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摘要

本研究针对造纸车间防结露问题，对造纸车间围护结构传热系数进行分析，按照GB 50176—2016给出了不同气候区域造纸车间在冬季室内温度20 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，湿部围护结构传热系数的限值。结果同时表明，选择传热系数较小的保温窗，可起到延缓外窗出现结露时间的作用。结合不同气候区域造纸车间湿部出现结露的条件，分析了围护结构设置保温对防止厂房结露的有效性，明确了围护结构保温还需结合厂房通风措施，才能保证造纸车间湿部围护结构内表面不结露。

关键词

造纸车间; 围护结构传热系数; 防结露

对于造纸车间夏季闷热、冬季围护结构结露滴水的问题，龚光彩等^[

1]结合现有纸机车间，进行了高大空间工业厂房的高温高湿环境调查和模拟研究，过程中采用现场实测和数值模拟相结合的方法，完成了对高温高湿的造纸车间围护结构结露特性的分析，结果表明，车间屋顶和侧墙交界处、湿部屋面、侧墙侧窗及天窗等区域，最容易结露。为减少围护结构结露情况的发生，当前造纸车间常采用排热除湿通风的方式，即在湿部区域的侧墙上加局部排风系统，并加强上述易结露区域的保温措施及减少玻璃窗数量。曾敏等^{[参考文献 2

百度学术}2]分析了南方地区造纸车间钢屋面保温（隔热）层厚度的计算，结果表明，在夏季室内温、湿度达到某一状态时，隔热层厚度要大于冬季防结露的保温厚度。因此，夏热冬冷地区的造纸车间钢屋面保温层厚度应按夏季隔热层厚度计算确定，并进行冬季防结露验算；夏热冬暖地区的造纸车间钢屋面保温层厚度按照冬季防结露的保温层厚度计算即可。

自2018年8月GB 51251—2017《建筑防烟排烟系统技术标准》实施后，造纸车间依规按照火灾危险性（丙类）建设，多采用自然排烟的排烟设施。由于自然排烟的排烟设施需要设置大面积排烟窗，而外墙上大量设置的排烟窗又进一步增加了结露区域的范围，为造纸车间防结露工作带来了挑战。

GB 51092—2015《制浆造纸厂设计规范》中第9章和第11章的建筑和采暖通风与空气调节的章节分别指出，造纸车间屋顶和外墙应保温，并应防止屋顶和外墙结露滴水；造纸车间屋面、二层楼板以上外墙的最小传热阻，应按围护结构内表面防结露计算确定，并应符合国家有关规定。

然而，目前尚未有关于造纸车间围护结构传热系数的具体规定，使得造纸车间围护结构传热系数的选择无相关设计依据。本研究结合造纸车间的温、湿度特点，对造纸车间的围护结构传热系数的确定和选择，以及围护结构设置保温后对防止厂房结露的有效性，做进一步的探讨。

1 造纸车间围护结构传热系数的确定

1.1　现有造纸车间围护结构热工性能参数

现行GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》第3章第1节给出了新建、扩建、改建的居住建筑、公共建筑、工业建筑的外围护结构的热工性能参数。此规范旨在将居住建筑、公共建筑的能耗水平在2016年执行的节能标准上再降低，而对工业建筑的围护结构热工性能的要求，也旨在降低建筑物冬季及夏季的负荷。

造纸车间属于高大厂房，体型系数均≤0.1，窗墙比均≤0.2，其工业建筑的围护结构传热系数的限值如表1所示。围护结构传热系数限值是目前工业建筑热工设计中首先要参考和满足的要求。

表1 工业建筑的围护结构传热系数限值

Table 1 Limits for heat transfer coefficient of industrial building envelope ( W/(m²·K) )

