長沙地區低溫糧倉雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析

王海濤，王 軍，郭呈周

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長沙地區低溫糧倉雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析

王海濤，王 軍，郭呈周

（河南工業大學土木建筑學院，鄭州 450001）

糧倉圍護結構保溫隔熱性能對儲糧安全和糧倉能耗有重要影響。糧倉屋頂面積大，是糧倉圍護結構接受太陽輻射最強的部位，外界熱量主要通過屋頂傳入糧倉，因此屋頂是糧倉圍護結構保溫隔熱設計的最重要部位。雙層通風屋頂、高反射率的屋面隔熱涂料和保溫隔熱材料等節能技術近年來在糧倉屋頂設計中得到迅速發展和應用。考慮屋頂不同外表面太陽輻射反射率和自然通風對雙層通風屋頂傳熱的影響，該文給出并試驗驗證了多層屋頂非穩態傳熱模型和雙層通風屋頂傳熱模型，利用經過驗證的屋頂傳熱模型進行屋頂能耗計算，采用經濟性模型和全生命周期理論對長沙地區低溫糧倉普通屋頂和雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度進行分析，并對采用最佳保溫隔熱層厚度時的生命周期總投資、凈收益及回收周期進行計算和比較分析。研究結果表明：屋頂外表面太陽輻射反射率對長沙地區低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度和經濟性有較大影響，雙層通風屋頂可以減小屋頂最佳保溫隔熱層厚度，長沙地區低溫糧倉可采用雙層通風屋頂和高反射率的屋面隔熱涂料降低糧倉能耗，減少因能源消耗而引起的環境污染問題。長沙地區低溫糧倉普通屋頂擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.106～0.183 m，生命周期內最大凈現值為417～633.38元/m2，投資回收年限為2.39～2.96 a。低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度隨屋頂外表面太陽輻射反射率的增大而減小，雙層通風屋頂可以減少屋頂保溫隔熱層投資回收年限。該屋頂最佳保溫隔熱層厚度確定方法對于指導低溫糧倉屋頂保溫隔熱設計具有一定指導意義。

傳熱；保溫層；模型；屋頂；太陽輻射；最佳厚度；生命周期

0 引 言

低溫儲糧是一種有效的綠色儲糧措施[1]，15 ℃以下的低溫可以抑制害蟲和微生物生長繁殖、保證糧食品質和減少糧食熏蒸的化學藥劑污染[2]。提高糧倉圍護結構保溫隔熱性能對于實現安全、經濟、優質的低溫儲糧起著關鍵作用[3-4]。糧倉屋頂具有安全、隔熱和防水的功能。糧倉屋頂面積大，是糧倉圍護結構接受太陽輻射最強的部位，因此屋頂成為糧倉圍護結構保溫隔熱設計最重要的部位。通過屋頂進入糧倉的熱量是造成儲糧溫度偏高和影響儲糧安全的最重要原因之一[5]。雙層通風屋頂、高反射率的屋面隔熱涂料和保溫隔熱材料等方法均是提高糧倉屋頂保溫隔熱性能的有效技術措施[6-15]，保溫隔熱層厚度不但會影響低溫糧倉制冷空調的能耗，而且會影響糧倉的建設成本。因此，研究低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度，使糧倉整個生命周期內能耗費用與糧倉建設費用之和最小，可以確保儲糧安全和實現糧倉節能減排，具有重要的工程應用價值和經濟意義。

