預制保冷一體式水管防結露特性實驗研究

楊瑞 周翔 袁永莉 馮靜

1同濟大學機械與能源工程學院

2上海意利法暖通科技有限公司

預制保冷一體式水管防結露特性實驗研究

楊瑞1周翔1袁永莉1馮靜2

1同濟大學機械與能源工程學院

2上海意利法暖通科技有限公司

交聯聚乙烯發泡是一種新型的具有閉孔結構的柔性發泡絕熱性能良好的材料，利用交聯聚乙烯發泡材料制成的保冷一體式水管，具有施工安裝方便快捷，保溫層質量不受施工工藝影響的優點，近年來廣泛運用在管道防結露施工中。本文通過對保冷材料的熱工性能測定，計算了管道保冷層絕熱經濟厚度和最小防結露厚度，并通過實驗研究了該管道穿越非空調區時表面結露特性。研究表明預制保冷一體式水管防結露性能良好，能滿足替代傳統空調系統水管輸送冷水要求。

預制保冷一體式水管保冷熱工性能防結露

0 引言

建筑物空調系統在運行的過程中常常會發生結露現象，尤其是在夏季供水管段上。當出現結露現象時會加速管道的腐蝕[1]，管道表面冷凝水逐漸匯聚成滴滴下，在管道穿過墻體附近，導致墻體潮濕發霉、墻面涂料脫落等，不僅影響建筑裝飾還會帶來衛生問題。傳統的保冷水管，其保冷結構一般由內層金屬管道、中間層塑料發泡體、外層塑料保護層組成，通過粘貼、噴涂、包扎等方式施工。對于部分管道由于管路長，存在較多接口及焊縫，這些部位需預先留出，待水壓試驗合格后再將接口處保溫。這樣存在著現場施工耗時，管道實際運行過程膠粘質量容易開裂、出現“冷橋”等一系列問題。當前出現的新型一體式水管（圖1）管材發泡，壓花一次成型，無接口裂縫，能夠很好地解決這類問題。

相比于傳統管道，一體式水管管道材質由鋼管換為塑料，減少了管道的水質污染和生銹等問題，是對傳統水管工藝的革新。目前也不斷有新的管道保冷材料投入使用，交聯聚乙烯發泡是一種新型的具有閉孔結構的柔性發泡絕熱性能良好的材料，近年來廣泛運用在管道防結露施工中。其細微的獨立氣泡結構，可有效降低空氣對流導致的能量交換，利用聚乙烯發泡材料裹緊管道，阻止管道和空氣熱交換形成凝結露。雖然當前對于管道防結露措施和相關保冷材料性能的研究較多，但是還未見到針對保冷一體式管道防結露研究以及實測。本文根據某實際交聯聚乙烯發泡材料制成的保冷一體式水管，通過管道保冷材料性能參數測試與管道結露實驗，分析預制保冷一體式管道及保冷材料對管道防結露特性的影響。

1 管道保冷材料熱工性能測試

管道保冷材料熱工性能對管道保冷防結露有重要影響，作者對某實際保冷一體式管道保冷材料的熱工性能進行了測試，該預制管道內徑25mm，外徑約45mm，采用聚乙烯發泡作為保冷層材料。測試包括保冷材料厚度、表面密度、吸水量及導熱系數。

1.1 厚度、密度及吸水量測試

根據GB/T6342-1996《泡沫塑料與橡膠線性尺寸的測定》與GB/T6343-1995《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》中的規定，利用厚度儀與天秤測得材料厚度為9～10.1mm，表面密度為29.4～37mg/cm3。吸水量測試中取厚度為9.6mm。

交聯聚乙烯發泡材保冷材料吸水量測試根據CNS2536-1992中規定的方法，測試試樣從樣品中裁取，試樣大小：100mm×100mm×9.6mm。浸泡條件：23℃，24h。試樣在浸泡前后均浸入酒精中10s，用紗布擦干表面，放置60min后稱重。測試結果得到該材料吸水量為0.01g/100cm2，其中吸水量=(浸泡后的質量-浸泡前的質量)/表面積×100。計算可知其最大含水率也小于工業設備及管道絕熱工程設計規范中“保冷材料的含水率不得大于1%”的規定。

1.2 材料導熱系數測試

導熱系數測試中樣品尺寸選擇為300mm× 300mm×9.6mm。實驗根據GB/T10295-2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定—熱流計法》中提出的溫控箱單試件熱流計法傳感器熱流布置方法，測試過程平均溫度24.41℃，溫差10.35℃。

圖2為測試系統原理圖。經測試，該聚乙烯發泡材料導熱系數為0.038W/(m·K)，小于GB50264-97《工業設備及管道絕熱工程設計規范》中“保冷材料的平均溫度低于27℃時，其導熱系數不應大于0.064W/(m·K)[2]”的規定。