气候地区	传热系数（K）
气候地区	屋面	外墙	外窗
严寒A区	≤0.4	≤0.5	≤2.7
严寒B区	≤0.45	≤0.6	≤3
严寒C区	≤0.55	≤0.65	≤3.3
寒冷A区	≤0.6	≤0.7	≤3.5
寒冷B区	≤0.65	≤0.75	≤3.7
夏热冬冷	≤0.7	≤1.1	≤3.6
夏热冬暖	≤0.9	≤1.5	≤4
温和A区	≤0.7	≤1.1	≤3.6

虽然现行GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》适用范围是民用建筑的热工设计，但围护结构传热计算原理相同，故也可以作为工业建筑热工设计的参考。GB 50176—2016第5.3.1条给出了各气候分区建筑对热环境有要求的房间，外门窗、透光幕墙、采光顶的传热系数限值和冬季抗结露验算要求，具体见表2。

表2 建筑外门窗、透光幕墙、采光顶的传热系数限值和抗结露验算要求

Table 2 Limits for heat transfer coefficient of exterior windows, transparent curtain wall， and daylighting ceiling of building and requirements for anti-condensation calculation

气候地区	$K$ /（W·(m²·K)^-1）	抗结露验算
严寒A区	≤2.0	验算
严寒B区	≤2.2	验算
严寒C区	≤2.5	验算
寒冷A区	≤3.0	验算
寒冷B区	≤3.0	验算
夏热冬冷A区	≤3.5	验算
夏热冬冷B区	≤4.0	不验算
夏热冬暖		不验算
温和A区	≤3.5	验算
温和B区		不验算

对比表1和表2可知，表2中传热系数的限值低于表1中传热系数的限值，这是因为表1中外窗的传热系数限值是以降低建筑物冬季及夏季负荷为目标的数值，对应的室内设计参数为相对湿度≤70%；表2中外窗的传热系数限值是按照门窗、玻璃幕墙基本不结露的原则给出，即门窗、玻璃幕墙内表面温度接近室内露点温度。表1和表2是目前建筑专业和暖通专业在进行围护结构保温设计和室内冷热负荷计算的依据。但是，对于各个气候区域的造纸车间，按表1和表2确定围护结构传热系数，并不能保证满足车间防结露的要求，还需要进一步进行防结露验算。

表3总结了现有文献中造纸车间具体项目的围护结构传热系数。笔者团队设计的位于山西省（寒冷A区）某造纸车间，其主跨屋面传热系数K=0.4 W/(m²·K)，外墙传热系数K=0.6 W/(m²·K)，外窗传热系数K=2.8 W/(m²·K)。

表3 部分造纸车间的围护结构传热系数

Table 3 Heat transfer coefficient of the building envelope of partial paper mills ( W/(m²·K) )

项目	气候区域	$K$			参考文献
项目	气候区域	屋面	外墙	外窗	参考文献
岳阳某造纸厂	夏热冬冷A区	0.45^①			[2]
吉林延边石岘造纸车间	严寒C区	0.4^②	0.55^②	2.0^②	[4]
广纸8号纸机车间	夏热冬暖	0.56^③			[5]
中南某造纸厂	夏热冬冷A区	0.4^④	0.55^④	2.0^④	[6]
昆山某造纸厂	夏热冬冷A区	0.4^⑤	0.8^⑤	3.0^⑤	[7]

注 ①屋面保温材料采用超细环保玻璃棉，厚度70 mm（ρ=20 kg/m³，λ=0.037 W/(m²·K)）；②屋面、外墙保温采用细玻璃棉，外窗为双层塑钢保温窗；③湿部屋面保温材料λ=0.028 W/(m²·K)，保温材料厚度40 mm；④屋面、外墙采用细玻璃棉保温，外窗为塑钢保温窗；⑤屋面保温层采用厚度130 mm保温岩棉，外墙外保温层采用厚度30 mm EPS板保温材料，外窗采用铝合金断热型材，玻璃选用6 mm（Low-E）中空玻璃。