建筑圍護結構保溫隔熱作為建筑節能的重要技術措施已經受到國內外學者的廣泛關注[16-17]。目前絕大多數最佳保溫隔熱層厚度研究采用度日數法計算建筑能耗，利用生命周期法建立綜合考慮建筑能耗費用和保溫隔熱材料成本的保溫隔熱層厚度數學模型，進而研究最佳保溫隔熱層厚度和節能效益[18-25]。僅有少量學者采用多層圍護結構非穩態傳熱模型計算建筑能耗[17]。度日數法假定的空調系統運行時間與空調系統的實際運行時間不符，并且忽略了太陽輻射對建筑圍護結構傳熱的影響，這將降低建筑圍護結構能耗預測的準確性。采用生命周期法分析建筑圍護結構建設成本時，沒有考慮建筑圍護結構的施工費用和其他相關費用，導致建筑圍護結構建設成本分析具有片面性，最佳保溫隔熱層厚度預測的準確性降低。針對以上實際情況，本文以長沙地區為例，考慮低溫糧倉空調系統運行及其能耗與普通居民建筑和公共建筑的不同，采用多層屋頂非穩態傳熱模型和雙層通風屋頂傳熱模型進行能耗計算，并利用1-2經濟性模型分析糧倉普通屋頂和雙層通風屋頂的保溫隔熱層生命周期成本，分析預測長沙地區不同外表面太陽輻射反射率的糧倉屋頂和雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度。

1 低溫糧倉屋頂引起的空調能耗費用計算

1.1 糧倉多層屋頂非穩態傳熱模型

糧倉屋頂不同建筑材料層交界處的熱傳遞方程可以用式（2）和式（3）表示。

1.2 糧倉雙層通風屋頂傳熱模型

雙層通風屋頂作為一種節能減排新技術在糧倉中得到了迅速發展。雙層通風屋頂的自然通風降溫機理已經被建筑熱工界所認知。上層屋面得到的太陽輻射熱量一部分以輻射和對流傳熱的方式傳遞到外界大氣環境中，其余熱量由上層屋面吸收后以輻射為主傳遞到下層屋面，上下2層屋面間空氣層的自然通風氣流會帶走部分的屋頂傳熱量，將熱量傳遞到外界大氣環境中。圖1給出了雙層通風屋頂的傳熱機理示意圖。

雙層通風屋頂的傳熱數學模型可用式（6）表示。

式中是屋頂上表面的溫度，K；是外界環境的空氣溫度，K；是雙層通風屋頂的長度，m；d為雙層通風屋頂的寬度，m；是上下2層屋面之間的距離，m；是屋面的傾斜角；是瑞利數；是局部努塞爾數；m為空氣質量流速，kg/s。

分析式（7）和式（8）可知，影響雙層通風屋頂自然通風氣流帶走熱量的主要因素分別是屋頂上表面溫度與外界環境空氣溫度之間的溫差、屋面傾斜角、屋面長度和上下2層屋面之間的距離。

Olsson[27]給出了屋頂內側空氣溫度計算公式。

1.3 糧倉屋頂傳熱模型的試驗驗證

本研究采用對比糧倉屋頂內表面溫度預測值和實測值的方法，驗證糧倉屋頂傳熱模型的準確性。利用經過標定的LZ700型紅外測溫儀和數據記錄儀自動采集長沙地區2017年7月29日0:00時至2017年7月30日24:00時2個糧倉的屋頂內表面溫度數據，溫度數據的采樣時間間隔為10 min，共獲得288組溫度數據。屋頂內表面溫度取坡屋面幾何中心3個不同的相鄰的測量點的溫度平均值，溫度測量點的間距為0.1m。驗證試驗涉及的糧倉普通屋頂為典型的糧倉屋面結構（細石混凝土40 mm+水泥砂漿20 mm+防水卷材4 mm+水泥砂漿20 mm+粉煤灰陶粒混凝土80 mm+鋼筋混凝土350 mm）。驗證試驗涉及的雙層通風屋頂的下層屋面為混凝土屋面板，上層屋面為紅褐色瓦屋面。圖2為高大平房倉雙層通風屋頂剖面示意圖。高大平房倉雙層通風屋頂寬24 m，縱向高度7.5 m。

