大管径热水直埋供热管道保温层厚度的计算2007-10-10摘要：根据热水直埋供热管道的传热原理，对大管径热水直埋供热管道的保温层厚度计算方法进行了探讨。
提出保温层厚度的计算应采用控制热水直埋供热管道外表面温度和满足热网输送效率的综合计算方法。
关键词：大管径；直埋供热管道；保温层；热网输送效率Calculation of Insulating Layer Thickness ofDirectly BuriedHot-water Heat-supply Pipeline with Large DiameterYANG Liang-zhong1，ZHANG Lian-gang1，CAO Bao-jun2，XUShan-zhong3(1．North China Municipal EngineeringDesign&Research Institute，Tianjin 300074，China；2．Tianjin Construction Engineering College，Tianjin 300022，China；3．Ningxia Hui Autonomous Region’s Reform Office of Wall Materials，Yinchuan 750001，China)Abstract：According to the heat transfer principleof directly buried hot-water heat-supply pipeline，the calculation method of insulating layer thickness of directly buried hot-water heat-supply pipeline is discussed．It is put forward that a comprehensive calculation method should control the external sufface temperature of directly buried hot-water heat-supply pipeline and meet the transmission efficiency of heat-supply network．Key words：large pipe diameter；directly buriedheat-supply pipeline；insulating layer；transmission efficiency of heat-supply network目前，我国正处于高速发展时期，而能源紧张制约着经济发展，因此节能降耗是我国的长期基本国策。
对于改善居住环境和提高人民生活水平的集中供热事业，实现热电联产集中供热是节能降耗的有效手段之一。
随着城市化进程的进一步实施，采用大型供热机组实现热电联产的城市越来越普遍，供热普及率越来越高，供热面积、供热范围和供热距离也越来越大。
高效低耗的预制直埋式保温管道应用日益广泛，但热网造价相应提高，这就使得对热网输送效率的要求也越来越高，保温层厚度及保温结构设计显得更加重要。
合理的保温结构设计与计算应综合考虑各种因素，首先应按文献[1]的要求控制保温管道外表面温度≤50℃，避免对地下其他市政设施及花草树木等植物的根系产生影响，其次要考虑整个热网的输送效率必须大于等于90％。
鉴于目前国内生产保温管的主要厂家提供的保温层厚度在不同地区应用时并不满足以上规范要求，本文结合工程实践，对大管径直埋热水供热管道保温层厚度的计算方法进行探讨。
1 计算方法根据传热学原理及文献[1、2]，将保温层厚度的计算方法分为经济厚度计算法、允许散热损失计算法、控制外表面温度计算法。
文献[1]规定供热管道外表面温度高于323K时必须进行保温，可以理解为供热管道的外表面温度必须低于323K。
因此，在计算保温层厚度时应控制保温层外表面温度，使其低于323K，在满足此条件下再考虑是否满足允许最大热损失，是否满足热网的输送效率≥90％的要求，若不满足要求，须增大保温层厚度。
①保温层厚度的计算[3～5]在保温层厚度计算过程中，关键问题是由于供热管道敷设于土壤中，尤其是大管径供热管道，埋深较深，管道四周的土壤热阻远大于架空或管沟敷设工艺，可能出现供热管道外表面温度过高的现象。
因此，在确定保温层厚度的计算过程中，应采用控制外表面温度计算方法。
保温管道一般为单层聚氨酯保温结构，在不考虑外护套管热阻时，保温层厚度可按下式计算：式中δ——保温层厚度，md in,o——保温层外径，md ste,o——工作钢管外径，mλsol——土壤的热导率，W/(m·K)t in,o——保温层外表面控制温度，℃，取50℃λin——管道周边土壤温度，℃t ste,o——保温材料在运行温度下的热导率，W/(m·K)t ste,o——工作钢管外表面温度，℃，取热水的温度 h1——管道的当量埋深，m当h/d in,o＜2时，h。