结合表3与笔者团队设计项目，总结现有造纸车间的围护结构传热系数的取值范围，具体如下：屋面传热系数为0.40~0.56 W/(m²·K)，外墙传热系数为0.55~0.80 W/(m²·K)，外窗传热系数为2.0~3.0 W/(m²·K)。为获得更准确的设计依据，本研究将进一步探讨造纸车间湿部围护结构传热系数的取值。

1.2　外墙、屋面传热系数核算

造纸车间防结露的要求是屋面不滴水、墙面不结露。因传热计算原理相同，故参考GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》第5章的内容，计算墙体和屋面满足防结露要求的最小传热阻值。在冬季，由于室内水蒸气分压力较大，故计算时考虑围护结构内表面温度≥室内露点温度+（2~3）℃，即围护结构内表面温度与室内露点温度的允许温差∆t_w=（2~3）℃更安全^[

3]。因此，外墙、屋面满足防结露要求的最小热阻R_min，w按式(1)核算。

R_{m i n, w} = \frac{t_{i} - t_{e}}{∆ t_{w}} R_{i} - (R_{i} - R_{e})

（1）

式中，R_min，w为满足∆t_w要求的外墙、屋面热阻最小值，(m²·K)/W；t_i为室内计算温度，℃；t_e为室外计算温度，℃；∆t_w为围护结构内表面温度与室内露点温度的允许温差，℃；R_i为内表面换热阻，(m²·K)/W；R_e为外表面换热阻，(m²·K)/W。

在实际工程中，建筑物围护结构内、外表面换热阻取定值便可满足工程需要，故式(1)中R_i、R_e和∆t_w均为定值，当确定了（t_i-t_e）的数值，就可以确定R_min，w的数值。

冬季造纸车间室内计算温度为20 ℃，在∆t_w=2 ℃和∆t_w=3 ℃的条件下，分别核算外墙和屋面传热系数K在0.3~0.8 W/(m²·K)范围内时，满足外墙、屋面防结露要求的室内外温差值及室外温度，计算结果见表4。

表4 外墙、屋面不同传热系数对应的室内外温差及室外温度

Table 4 Indoor and outdoor temperature difference and outdoor temperature corresponding to different heat transfer coefficients of exterior wall and roof

K/（W·(m²·K)^-1）	∆t_w=2 ℃		∆t_w=3 ℃
K/（W·(m²·K)^-1）	室内外温差（t_i-t_e）/℃	室外温度t_e/℃	室内外温差（t_i-t_e）/℃	室外温度t_e/℃
0.3	53.90	-33.90	80.85	-60.85
0.4	41.08	-21.08	61.62	-41.62
0.5	33.38	-13.38	50.08	-30.08
0.6	28.26	-8.26	42.38	-22.38
0.7	24.59	-4.59	36.89	-16.89
0.8	21.85	-1.85	32.77	-12.77

注传热系数K与热阻R互为倒数关系，K=1/R。

外墙、屋面内表面温度可按式(2)计算。

θ_{i} = t_{i} - \frac{R_{i}}{R_{0}} (t_{i} - t_{e})

（2）

式中，θ_i为外墙、屋面内表面温度，℃；R₀为外墙、屋面传热阻，(m²·K)/W。

在表4的室外温度下，核算对应的围护结构内表面温度，计算结果如表5所示。

表5 外墙、屋面不同传热系数对应的围护结构内表面温度

Table 5 Inner surface temperature of the building envelope corresponding to different heat transfer coefficients of exterior wall and roof

K/(W·(m²·K)^-1)	∆t_w=2 ℃		∆t_w=3 ℃
K/(W·(m²·K)^-1)	室外温度t_e/℃	外墙、屋面内表面温度θ_i/℃	室外温度t_e/℃	外墙、屋面内表面温度θ_i/℃
0.3	-33.90	17.90	-60.85	16.85
0.4	-21.08	17.86	-41.62	16.80
0.5	-13.38	17.83	-30.08	16.75
0.6	-8.26	17.80	-22.38	16.69
0.7	-4.59	17.76	-16.89	16.64
0.8	-1.85	17.73	-12.77	16.59