注：上下2層屋面之間的距離為1 m，單側屋面長度為12.5 m，屋面的傾斜角度為30°。圖中尺寸表示各通風孔高度。

在進行屋頂傳熱模型驗證計算時，計算的時間步長取30 min，假設屋頂內各層建筑材料的初始溫度相同，初始溫度取2017年7月29日溫度測量的平均值，通過對比2017年7月30日屋頂內表面溫度測量值與模型預測值來驗證糧倉屋頂傳熱模型的準確性。屋頂內表面對流換熱系數取8.72 W/(m2·K)，屋頂外表面對流換熱系數取23.26 W/(m2·K)[3]。屋頂外表面的太陽輻射強度取屋面垂直壁面上的太陽輻射強度，其值可根據氣象部門試驗測得的太陽總輻射由Lam等[28]提出的分解公式計算獲得。圖3給出了糧倉屋頂內表面溫度的模型預測值與實測值。由圖3可知，屋頂內表面溫度預測值與實測值之間的平均偏差小于5.5%，屋頂內表面溫度預測值與實測值吻合良好。與實測值相比，多層屋頂動態傳熱模型的最大偏差為6.7%，平均偏差為4.6%。雙層通風屋頂傳熱模型的最大偏差為8.2%，平均偏差為5.3%。驗證結果表明屋頂傳熱模型的預測準確性較高，屋頂傳熱模型可用于分析和預測糧倉屋頂的空調冷負荷。

注：溫度測量時間為2017年7月30日，2017年7月29日溫度測量的平均值作為傳熱模型驗證時的屋頂初始溫度。

1.4 糧倉屋頂冷負荷引起的空調能耗費用計算

2 糧倉屋頂P1-P2經濟性模型分析方法

單位面積糧倉屋頂保溫隔熱層的建設成本可用式（14）表示。

3 糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度計算

本研究利用經過驗證的糧倉屋頂傳熱模型預測糧倉屋頂冷負荷引起的空調系統能耗費用，采用1-2經濟分析模型進行綜合考慮建設成本和空調系統能耗費用的糧倉屋頂全生命周期經濟性分析，研究長沙地區低溫糧倉屋頂不同外表面太陽輻射反射率的最佳保溫隔熱層厚度和雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度。本研究以具有典型夏熱冬冷氣候特征的長沙地區為例，結合長沙地區的真實低溫糧倉進行低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度研究。長沙地區的產糧以稻谷為主，低溫儲糧是抑制稻谷有害生物體生長繁殖和延緩稻谷品質劣變的最佳方法。低溫儲糧具有很好的安全儲糧效果，但需要安裝運行能耗較高的制冷空調系統。本研究涉及的低溫糧倉安裝了能效比為2.3的空調系統。每年4月—11月為需要糧倉空調系統制冷的月份。每年5月—9月糧倉空調系統全天24 h間歇運行，以便保證稻谷的儲糧安全。每年4月、10月和11月為過渡月份，利用小功率軸流風機進行適宜室外氣象條件的通風降溫，實現糧倉過渡月份的通風節能。

利用式（14）和式（15）計算長沙地區低溫糧倉屋頂不同保溫隔熱層厚度的生命周期內總投資現值。圖4為糧倉屋頂外表面太陽輻射高反射率、中反射率和低反射率時生命周期內總投資現值隨擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層厚度的變化情況。隨著屋頂外表面太陽輻射反射率的減小，生命周期內總投資現值逐漸增加。當屋頂外表面為太陽輻射高反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值分別為137.29和129.56元/m2。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值分別為181.15和157.36元/m2。當屋頂外表面為太陽輻射低反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值分別為193.29和167.82元/m2。擠塑聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值為137.29～193.29元/m2，膨脹聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值為129.56～167.82元/m2。雙層通風屋頂的擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內總投資最小現值分別為256.71和233.35元/m2。

表1 屋頂材料特性參數

注：a是太陽能輻射熱吸收系數；屋頂外表面為太陽輻射高反射率表面時a=0.45；屋頂外表面為太陽輻射中反射率表面時a=0.75；屋頂外表面為太陽輻射低反射率表面時a=0.90；雙層通風屋頂外表面為太陽輻射中反射率表面時a=0.75。