2 管道保冷材料厚度分析

合理確認保溫層厚度是工業化生產過程的重要步驟，在設計計算時需要考慮能量損失，保溫材料投資、維修和折舊等問題。由于一體式管道是冷熱共用，即要保溫又要保冷，根據GB50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》的規定，設備及管道供冷和供熱共用時，應按照國家標準中經濟厚度和防止表面結露的保冷層厚度方法計算并取厚值[3]。

2.1 管道經濟層厚度計算

經濟厚度，即在考慮年折舊率的情況下，隔熱保溫設施的費用和散熱量價值之和為最小時的厚度，根據文獻[2]，對于圓筒形絕熱層經濟厚度按照式（1）計算：

式（1）在計算時需要涉及到能量價格，單位造價，導熱系數，放熱系數，年運行時間，絕熱工程投資年攤銷率以及環境溫度等參數。由于計算時參數多，實際設計時可直接查找文獻[3]。本例中一體式管道按照室內機房內空調內設備，保冷層柔性泡沫橡塑選取，其經濟層厚度為19mm。

2.2 管道傳熱理論與防結露厚度計算

為防止或消除供水管道結露,必須保證管道外壁的表面溫度高于周圍大氣壓下的空氣露點溫度。在供水管道上敷設保溫材料，是防止結露的基本措施。它可以減少管道壁面熱流，提高表面溫度，降低結露速度。管道保冷性能主要取決于材料傳熱系數或傳熱阻值的大小及保冷層厚度。

設有某保冷一體式冷水管道穿越非空調區，由于實際工程中供水管道長度遠大于壁厚，沿軸向溫度變化可以忽略不計。內外壁溫度均勻，溫度場軸對稱。管內溫度僅沿坐標軸r方向發生變化，是一維溫度場。描述該保冷一體式冷水管導熱問題的微分方程為[4]：

導熱微分方程：

管段兩側第三類邊界條件：

式中：r1，r2分別為管道內外徑，m；λ1，λ2分別為管道與保冷材料導熱系數，W/(m·K)；tf1為管道內冷水溫度，℃；h1，h2分別為管道內壁與冷水之間，保冷層與周圍空氣之間對流傳熱系數，W/(m·K)。

推導公式可以得出要保證保冷層表面溫度維持穩定，對同一供水管，走水溫度越低，管徑越大，維持表面溫度所需保冷層越厚[5]；保冷材料導熱系數越小，保冷性能越好，管道防結露性能越好。

圓筒型單層防止絕熱層外表面結露的絕熱層厚度計算中，絕熱層厚度D1應滿足下列等式的要求：

式中：Ta為管道周圍環境溫度，運行期間平均溫度，℃；T0為管道外表面溫度，℃；Td為當地氣象條件下最熱月的露點溫度，℃；as為絕熱層外表面向周圍環境的放熱系數，計算時取8.141W/(m2·K)。

針對本文中一體式管道，在上海市氣象條件下，Td查表為30.7℃，T0取為介質的最低操作溫度7℃，Ta取夏季空氣調節室外計算干球溫度34.4℃。綜合導熱系數測試結果，計算可得，預制內徑25mm的管道，在采用測試用聚乙烯發泡材料時，計算防止表面結露的保冷層厚度為19.25mm。

由于該一體式管道主要設計用作室內空調冷水管道，工作在空調區，此時周圍環境溫度小于室外溫度，假設該管道工作在設計溫度26℃，相對濕度50%的空調區內，此時Ta=26℃，T0=7℃，查表Td=14.78℃，計算可得管道防結露保冷層厚度僅為3mm。

3 實驗測試

3.1 背景及測試實驗條件介紹

傳統保冷結構由內至外分別由防銹層、保冷層、防潮層（或稱阻汽層）、保護層、防腐蝕及識別層所組成，且在管道連接處由于密封或者安裝等原因容易形成“冷橋”效應，溫度損失增加。一體式管道由于采用整體保冷形式，在保冷結構方面僅需要保冷層與阻汽層，減輕管道重量使得安裝更加方便。為進一步研究管道結露風險，對該保冷一體式進水管道模擬了管道穿越非空調區結露現象測試，實驗管道直徑25mm，保冷層厚度10mm。測試具體參數見表1，其中1～2工況模擬極端情況下結果，3～7工況模擬實際使用情況下結果。

實驗在人工氣候室環境艙進行，環境艙艙體設計為套室結構，由內室、夾層、操作區及設備間構成。內室尺寸為4.2m×3.6m×3.6m（長×寬×高），可實現溫度、濕度、壁面溫度、新風量等參數的獨立控制。實驗選用3.5m長一體式管道作為實驗管段，測試時管內供水流速2.8m/s，供水量為0.5m3/h。依靠通風系統將室內溫濕度控制在要求值時，為真實反映管道跨越非空調區，管外為自然對流傳熱，在實驗過程關閉送風系統，室內處于無風狀態，依靠氣候室壁面溫度控制系統維持實驗室內室溫度。測試室內空氣溫濕度、管道表面溫度、實驗中在部分管道位置貼錫箔紙以觀察結露現象。圖3為實驗臺示意圖。

