太陽(yáng)熱水系統(tǒng)管道保溫的設(shè)計(jì)計(jì)算

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太陽(yáng)熱水器及大型太陽(yáng)熱水系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣，產(chǎn)品的技術(shù)水平及質(zhì)量日趨提高和成熟，節(jié)能效果十分顯著。但在使用中的一些具體細(xì)節(jié)上，往往引不起人們的足夠重視，如管道的保溫，筆者就曾在甘肅地區(qū)看到個(gè)別廠家的太陽(yáng)熱水器管道保溫采用了薄薄的聚乙烯，外纏塑料薄膜，起不到很好的保溫節(jié)能效果，一個(gè)月不到，薄膜裂開，隨風(fēng)飄舞，保溫形同虛設(shè)。有鑒于此，本文僅就管道保溫的設(shè)計(jì)談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

　　絕熱材料，是指用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或熱工設(shè)備、管道，阻抗熱流傳遞的材料或材料的復(fù)合體。絕熱材料的意義，一方面是為了滿足建筑空間或熱工設(shè)備的熱環(huán)境，另一方面是為了節(jié)約能源。隨著世界范圍內(nèi)能源的日趨緊張，絕熱材料在節(jié)能方面的意義日顯突出。僅就一般的居民采暖和空調(diào)而言，通過(guò)使用絕熱圍護(hù)材料，可在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上節(jié)能50％~80％。根據(jù)日本的節(jié)能實(shí)踐證明，每使用1D屯絕熱材料，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤3噸／年，其節(jié)能效益是材料生產(chǎn)成本的10倍。

　　暴露在大氣中的熱水管道，存在大量的熱損失，為了節(jié)約能量，減少系統(tǒng)的熱損失，必須對(duì)管道進(jìn)行保溫。保溫材料種類眾多，在選用不同的保溫材料的時(shí)候，應(yīng)該做到既滿足系統(tǒng)的使用要求，又盡可能的節(jié)約材料，降低成本。

　　一個(gè)完整的熱工管道和熱工設(shè)備的絕熱結(jié)構(gòu)，通常包括：（1）防腐層；（2）滑動(dòng)層（可與防腐層并用）；（3）絕熱層：（4）防水防潮層；（5）外保護(hù)層（也可以兼作防水防潮層）。

　　由于熱水系統(tǒng)所用的管道都已經(jīng)經(jīng)過(guò)防腐處理，所以絕熱設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是絕熱層、防水防潮層和外保護(hù)層的設(shè)計(jì)。

　　一、絕熱層的設(shè)計(jì)1.材料導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)λ，單位w／（m.℃），是表證物質(zhì)導(dǎo)熱能力的熱物理參數(shù)，是指在穩(wěn)態(tài)條件下，1m厚的物體，兩側(cè)表面溫差為1℃，1h內(nèi)通過(guò)1㎡面積傳遞的熱量。數(shù)值越大，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，數(shù)值越小，絕熱性能越好。該參數(shù)的大小，主要取決于傳熱介質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)時(shí)還與溫度、濕度、壓力、密度、以及熱流的方向有關(guān)。成分相同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)不一定相同，即便是已經(jīng)成型的同一種保溫材料制品，其導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)因?yàn)槭褂玫木唧w系統(tǒng)、具體環(huán)境不同而有所差異。

　　為了計(jì)算的方便，本文根據(jù)相關(guān)的部門標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)標(biāo)的相關(guān)規(guī)定來(lái)選擇材料的導(dǎo)熱系數(shù)作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料硬質(zhì)聚氨脂泡沫塑料是用聚醚與多異氰酸脂為主要原料，再加入阻燃劑、穩(wěn)泡劑和發(fā)泡劑等，經(jīng)混合攪拌、化學(xué)反應(yīng)而成的一種微孔發(fā)泡體，其導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.016～0.055W／（m.℃）。使用溫度-100℃～100℃。

　　按照石油部部頒標(biāo)準(zhǔn)（SYJl8—1986），對(duì)于設(shè)備及管道用的硬質(zhì)聚氨脂塑料泡沫的基本要求見表1：計(jì)算中取λ=0.035W／（m.℃）=0.126（KJ／h.m℃）