利用式（14）和式（16）計算長沙地區低溫糧倉屋頂不同保溫隔熱層厚度的生命周期內凈現值（即生命周期內凈收益）。圖5給出了糧倉屋頂外表面太陽輻射高反射率、中反射率、低反射率時生命周期內凈現值隨擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層厚度的變化情況。隨著屋頂外表面太陽輻射反射率的減小，生命周期內凈現值逐漸減小。當屋頂外表面為太陽輻射低反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值分別為417和424.7元/m2。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值分別為534.67和558.46元/m2。當屋頂外表面為太陽輻射高反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值分別為607.9和633.38元/m2。擠塑聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值為417～607.9元/m2， 膨脹聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值為424.7～ 633.38元/m2。雙層通風屋頂的擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的生命周期內最大凈現值分別為458.98和482.47元/m2。

圖5 不同保溫隔熱層厚度的生命周期內凈現值

當生命周期內凈現值最大時，糧倉屋頂保溫隔熱層厚度為最佳保溫隔熱層厚度。圖6給出了糧倉屋頂外表面太陽輻射高反射率、中反射率和低反射率時擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度。隨著屋頂外表面太陽輻射反射率的減小，最佳保溫隔熱層厚度逐漸增加。當屋頂外表面為太陽輻射高反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.106和0.148 m。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.145和0.171 m。當屋頂外表面為太陽輻射低反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.154和0.183 m。擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.106～0.154 m，膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度為0.148～0.183 m。雙層通風屋頂的擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯的最佳保溫隔熱層厚度分別為0.137和0.167 m。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，雙層通風屋頂的最佳保溫隔熱層厚度小于高大平房倉普通屋頂最佳保溫隔熱層厚度。

確定長沙地區低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度之后，可以利用式（18）計算長沙地區低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度的投資回收年限。圖7給出了糧倉屋頂外表面太陽輻射高反射率、中反射率和低反射率時擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度的投資回收年限。隨著屋頂外表面太陽輻射反射率的減小，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限均逐漸減小。當屋頂外表面為太陽輻射高反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.96和2.68 a。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.71和2.47 a。當屋頂外表面為太陽輻射低反射率時，擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.62和 2.39 a。擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限為2.62～2.96 a，膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限為2.39～2.68 a。雙層通風屋頂擠塑聚苯乙烯和膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度投資回收年限分別為2.67和2.37 a。當屋頂外表面為太陽輻射中反射率時，高大平房倉雙層通風屋頂比普通屋頂具有更小的投資回收年限。

圖6 最佳保溫隔熱層厚度

圖7 最佳保溫隔熱層投資回收年限

4 結 論

1）膨脹聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度大于擠塑聚苯乙烯最佳保溫隔熱層厚度，膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層比擠塑聚苯乙烯保溫隔熱層有更短的投資回收年限。長沙地區低溫糧倉普通屋頂最佳保溫隔熱層厚度范圍為0.106～0.183 m，生命周期內最大凈現值范圍為417～633.38元/m2，投資回收年限為2.39～2.96 a。長沙地區低溫糧倉屋頂采用膨脹聚苯乙烯比擠塑聚苯乙烯更具經濟優越性。

2）外表面太陽輻射反射率對長沙地區低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度有較大影響，長沙地區低溫糧倉屋頂保溫隔熱工程設計應考慮屋頂外表面太陽輻射反射率的影響。隨著糧倉屋頂外表面太陽輻射反射率的減小，糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度逐漸增加，擠塑聚苯乙烯保溫隔熱層和膨脹聚苯乙烯保溫隔熱層的投資回收年限均逐漸減少，因此長沙地區低溫糧倉普通屋頂應采用太陽輻射高反射率的屋頂外表面，低溫糧倉屋頂外表面噴高反射率的隔熱涂料可以起到較顯著的節能減排效果。

3）高大平房倉雙層通風屋頂可以減少長沙地區低溫糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度，減少屋頂保溫隔熱層投資回收年限，長沙地區低溫糧倉可以采用雙層通風屋頂來降低糧倉能耗。長沙地區低溫糧倉采用雙層通風屋面仍需設置一定厚度的保溫隔熱層，才能達到理想的經濟效果和節能減排效果。

