基于立体养护库的混凝土构件养护供热分析

李俄锋，刘 益，李军峰

（中民筑友智能装备科技有限公司，湖南长沙 410000）

1 养护库及养护工艺

目前，国内装配式建筑混凝土预制构件生产线普遍采用立体养护库的方式进行养护作业，在流水线完成支模、钢筋、浇筑、振捣等工艺后，由人工操作码垛机设备将构件放入立体养护库进行升温加速养护，以提高生产效率。

1.1 立体养护库

立体养护库通常是4 或5 列腔体组成，每列可容纳分层布置的PC 构件模台若干，由钢结构制作框架，外层用保温材料密封而成，模台和构件在窑体内的放置和取出由一套码垛系统来完成。利用加热系统对窑内温度进行控制，构件经过一系列的静置、升温、恒温、降温，通过加速养护达到一定强度后进行出库。图1 为国内外主流的立体养护库。

图1 立体养护库结构

1.2 养护工艺

当混凝土构件的外形尺寸、原料性能、混凝土配合比及其他工艺条件一定，养护工艺的确定是决定混凝土性能和构件质量的重要因素。图2 为混凝土构件养护工艺过程，通常包括静置期，根据材料确定静置时间；升温期，可分多次、多段进行升温；恒温期和降温期。每个养护期主要控制参数包括，静置时间、升温速度、恒温时间、降温速度。

非常压下及高原区混凝土的养护工艺通过实验确定温度和时间参数。

为满足流水生产线工艺要求，综合考虑节能，养护库以叠放的一列单元室为养护单元，按照确定养护工艺，控温控湿，严格执行养护曲线，以达到较好的养护效果。

2 供热需求及相关参数

根据养护工艺过程，对于每个独立的养护单元来说，升温过程对热能需求量是最大也是单位时间需求量最大的过程，基于立体库单元室（构件叠放层数n）的升温过程热量分析如下：

2.1 组成分析

加热混凝土制品所消耗的热量：Q1；

混凝土制品中蒸发水分所消耗的热量Q2；

热钢模、构件中的钢筋及其他钢结构所消耗的热量Q3；

充满养护室自由空间的耗热量Q4；

养护室蓄热和散失的热量、冷凝水带走的热量、逸失介质的耗热量等为升温阶段总支出的30%即Q5；

水泥的水化热：Q6；

升温期的热量单位时间消耗量为：Qs=（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5-Q6/2）/Tb。

表1 参数赋值

2.2 参数分析

模台重量：m1kg/台；养护室的尺寸：a×b×h；

养护室的参数：m 列n 层，共w 养护仓位；恒温阶段温度t2；养护前混凝土制品的温度t1；混凝土制品的平均比热：CC=0.84kJ/（kg·℃）；

建筑钢的比热：Cm=0.48kJ/（kg·℃）；水的比热：4.2kJ/（kg·℃）；

蒸汽的比热：2.1kJ/（kg·℃）；饱和汽比焓：639.2kcar/kg；

构件的混凝土重量：m2；构件的钢筋及模具重量：m3；

未养护前构件中的水含量：m4；养护库钢结构重量m5t/单元。

3 升温过程热量需求分析及通用化公式

根据上述分析，升温过程中热量消耗主要包括加热混凝土制品、混凝土制品中蒸发水分、热钢模、构件中的钢筋及其他钢结构所消耗、充满养护室自由空间、养护室蓄热和散失的热量、等五个热能消耗组成，及水泥的水化热（供热）。对其进行计算，结合传热学相关原理，给出每个热能组成部分的通用公式：

3.1 加热混凝土制品所消耗的热量Q1

3.2 混凝土制品中蒸发水分所消耗的热量Q2

取混凝土中水分的含量为总的混凝土制品的质量的1%，则水分蒸发的计算公式及结果如下：

水的汽化潜热rC1，▷t=（t2-t1）

3.3 热钢模、 构件中的钢筋及其他钢结构所消耗的热量Q3

钢结构由库结构、模台和模具等组成，单列钢结构的质量为：

3.4 充满养护室自由空间的耗热量Q4

首先要加热养护罩内的空气，这部分耗热量的计算公式如下：

Q4=Cp×m空×△t其中：Cp-空气的定压比热；m空-空气的质量，kg；VE-空气的体积，m3；△t-空气的温度变化，K；ρ-空气密度。

按上述参数计算，得：

Q4=Cp×ρ×VE×△t

3.5 养护室蓄热和散失的热量、冷凝水带走的热量、逸失介质的耗热量等为升温阶段总支出的30%

则升温阶段的热量总支出：

3.6 水泥的水化热

关于水化热的计算，可以采用沃氏经验公式。

沃氏经验公式为：

式中：qc-单位重量水泥放出的水化热，kJ/kg；M-普通水泥计算标号；W/C-水灰比；ε-度时系数。

计算公式如下：

ε=thτ

式中：th-混凝土的平均温度，℃；τ-混凝土养护时间，h；β-辅助系数。

当ε≤290 时，β=0.32+0.002ε；ε＞290 时，β=0.84+0.0002ε。

水泥的总的水化热为Q6=qc×m水泥。

考虑升温阶段按50%的水化反应。

升温期的热量消耗为：Qs=Q5-Q6/2。

升温阶段平均每小时需要的热量为：Qs=（Qs-Q6/2）/Tb。

4 实例计算

4.1 赋值计算

针对pc生产线使用的主流立体养护库（五列十层），选择相关的参数数值，对升温过程按上述分析计算，具体结果如下：

对于部分参数的选取，要根据具体的养护库设计尺寸和结构特点。上述参数主要根据样本生产工厂的立体养护库的详细设计参数所选取，具有一定针对性。

4.2 进一步分析

对于给定具体参数的立体库，根据计算结果可以进一步的分析，包括换热器功率计算（直接得出）、蒸汽流量计算、热水供应量计算、蒸汽锅炉选择等，这里给出蒸汽换热中一种，即蒸汽流量的计算：

这里给定一定状态的饱和水蒸气：0.9MP，t1=180℃，t2=85℃，密度：5.16kg/m3；

1kg 饱和蒸汽凝结放热：2257.2+（180-100）×2.1+（100-85）×4.2=2488（kJ）；

每小时共需饱和蒸汽：4160116/2488/5.16=324（m3）。

4.3 恒温期和降温期

恒温阶段的热量消耗主要是用来维持混凝土构件的养护温度，这部分热量相对升温阶段的热量消耗要小的多。恒温阶段所消耗的热量主要有散失于周围介质的热量、漏失蒸汽损失的热量两部分。其热量计算参考经验公式，结合实际测试，可以取升温期热量的15%，在本例中即：

Qh=Q5×15%=1872052kJ

降温期相关热量分析主要是散热，本文不再详细阐述。

5 相关结论

（1）采用立体库混凝土预制构件养护，其层状叠放对节约生产线空间具有重要的作用，同时单元室养护具有节能环保，无污染、智能化、自动化控温控湿，是市场主流产品，代表技术发展的方向。

（2）养护过程热能使用是后续生产成本的重要组成部分，理论计算对使用者选择供热设备的规格参数提供重要的依据。

（3）升温过程是能耗使用量最大的过程，在整体设计时必须满足的。

（4）本文详述具体的养护库升温过程热量计算，给出恒温过程的经验公式，为行业养护系统设计开发提供参考。