由表5可知，要满足∆t_w=2 ℃，需满足室内露点温度t_d≤15.73 ℃，对应室内相对湿度φ≤76.41%；要满足∆t_w=3 ℃，需满足室内露点温度t_d≤13.59 ℃，对应室内相对湿度φ≤66.54%。从工程设计的角度出发，冬季室内温度20 ℃，在室内相对湿度≤75%或≤65%的条件下，若室外温度不低于表5计算的室外温度，则外墙和屋面均不会结露。由于造纸车间湿部的相对湿度实测值>70%，故按∆t_w=2 ℃进行防结露计算，更接近实际。

因此，当围护结构内表面温度与室内露点温度的允许温差∆t_w取2 ℃时，利用式(1)计算在确定的室内计算温度条件下，不同室外计算温度t_e对应的外墙和屋面的最小热阻值R_min，w。经核算，当冬季室内温度20 ℃、室内相对湿度≤75%时，围护结构内表面温度与室内露点温度的允许温差取2 ℃，可满足防结露要求。

因外墙、屋面防结露计算的原理相同，在∆t_w取值相同的条件下，外墙、屋面防结露计算的R_min，w相同，即外墙、屋面的传热系数取值相同。因为造纸车间冬季及夏季均需要考虑排出生产过程中产生的室内余热、余湿，而表1中的外墙、屋面的传热系数是从降低房间夏季供冷、冬季供热的冷热负荷的角度来确定，故笔者认为满足造纸车间防结露要求的外墙、屋面的传热系数按相同数值取值为宜。

因造纸车间的工艺生产过程散热、散湿，使湿部的相对湿度实测值>70%，故需进一步计算在∆t_w=2 ℃的条件下，当室内相对湿度φ=80%和φ=85%时，外墙、屋面的K在0.3~0.8 W/(m²·K)范围内所对应的室外温度，并综合比较φ=75%、φ=80%和φ=85%的计算结果，详见图1。结合图1的计算结果与气候分区的温度范围，笔者建议造纸车间湿部外墙、屋面防结露传热系数取值如表6所示。由于表6的数值是笔者根据上述内容给出的限值，在工程设计中的具体取值，还需要结合建设地点的冬季室外最低温度进一步确定。

图1 不同相对湿度下满足不结露条件对应的室外温度

Fig. 1 Outdoor temperature corresponding to non-condensation conditions under different relative humidity

表6 造纸车间湿部屋面、外墙防结露传热系数限值

Table 6 Limit values for heat transfer coefficient of anti-condensation on the roof and exterior walls in the wet part of the paper mill ( W/(m²·K) )

气候地区	主要指标	$K$
气候地区	主要指标	屋面	外墙
严寒地区	最冷月平均温度<-10 ℃	≤0.3	≤0.3
寒冷地区	最冷月平均温度-10~0 ℃	≤0.4	≤0.4
夏热冬冷	最冷月平均温度0~10 ℃	≤0.5	≤0.5
夏热冬暖	最冷月平均温度>10 ℃	≤0.6	≤0.6
温和地区	最冷月平均温度0~13 ℃	≤0.5	≤0.5

1.3　外窗传热系数核算

外窗冬季防结露计算是以窗的型材、玻璃内表面温度是否低于露点温度作为判定依据。参考GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》附录C第C.6节的内容，外窗的内表面温度应满足式(3)。

θ_{i} = t_{i} - \frac{t_{i} - t_{e}}{R \cdot α_{i}} \geq t_{d}

（3）

式中，θ_i为外窗内表面温度，℃；t_i为室内计算温度，℃；t_e为室外计算温度，℃；t_d为室内露点温度，℃；R为窗的换热阻，(m²·K)/W；α_i为外窗内表面换热系数，W/(m²·K)。