　?。?）聚苯乙烯泡沫塑料聚苯乙烯泡沫塑料簡(jiǎn)稱EPS，是以苯乙烯為主要原料，經(jīng)發(fā)泡劑發(fā)泡而成的一種內(nèi)部有無(wú)數(shù)密封微孔的材料?？砂l(fā)性聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.033—0.044W／（m.℃），安全使用溫度-150～70℃；硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)在0.035～0.052W／（m.℃）。

　　根據(jù)GB10801—1989的規(guī)定，對(duì)絕熱用聚苯乙烯泡沫塑料的技術(shù)性能要求如表2：計(jì)算中取λ=0.041W／（m.℃）=0.1476（KJ／h.m℃）

　?。?）聚乙烯泡沫塑料聚乙烯塑料泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.035～0.056W／（m.℃），根據(jù)GB50176—93《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，聚乙烯泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)<0.047W／（m.℃）。

　　計(jì)算中取λ=0.047W／（m.℃）=0.1692（KJ／h.m℃）

　?。?）巖棉巖棉是一種無(wú)機(jī)人造棉，生產(chǎn)巖棉的原料主要是一些成分均勻的天然的硅酸鹽礦石。巖棉的化學(xué)成分為：SiO2／（40～50％），Al203（9～18％），F(xiàn)e2O3（1～9％），Ca0（18～28％），Mg0（5～18％），其它（1～5％）。不同巖棉制品的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.035～0.052W／（m.℃），最高使用溫度為650℃。

　　根據(jù)GBll835—1989《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》的規(guī)定，散棉的導(dǎo)熱系數(shù)≤0.044W／（m.℃）。巖棉氈、墊及管殼、筒等在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)一般在0.047～0.052W／（m.℃）。計(jì)算中取λ=0.052W／（m.℃）=0.1872（KJ／h.m℃）

　　2.保溫層厚度的計(jì)算（1）保溫層厚度的計(jì)算公式δ=3.14dwl.2λ1.35tl.75／ql.5 （式1）

　　δ——保溫層厚度（mm）；dw——管道的外徑（mm）：λ一一保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)（KJ／h.m.℃）；t一一未保溫的管道的外表面的溫度（℃）：q一一保溫后的允許熱損失（KJ／m.h）。

　　（2）允許熱損根據(jù)建設(shè)部2003年頒布的《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施。給水排水》中的規(guī)定，當(dāng)管道中的流體的溫度為60℃時(shí)，允許的熱損如表3：（3）參數(shù)確定公稱管徑為：2 0、40、5 0的管道（鋼）其外徑分別為33.5mm、48mm、60mm保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)λ：1.1中已經(jīng)確定，未保溫的管道的外表面的溫度t：由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)很大，管道壁又薄，所以可以認(rèn)為管道的外表面的溫度和流體的溫度相等（誤差不超過(guò)0.2℃）

　　（4）根據(jù)式——1計(jì)算的保溫層厚度如表4：3.結(jié)果驗(yàn)證和實(shí)際熱損（1）模型的建立如圖所示是包裹著保溫材料的管道的橫截面。設(shè)管道中的熱水溫度為t1，管道內(nèi)壁的溫度是t2，管道和保溫材料接觸處的溫度為t3，保溫材料外表面的溫度為t4，管道所處空間的溫度為t5：設(shè)管道的內(nèi)徑是r1外徑是r2，保溫材料的外徑是r3.設(shè)管道材料的導(dǎo)熱系數(shù)為λ1，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為λ2，管內(nèi)熱水和管外空氣與管壁間的對(duì)流換熱系數(shù)分別 a1、a2.由傳熱學(xué)公式可知，熱水通過(guò)管道壁和保溫層傳熱給空氣的過(guò)程總熱阻為R=1／（2a1πr1）+（1nr2/r1）／2πλ1+（1nr3／r2）／2πλ2+l／2a2πr3 =R1十R2+R3+R4 （式2）

　　式中：R1——管內(nèi)對(duì)流換熱熱阻，R1=1／（2a1πr1）；R2——管壁導(dǎo)熱熱阻，R2=（1nr2／r1）／2πλ1；R3——保溫層導(dǎo)熱熱阻，R3=（1nr3/r2）／2πλ2；R4——保溫層外對(duì)流換熱熱阻，R4=1／2a3πr3. q=（t1－t5）／（Rl+R2+R3+R4） （式3）