3.2 實驗結果

表2為實驗結果數據匯總表。

極端工況1供水1.5h后，管道表面與粘貼錫箔紙部分水珠，分析可得該工況下管道表面有較大水珠，但不匯聚成滴，由于結露滴水過程是一長期累積的現象，因此該工況下長期供水，實際工程中可能會有水滴滴下。極端工況2測試可以看出管壁表面有小水珠，2h內未凝聚。一般工況3時，管道表面有較小水珠形成，2h內未凝聚成滴。一般工況4～7，維持室內溫度32℃，相對濕度60%。供水溫度分別為7℃、9℃、11℃、12℃時管道無結露現象，在貼錫箔紙部位有水霧狀水膜，用手輕撫有濕潤感覺。

4 結論

預制保冷一體式管道水管具有可工業化生產、現場施工方便、整體保冷效果良好的優點，PERT管材不生銹、壽命長，成為可替代傳統鍍鋅鋼管進行空調系統冷熱水輸配的新產品。預制保冷一體式管道的保溫層厚度優化，需要考慮防結露要求，又要保證經濟性。本文實測了某預制保冷一體式管道聚乙烯發泡保冷材料性能，通過管壁傳熱過程理論計算了保冷層的經濟厚度和保冷厚度。通過人工氣候室實驗測試管道穿越非空調區表面結露特性。結論如下：

1）通過實測，該一體式保冷管道表面聚乙烯發泡材料厚度9～10.1mm，表面密度為29.4～37mg/cm3；吸水量為0.01g/100cm2，換算可得其最大含水率也小于規范中規定；導熱系數0.038W/(m·K)，滿足工業設備及管道絕熱工程設計規范中對保冷材料的相關規定。

2）一體式管道是冷熱共用，既要保溫又要保冷，查表與計算可得，在測試保冷材料下，該管道經濟層厚度為19mm，防表面結露厚度為19.25mm。由于該管道主要設計用作室內空調區冷水管道，計算管道穿越空調區時防結露保冷層厚度僅為3mm，設計保冷層厚度遠大于計算值。由于管材變為塑料管道，因此對于規范中計算時“保冷層計算時設備和管道外表面溫度T0取為介質的最低操作溫度”仍需進一步研究。

3）模擬管道穿越非空調區測試可看出，在一般工況下管道表面未出現水滴，無結露現象。在極端工況管道內部走水6℃，室內溫度34℃，相對濕度72%情況下，管道僅表面有小水珠，不匯聚成滴。因此，與普通保冷管道相比，可降低管道結露風險，防結露性能良好，能滿足替代傳統空調系統水管輸送冷水要求，但使用在高溫高濕的工業環境，管道保冷層厚度需增加，管段性能仍需加強。

[1]牛潤萍,陳其針,郭景花.空調系統結露原因及預防[J].節能, 2007,(5):50-51

[2]工業設備及管道絕熱工程設計規范(GB 50264-97)[S].北京:中國建筑工業出版社,1997

[3]民用建筑供暖通風與空氣調節規范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

[4]章熙民,任澤霈,梅飛鳴.傳熱學[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

[5]設備及管道保冷設計導則(GB/T 15586-1995)[S].北京:中國建筑工業出版社,1995

Ex p e rim en ta l Stud y on the Condensa tion Cha ra c te ris tic s o f Pre fab ric a ted In teg ra te d Co ld In su la tion Pip e line

YANG Rui1,ZHOU Xiang1,YUAN Yong-li1,FENG Jing2
1SchoolofMechanicaland Energy Engineering,TongjiUniversity
2ELIVALHVAC Technologies(Shanghai)Co.,Ltd.

Cross-linked polyethylene is a new kind of insulationmaterialwhich has closed-cell structure and flexible foam.With the advantages of convenient installation,insulation quality is not affected by construction technology，the prefabricated integrated cold insulation pipeline using cross-linked polyethylene foam materials for cold insulation has been widely used in construction for anti-condensation of pipeline.In this paper,on the basis of the thermal insulating materialproperty test,theoretical calculation them inimum thicknessof condensation prevention and adiabatic econom ic thickness of the pipeline,and experiment study the surface condensation features of the pipeline working through the Non-Air-Conditioned zone.The results show that the prefabricated cold one-piece pipe has a good performance of condensation prevention,which can satisfy the requirementof conveying cold water instead of traditional pipeline in air conditioning system

prefabricated integrated cold insulation pipeline,cold insulation,thermalperformance,condensation prevention

1003-0344（2014）03-021-4

2013-6-15

周翔（1980～），男，博士，講師；上海市楊浦區同濟大學機械與能源工程學院暖通空調研究所（200092）；E-mail:zhouxiang@tongji.edu.cn