的最小厚度值时，室内不会产生结露现象，可实际情况并非如此。主要原因如下：

（1）管系、空调风管等一般隐藏在装饰板背后和隔热材料直接相邻，这些管系的漏水和产生的冷凝水会破坏隔热材料的性能，导致隔热材料导热系数增加，可能会产生结露现象。以图1隔热材料的典型结构形式为例，扶强材处的隔热层和主隔热层之间有一个明显的空气层，如果扶强材处隔热层和主隔热层之间密封性不好，室内湿热空气会通过空隙进入空气层，导致产生结露现象。

（2）隔热材料安装时是以规格大致相同的板状或块状材料固定在船体上。安装时，板与板之间可能会有缝隙，板与船体板间也可能有缝隙，缝隙内的热量传递可能会导致结露现象。

4 防结露改进措施

导致结露现象产生的因素还有很多，大多和隔热材料的安装工艺有关。针对上述分析的原因，在隔热材料设计与安装时应注意：

（1）应加强室内的通风，降低空气湿度，从根本上解决室内结露问题。

（2）在隔热层所有外露表面应包敷防水玻璃丝布或防水涂层，拼缝处应以防水胶布有效粘贴，降低湿气渗透导致隔热材料性能下降产生的结露现象。

（3）对于管系、空调风管漏水导致的结露现象，在总布置时应将此类管系尽量避免布置于露天围壁和甲板的内侧，如布置有困难应采取保护措施，空调风管还应包敷适当厚度的隔热材料以防冷凝水。

（4）对于扶强材处隔热层不密封导致的结露现象可采取以下方案：方案1、适当增加扶强材处隔热材料的包敷长度并增加碰钉安装密度，减小因缝隙造成的热量传递；方案2、先用型材套块包敷扶强材，然后再敷设主隔热层，减小空气层的影响（典型套块的形式见图3）。

（5）对于拼缝处缝隙产生的结露现象，可通过错层安装的方式来解决。比如经计算需敷设50 mm厚的岩棉，安装时可先敷设一层25 mm厚的岩棉，然后再加敷一层25 mm的岩棉，上层材料需将下层材料有效覆盖。

（6）对于隔热材料和船体板之间存在缝隙产生的结露现象，也可按改进措施第（4）条解决方案执行，如采用喷涂式隔热材料或将隔热材料同船体板用胶水粘接效果更佳。

（7）对于隔热材料终止处的处理应按以下几种情况分别考虑：

对于墙角处，隔热材料应延伸一定的距离，终止处应采用折弯扁钢有效压紧。降低墙角处热桥影响及湿气渗透导致的结露现象；

对于门框、窗框隔热材料终止处，隔热材料应在门窗框处有效压紧，并粘贴防水胶布，防止湿气渗透导致的结露现象。

材料敷设到甲板处要留50 mm左右的空隙，以防止各种表面产生的冷凝水滴落后渗透到隔热材料内部，导致产生结露现象。对于无装饰板的舱室，应用拦水扁铁将隔热材料下表面有效压紧，防止热量传递导致的结露现象。

5 结 论

总之，结露现象的形成有多种原因，虽然理论计算可以得出隔热材料防结露的最小厚度值，但是因设计和施工不合理还是可能造成结露现象；而且隔热材料在长期高湿环境下吸收湿气和老化而导致性能下降后，结露现象会变得越来越严重，直至完全损毁。然而，重新敷设隔热材料需先拆除所有舱室的内装、设备和家具才能进行，工程太大，因此，设计初期通过计算和设计就显得尤为必要，务必引起注意！

［1］中国船舶工业集团公司.船舶设计手册（舾装分册）［M］. 3版.北京：国防工业出版社. 2013： 967-979.

［2］中国船舶工业集团公司. 船舶设计手册（轮机分册）［M］. 3版.北京：国防工业出版社，2013：601-636.

［3］国家技术监督局. GB/T 13409-92.船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法［S］.北京：中国标准出版社，1992.

［4］中国船舶工业集团公司. 船舶设计实用手册（舾装分册）［M］.北京：国防工业出版社，1963： 1161-1174.

［5］周雄，董伟，徐忠辉，等. 海洋平台防结露设计优化［J］.船舶工程，2016 （S1）：124-127.

［6］中华人民共和国建设部. GB 50176-93.民用建筑热工设计规范［S］.北京：中国计划出版社，1993.

［7］中国船舶工业集团公司.船舶设计手册（冷藏通风）［M］.北京：国防工业出版社，1975：606-624.

MARIC设计的5.5万吨级原油轮顺利交付

5月18日，由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）设计、广船国际建造的北海船务5.5万吨级原油轮1号船命名暨交船仪式在广船国际南沙厂区举行。MARIC副所长沈伟平和所长助理朱建璋出席仪式。命名嘉宾黄薇女士将该船命名为“北海开拓”号，并祝福其在将来的航程中一帆风顺，一生平安。命名仪式后，北海船务、中船贸易、广船国际三方签署了该船的交船文件。

5.5 万吨级原油船主要用于国内石油平台到沿海及长江港口运输原油，并兼顾国际航行要求，采用MARIC最新扬子型宽体油轮设计，是新一代绿色、安全、环保船型，航速达14.5 kn，入级中国船级社。

该船在设计过程中经过多次线型优化，包括采用直立船首的线型优化，G型主机，大直径螺旋桨和毂帽鳍，达到了节能减排的效果。该船具有浅吃水下高载货能力的特点，满足了满载载重量约5.5万吨进入长江航道的要求。

Calculation and optimization design of anti-condensation for ship heat insulation

LI Kun1,2
(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

Condensation of moisture will cause a sharp drop in the thermal insulation capability due to the humidity increment of insulation. A long time of condensation can even result in the permanent damage of the thermal insulation, waterlogged cabin and humid environment. Therefore anti-condensation design becomes an important part in the design of the thermal insulation for the ship cabin. The calculation method of anticondensation in "practical ship design manual (outfitting section)" is systematically analyzed and thoroughly studied in this paper. Some amendments are made for the anti-condensation calculation method based on the winter thermal insulation design for the land civil architecture. It fi nally carries out the optimization design of the joint types of the traditional insulation material.

ship; anti-condensation; heat insulation material; optimization design

U672.7

A

1001-9855（2017）03-0079-06

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.079

2016-11-02；

2016-11-25

李 坤（1981-），男，硕士，工程师。研究方向：船舶内装。