=h+(λsoi/α)，h为管道的中心埋深，单位为m，α为管道上方土壤的表面传热系数，单位为W/(m2·K)，取10～15W/(m2·K)，t soi取地面大气温度。
当h/d in,o≥2时，h1=h，t soi取管道中心埋深度处的土壤自然温度。
②热损失的计算土壤热阻的计算式为：式中R soi——土壤的热阻，m·K/W当h/d in,o≥2时，式(3)可简化为：由于式(3)与(4)的计算结果相差不大，因此在实际应用中大多使用式(4)。
保温层热阻的计算式为：式中R in——保温层的热阻，m·K/W土壤中的单根管道单位长度热损失的计算式为：式中 △q——管道单位长度热损失，W/m通常供热管道一般为两条管道同槽平行敷设，因此应根据两条管道的温度场互相叠加的原理计算热损失。
考虑平行敷设的管道之间的相互影响，引入一个附加热阻，其计算式为：式中R0——附加热阻，m·K/Wr——两条管道中心线间的水平距离，m第1条与第2条管道的单位长度热损失的计算式为：式中△q1、△q2——第1、2条管道的单位长度热损失，W/mT in,o,l、t in,o,2——第1、2条管道的保温层外表面控制温度，℃R1、R2——第1、2条管道的总热阻，m·K/WR in,n、R in,2——第1、2条管道的保温层热阻，m·K/W 两条管道的单位长度总热损失计算式为：△q sum=△q1+△q2 (10)式中△q sum——两条管道的单位长度的总热损失，W/m③热网输送效率的计算热网输送效率计算式为：式中η——热网输送效率ζ——考虑阀门、支座等未保温或保温薄弱环节的附加热损失系数；取0.1～0.15n——计算管段数量L i——第i段计算管段的长度，mΦ——供热系统的供暖热负荷，w2 算例某市集中供热工程，供热介质为热水，设计供、回水温度为130、70℃，供热面积为1 100×104m2。
为简化计算，仅以两段管段为例进行计算。
管段1—2的长度为2500m，热水体积流量为8356m3/h，管段2—3的长度为1000m，热水体积流量为7600m3/h。
两条平行管道中心线水平距离为1.85m。
中心埋深为2.1m，管道周边土壤温度为10℃，土壤热导率为1.2W/(m·K)。
本工程工作钢管外径为1220mm，壁厚为14mm。
采用聚氨酯保温管，保温材料的热导率单位为w/(m·K)，数值为0.027 5+0.00014(t m-25)，其中t m为保温材料的平均温度，单位为℃。
保温管外表面控制温度t in,o=50℃，按式(1)、(2)和已知计算参数计算保温层外径d in,o和厚度δ分别为1369、74.5mm。
目前，对于外径为1220mm的工作钢管，国内保温管厂给出的聚乙烯外保护管的外径为1370mm、壁厚为14mm，即保温层外径为1342mm，保温层厚度为61mm，小于计算值。
因此，应根据实际情况重新确定保温层厚度。
根据保护管外径的定型尺寸向上取整，本算例的聚乙烯外保护管外径应取1410mm、壁厚为17mm，即保温层外径为1376mm，保温层厚度为78mm，大于计算值，满足要求。
通常供回水管道保温层厚度相同，便于管道的安装和运行维护。
保温层厚度确定后进行热损失计算，分别计算供、回水管道单位长度热损失及两条管道热损失之和，再根据管段长度计算管段总热损失。
最后，按式(11)计算管网输送效率。
经计算可得，供水管道单位长度的热损失为169.8W/m，回水管道单位长度的热损失为56.8W/m，二者之和为226.6W/m。
管段1—2的总热损失为566.5 kW，管段2—3的总热损失为226.6kW。
在控制保温管外表面温度不超过50℃的前提下，热网输送效率达95％，满足要求。
3 结论保温层厚度应按计算选取，再根据保温管道外保护管(聚乙烯外套管)的定型尺寸向上取值，保证管道外表面温度不超过50℃，并满足热网输送效率 ≥90％的要求。
参考文献：[1]GB/T 4272—1992，设备及管道保温技术通则[S]．[2]GB 8175—87，设备及管道保温设计导则[s]．[3](苏)约宁A A(著)，单文昌，尚雷(译)．供热学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1986．[4]章锡民，任泽霈，梅飞鸣，等．传热学(第4版)，[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．[5]范季贤，汤惠芬．热能工程设计手册[M]．北京：机械工业出版社，1999．(本文作者：杨良仲1，张连钢1，曹宝军2，徐善忠3 1．中国市政工程华北设计研究院，天津 300074；2．天津市建筑工程学校，天津 300022；3．宁夏回族自治区墙体材料改革办公室，宁夏银川 750001)。