4）本文雖然僅以長沙地區為例進行案例分析，但主要是從方法上來分析研究糧倉屋頂最佳保溫隔熱層厚度，文中所提出的研究方法可推廣應用到全國不同氣候區域和不同的保溫隔熱材料，對提高低溫糧倉保溫隔熱性能，優選保溫隔熱材料，實現儲糧安全和糧倉節能減排具有重要指導意義。

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Analysis of optimum thermal insulation thickness of double-skin ventilation roof of low temperature granary in Changsha region

Wang Haitao, Wang Jun, Guo Chengzhou

(450001,)

The thermal insulation performance of granary envelope has important impacts on grain storage safety and granary energy consumption. The roof of a granary is usually very large. Because roof is the position with the strongest solar radiation in granary, the external heat is mainly transferred into granary through roof. Therefore, granary roof is the key part in the design of thermal insulation in building envelope of granary. Double-skin ventilation roof, high reflectivity coatings for roof, and thermal insulation material are three popular techniques for roof of granary for stored grain safety and more energy saving. According to different solar radiation levels and different climatic characteristics, the optimum thermal insulation thicknesses of roofs is different in different areas of China. In this paper, the transient heat transfer model of multi-layer roof was presented and validated for calculating energy consumption of ordinary roof in low temperature granary. By considering the influence of natural ventilation, a heat transfer model of double-skin ventilation roof was proposed and validated for determining energy consumption of double-skin ventilation roof. In this pater, the1-2economic models were used to study the optimum thermal insulation thicknesses of the ordinary multi-layer roof and the double-skin ventilation roof of the low temperature granaries in Changsha region. The effect of different solar radiation reflectivity rates of outside surface was considered in determining the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof in Changsha region. The optimum thermal insulation thicknesses of two thermal insulation materials including expanded polystyrene and expanded polystyrene were calculated for ordinary roof and double-skin ventilation roof of the low temperature granary in Changsha region by using1-2economic model respectively. And then, on the basis of life cycle cost analysis, the total life cycle costs, life cycle savings and payback periods were calculated. The results of this research showed that the solar radiation reflectivity of outside surface has a significant impact on the economy and the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof in Changsha region. Double-skin ventilation roof can reduce the optimum thermal insulation thickness of low temperature granary roof. Double-skin ventilation roof and high reflectivity coatings for roof should be adopted in roof of low temperature granary in Changsha region for more energy saving and less environmental pollution. The optimum thermal insulation thicknesses range of extruded polystyrene and expanded polystyrene was between 0.106-0.183 m for ordinary roof of low temperature granary. The maximum life cycle savings range from 417 to 633.38 RMB Yuan/m2. The payback period ranges from 2.39 to 2.96 years for the optimum thermal insulation thickness of roof. Expanded polystyrene has thicker optimum thermal insulation layer than extruded polystyrene. Expanded polystyrene has shorter payback period of optimum thermal insulation thickness of roof than extruded polystyrene. The optimum thermal insulation thickness of the roof decreases with the increase of the solar radiation reflectivity of outside surface of the roof. The double-skin ventilation roof can shorten the payback period of the optimum thermal insulation thickness of the low temperature granary roof. Besides, this determination method of optimum thermal insulation thickness of roof has a certain guiding significance for guiding design process of thermal insulation thickness of low temperature granary roof.

heat transfer; thermal insulation; model; roof; solar radiation; optimum thickness; life cycle

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035

TU111.4

A

1002-6819(2018)-19-0276-08

2018-06-12

2018-08-17

國家自然科學基金（51406048）；國家糧食公益性行業科研專項（201513001）；河南工業大學創新人才基金項目 (2015RCJH17)

王海濤，副教授，博士，主要從事建筑熱濕傳遞特性研究。Email：haitao-wangshd@163.com

王海濤，王 軍，郭呈周. 長沙地區低溫糧倉雙層通風屋頂最佳保溫隔熱層厚度分析[J]. 農業工程學報，2018，34(19)：276－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035 http://www.tcsae.org

Wang Haitao, Wang Jun, Guo Chengzhou. Analysis of optimum thermal insulation thickness of double-skin ventilation roof of low temperature granary in changsha region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 276－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.035 http://www.tcsae.org