按照冬季、夏季车间室内计算温度分别20和30 ℃、相对湿度90%、露点温度分别18.3和28.2 ℃的情况，分别核算外窗传热系数K在1.5~3.0 W/(m²·K)范围内对应的室外温度，计算结果见表7。

表7 外窗不结露对应的室外温度

Table 7 Outdoor temperature corresponding to the non-condensation of the external window

K/(W·(m²·K)^-1)	t_i=20 ℃，φ=90%			t_i=30 ℃，φ=90%
K/(W·(m²·K)^-1)	室内露点温度t_d/℃	室内外温度差（t_i-t_e）/℃	室外温度t_e/℃	室内露点温度t_d/℃	室内外温度差（t_i-t_e）/℃	室外温度t_e/℃
3.0	18.30	4.36	15.64	28.20	4.62	25.38
2.5		5.23	14.77		5.54	24.46
2.0		6.54	13.46		6.92	23.08
1.5		8.72	11.28		9.23	20.77

由于表7的计算结果是在相对湿度达到90%的最不利情况下获得，并以外窗不结露所对应的最低室外温度为结果，因此需结合1.2节的分析结果，进一步计算在室内相对湿度φ=75%、φ=80%和φ=85%的情况下，外窗传热系数K在1.5~3.0 W/(m²·K)范围内，外窗不结露对应的室外温度，结果见图2和图3。

图2 冬季不同相对湿度下满足不结露条件对应的室外温度

Fig. 2 Outdoor temperature corresponding to non-condensation conditions under different relative humidity in winter

图3 春秋季、夏季不同相对湿度下满足不结露条件对应的室外温度

Fig. 3 Outdoor temperature corresponding to non-condensation conditions under different relative humidity except winter

图2中保温窗传热系数K=1.5 W/(m²·K)，可以满足冬季室外温度不低于-3.5 ℃，室内温度20 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，外窗不结露的要求。图3中保温窗传热系数K=1.5 W/(m²·K)可以满足其他季节室外温度不低于5 ℃，室内温度30 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，外窗不结露的要求。由表7、图2和图3可知，同样的室内温、湿度条件下，提高外窗的换热阻，则外窗出现结露时对应的室外温度越低。当室内相对湿度φ>75%时，随着室外温度降低，夏季、春季和秋季的外窗内表面温度也会低于室内露点温度，有结露的可能。造纸车间湿部外窗传热系数的确定主要受室内温、湿度的影响，无论哪种气候区域，在满足经济性的前提下，尽可能选择换热阻较大、传热系数较小的保温窗，以延缓外窗出现结露的时间。

2 造纸车间防结露措施分析

在造纸车间湿部，热湿气体主要集中于网案上方至厂房屋面高度内的区域，夏季室内温度为30~32 ℃，冬季室内温度为20~22 ℃。从围护结构防结露的角度分析，外墙、屋面选用根据防结露计算确定的传热系数，确保在对应的最低室外温度且室内相对湿度φ≤75%时，外墙、屋面内表面不结露；当室内相对湿度φ>75%时，室内温度和室内露点温度的温差在2~4 ℃为防结露安全值，若此时室外温度低于室内温度，则外墙、屋面的内表面温度和室内露点温度间的温差将小于防结露要求温差的安全范围，存在结露的可能。

图4为冬、夏季室内相对湿度在75%~90%时室内空气状态参数的焓湿图。由图4可知，2个三角形区域是容易结露的区域，因此采取的防结露措施需满足图4中箭头所示方向的条件，使围护结构内表面温度或室内相对湿度不在三角形区域范围内，即可避免围护结构内表面结露。

图4 焓湿图

Fig. 4 Diagram of enthalpy humidity

从式(2)和式(3)可以看出，在外墙、屋面、外窗传热系数一定的情况下，外围护结构是否出现结露，受室内温度、室内外温差、室内露点温度3个因素的关联作用。事实上，造纸车间湿部出现结露的情况，不仅仅限于冬季，即使是在夏季或春秋季，当室内空气相对湿度φ>75%、室外温度低于室内温度时，也会出现结露的现象。并且，由于外窗的传热系数大于外墙、屋面的传热系数，当室外温度降低或室内湿度增大时，外窗先于外墙和屋面发生结露。

