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嚴寒地區集裝箱活動房的熱工性能(1)
2013年7月16日
受運輸條件限制，集裝箱活動房通常采用內保溫形式。干貨箱結構的活動房內保溫層材料與內裝修材料一般合二為一。例如，采用金屬面的聚苯乙烯、聚氨酯和巖棉等夾心板進行裝飾，或在泡沫塑料板表面貼石膏板或各類裝修板等。內保溫形式的箱體容易出現熱橋現象，需要做適當處理，防止結露和發霉影響室內環境。本文以金屬面保溫夾心板為例，分析嚴寒地區集裝箱活動房的熱工性能。
1、工況概述
為適應嚴寒地區的使用環境，以我國呼瑪（嚴寒地區A區）冬季室外計算參數為依據。集裝箱活動房屬輕型結構體系，其熱惰性指標D值較小，一般小于2.5，多數小于1.5。圍護結構冬季室外計算溫度te＝-47℃（Ⅳ類），室內計算溫度ti＝18℃，平均相對濕度Ψi＝60%，露點溫度td＝10.13℃。箱體底部為防潮濕采用水泥墩架空，因此，除箱體前后、左右和頂部與室外空氣直接接觸外，底部也與室外空氣直接接觸。
2、最小傳熱阻和節能傳熱阻
最小傳熱阻是指在特定的室外計算溫度和室內計算溫濕度條件下，允許采用的圍護結構傳熱阻的下限值。確定最小傳熱阻的目的是確保圍護結構內表面溫度不低于室內空氣露點，從而防止結露，同時避免因人體與圍護結構內表面之間輻射換熱過多引起的不適感。設室內空氣與外墻內表面的允許溫差[△t1]=6℃，室內空氣與屋面內表面的允許溫差[△t2]=4℃，溫差修正系數η=1.00，圍護結構內表面換熱阻Ri=0.11m2·K/W，則
外墻最小傳熱阻
屋面最小傳熱阻
為提高能源利用效率，圍護結構的傳熱阻還應符合有關節能標準的要求。按我國《公共建筑節能設計標準》（GB50189—2005）規定，嚴寒地區A區的屋面傳熱系數K≤0.30W（/m2·K）（即Ro≥3.33m2·K/W），外墻和架空樓板傳熱系數K≤0.40W（/m2·K）（即Ro≥2.50m2·K/W）。通過比較可見，集裝箱活動房的圍護結構應按節能傳熱阻校核熱工性能。
3、外墻和屋面內保溫方案的熱工性能比較
為滿足墻面和天花板的耐火極限不小于45min的要求，室內采用厚度不小于75mm的金屬面巖棉夾心板進行裝飾。外墻內保溫方案見圖1和圖2。方案1采用厚度為150mm的金屬面巖棉夾心板直接裝飾，其插接槽口龍骨為PVC型材，門窗框鋼骨架部位墊厚度為75mm的膠合板；方案2預先在金屬外側板內面粘貼厚度為75mm的聚苯乙烯泡沫板，然后在室內裝飾厚度為75mm的金屬面巖棉夾心板，其插接槽口龍骨為PVC型材，夾心板直接覆在門窗框鋼骨架上。
圖1 單一保溫截面（方案1）
圖2 多層保溫截面（方案2）
鋼板是熱的良導體，其熱導率λ=58.2W/（m·K）。在建立外墻圍護結構的熱工物理模型時，假設金屬外側板內表面的環境參數等同于室外計算參數，同時不考慮金屬面巖棉夾心板的金屬面層對熱工性能的影響。金屬面巖棉夾心板的幅寬為1150mm，槽口PVC龍骨壁厚3mm，內表面傳熱阻Ri=0.11m2·K/W，外表面換熱阻Re=0.04m2·K/W，修正系數Φ=0.93（λ2/λ1=0.314）。對上述2種外墻內保溫方案按一維穩態進行熱工計算，其傳熱阻計算結果見表1。其中，熱阻R=δ/λ，平均熱阻=
，傳熱阻Ro=Ri+∑R+Re。
表1 外墻內保溫方案的傳熱阻
從表1的計算結果來看，方案1和方案2的傳熱阻均高于節能傳熱阻。如果屋面采用同樣方案，也基本符合節能傳熱阻的要求。采用金屬面保溫夾心板進行裝飾時，門窗框、保溫夾心板插接槽口、相互垂直的墻體以及墻體與天花板和地板的接縫等部位熱流密集，內表面溫度較低，可能產生程度不同的結露現象，因此，需要對這些部位的內表面溫度進行驗算，以便確定其是否低于室內空氣露點溫度。
在0.2＜門窗墻面積比≤0.3的情況下，按照《公共建筑節能設計標準》的要求，門窗傳熱系數為2.0W（/m2·K）＜K≤2.5W（/m2·K），其傳熱阻與厚度為75mm的膠合板接近，門窗框部位的熱橋脅寬與結構厚度比α/δ＞1.5，其內表面溫度
。在保溫夾心板插接槽口填實保溫材料的情況下，方案1的插接槽口部位類似《民用建筑熱工設計規范》（GB50176—1993）中的a形式熱橋，方案2類似c形式熱橋，α/δ≤1.5，保溫夾心板插接槽口部位的內表面溫度
，其中方案1的修正系數η=0.12，方案2的修正系數η=0.25。保溫夾心板一般采用金屬角鐵固定，垂直交界處的接縫無法用發泡型填縫膠完全密封，因此存在縫隙。方案1和方案2的縫隙物理模型分別見圖3和圖4。按熱流密度計算縫隙部位的內表面溫度，空氣與鋼板的表面換熱系數為3~10W（/m2·K），內表面傳熱系數α1=8W（/m2·K），空氣間層傳熱系數α2=4W（/m2·K）。上述3種形式的熱橋部位內表面溫度的計算結果見表2。
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