　　由于所計(jì)算的管道材料為鑄鐵、鋼或者銅，其導(dǎo)熱系數(shù)都很大，而且管道壁的厚度很小，所以其熱阻可以忽略，認(rèn)為其外壁溫度和其中熱水的溫度相等；同時(shí)，為了計(jì)算的簡(jiǎn)便可以將R4忽略，這樣得出的結(jié)果將比實(shí)際的值偏大，但若在偏大的情況下能滿足表——3的要求，則精確的結(jié)果肯定也能滿足。

　　所以q≈（tl－t5）／R3=（tl-t5）／（1nr3／r2）／2πλ2 （式4）

　　（2）分區(qū)在采用同一種保溫材料并且厚度也相同的條件下，如果環(huán)境的溫度不相同，管道的熱損是不一樣的。為了驗(yàn)證所選用的保溫層是否符合使用要求，現(xiàn)根據(jù)一月份（全年溫度最低的月份）的平均氣溫的高低把全國(guó)劃分為五個(gè)區(qū)。

　　1月份平均氣溫不低于1 0℃的（A區(qū)）：臺(tái)灣、香港、澳門、海南、廣東、廣西、福建、云南：1月份平均氣溫不低于0℃的（B區(qū)）：貴州、湖南、湖北、重慶、四川、江西、安徽、浙江、上海、江蘇：1月份平均氣溫不低于-10℃的（C區(qū)）：河南、 山東、 山西、陜西、河北、北京、天津、寧夏、西藏東南部、甘肅南部、遼寧南部；1月份平均氣溫不低于-20℃的（D區(qū)）：西藏、青海、新疆、甘肅北部、遼寧、吉林；1月份平均氣溫不低于-30℃的（E區(qū)）：黑龍江、內(nèi)蒙古東北部、新疆北部（3）計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證將1.2.4中的結(jié)果用1.3.1中的（式4）分別對(duì)五個(gè)區(qū)驗(yàn)證，結(jié)果如表5：從表5可以看出，在所選用的保溫材料質(zhì)量合格（滿足國(guó)標(biāo)或相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的情況下，表4中列出的最小厚度是滿足使用要求（熱損不超過(guò)規(guī)定值）的。

　?。?）建議選用厚度在實(shí)際工程中選用保溫材料的時(shí)候，其厚度不得低于表4中列出的最小厚度。為了使管道保溫達(dá)到好的效果，建議保溫層厚度選用表6中的值：二、防水防潮層的設(shè)計(jì)絕熱材料的絕熱原理都是利用氣體的導(dǎo)熱系數(shù)比固體低而將材料作成微孔的結(jié)構(gòu)，來(lái)獲得絕熱性能優(yōu)良的制品的。由于空隙的存在，材料不可避免的要吸收水分，然而，水的導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.5818W／（m.℃），比靜止空氣的λ=0.02326W／（m.℃）要大，所以當(dāng)環(huán)境的濕度較高的時(shí)候，材料的平衡含水率將相應(yīng)的提高，導(dǎo)熱系數(shù)相應(yīng)的增大，使保溫性能降低。

　　因此，在絕熱層的外面必須有防水防潮處理。

　　在外保護(hù)層可以起到防水防潮的作用的情況下，可以不作單獨(dú)的防水防潮層，但若外保護(hù)層的防水防潮效果不好時(shí)，必須單獨(dú)作防水防潮處理。可以在絕熱層和外保護(hù)層之間加幾層塑料薄膜來(lái)防水。

　　三、外保護(hù)層的設(shè)計(jì)外保護(hù)層的施工質(zhì)量的好壞直接影響絕熱層的絕熱性能。外保護(hù)層主要起到兩個(gè)作用：①防水、防潮：②防止絕熱層機(jī)械損傷和風(fēng)化、腐蝕。

　　太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)管道的外保護(hù)層常用的一般有兩類：一類是采用金屬外保護(hù)層（下圖），主要是鍍鋅薄鋼板、薄鋁合金板和不銹鋼板，使用金屬外保護(hù)層外形美觀，使用壽命長(zhǎng)，但是材料成本高，并且需要專門的加工設(shè)備另一類是箔布外保護(hù)層，最常用的是膠粘劑玻璃布、外涂樹脂等。