根据防结露计算确定传热系数，设置外墙、屋面的保温构造并采用保温窗，可以延缓外围护结构出现结露的时间。但外墙、屋面的保温构造以及保温窗的设置还要考虑经济性和实际性，从图1~图3可知，室外温度低于图中对应的范围时，外墙、屋面和外窗也还是会结露。

综上所述，解决结露问题主要从3方面入手：①提升围护结构内表面温度，使其在安全范围内；②降低室内空气的相对湿度，使室内露点温度降低；③防止露水在围护结构内表面停留。因此，造纸车间厂房防结露主要采取以下3条措施。

1）造纸车间既要根据防结露计算设置外墙、屋面的保温构造并采用保温窗，又要根据建设地点的气候条件，相应设置山墙送风，在冬季对造纸车间湿部的外墙、外窗、厂房屋顶和侧墙交界区送热风，从而提高其内表面的温度。冬季山墙送风温度为22~25 ℃，可以使围护结构内表面温度在室内温度20~22 ℃时，与对应室内露点温度的温差大于2~3 ℃；其他季节山墙送风系统直接引入室外新风，既可以作为厂房通风的补风，又可以对围护结构内表面吹风，防止露水在围护结构内表面停留。

2）由于夏季空气的吸湿能力小于冬季空气的吸湿能力，故在夏季时造纸车间应加大湿部排风，既消除室内余热、降低室内温度，又排除室内余湿、降低室内湿度。控制屋顶下的空气相对湿度不超过75%，或室内露点温度与室内温度差大于4~5 ℃，根据防结露计算设置外墙、屋面的保温构造并采用保温窗，令外墙、屋面内表面温度大于露点温度2 ℃，外窗温度大于露点温度，则外墙、屋面、外窗均不会在夏季结露。

3）增强厂房除湿通风的相关措施。设计有效的厂房通风的气流组织，使车间气流从完成部流向湿部，避免湿部的热湿气扩散到厂房其他区域。除此之外，还有设置吊顶送热风、车间送风量与排风量相平衡以减少冬季冷风渗透等厂房通风措施、从工艺本身减少网部区域高压喷水等工艺环节的散湿等措施，可利于造纸车间防结露。

3 结论

3.1 根据围护结构内表面温度与室内露点温度的允许温差∆t_w=2 ℃的防结露要求，严寒地区外墙、屋面保温的传热系数K≤0.3 W/(m²·K)；寒冷地区外墙、屋面保温的传热系数K≤0.4 W/(m²·K)；夏热冬冷和温和地区外墙、屋面保温的传热系数K≤0.5 W/(m²·K)；夏热冬暖地区外墙、屋面保温的传热系数K≤0.6 W/(m²·K)，可以满足对应气候区域的造纸车间在冬季室内温度20 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，外墙、屋面不结露。

3.2 工程上考虑经济性采用的保温窗，其传热系数最小为1.5 W/(m²·K)。此传热系数可满足冬季室外温度不低于-3.5 ℃、室内温度20 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，外窗不结露；其他季节室外温度不低于5 ℃、室内温度30 ℃、室内相对湿度≤75%的条件下，外窗不结露。上述室外温度范围包括了我国大部分的气候区域，表明在满足经济性的条件下，选择传热系数较小的保温窗，可以延缓外窗出现结露的时间。

3.3 造纸车间厂房防结露需采取3条主要措施，即设置山墙送风；根据空气的吸湿能力夏季加大排风量，控制屋顶下的空气相对湿度在75%以下；厂房通风的气流应从完成部流向湿部，避免湿部的热湿气扩散到厂房其他区域。

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造纸车间围护结构传热系数的确定与防结露分析

摘要

关键词