熱網直埋管道保溫厚度的優化探究

劉汸

摘 要：隨著經濟的不斷發展，我國三北地區的城市化進程越來越快，城市集中供熱系統正在逐步的建立起來，熱網系統越來越龐大，要求也越來越高。要想有效的節約能源、降低損耗并保證熱網的工作質量，就必須著重考慮熱網所用管道的保溫問題。目前，我國三北地區的各大熱網中，直埋管道的保溫厚度的確定還仍舊是按照經驗結合傳統的計算或估算來完成的，存在著很多的不足。本研究著重討論熱網直埋管道的保溫厚度優化問題，提出了厚度確定的新思路。

關鍵詞：熱網直埋管道；保溫層厚度；優化

能源是一個時代創造財富的關鍵，是經濟發展的重要因素，其利用總量的持續增長推動了生產力的提高和社會的進步，同時，能源總量的急劇減少也制約了經濟社會的發展和環境資源的生態平衡。節約能源對于整個社會意義重大。熱網管道在傳送介質的過程中，會有很大的能量損失，造成能源的浪費，優化保溫層的厚度是減少這一能量損失、提高熱網工作質量的關鍵。

1.現有的管道保溫層厚度的計算

目前，我國現有的管道保溫層厚度的計算主要有三種，即：外表面溫度限定法、允許熱損失計算法和經濟厚度法。外表面溫度限定法是根據管道限定的外表面溫度，求出保溫層厚度的計算方法；允許熱損失計算法是先限定熱網管道散熱損失，再計算出相應的管道保溫層的表面溫度，進而求出管道保溫層厚度的計算方法；而經濟厚度法是在綜合考慮了熱網保溫結構的基建投資和管道散熱損失的年運行的費用等多方面的因素而得出的年費用最小的計算方法。

2.我國目前的管道保溫厚度理論體系

我國目前主要是使用經濟厚度法來進行直埋管道保溫層的計算，因為我們最關心的問題是如何使投資最小而收益最大，即同時考慮散熱損失與初投資這兩個因素。直埋敷設供熱管道經濟保溫厚度的優化方法，通過對溫度場求解方式的不同，主要分為解析法和數值模擬法兩種方法。其中解析法包括虛擬熱源法和保形映射法；數值模擬法包括有限差分法、有限元法和邊界元法。除虛擬熱源法外，其他各方法均以二維穩態導熱微分方程為控制方程建立求解模型。微分方程精確解的求解方法較復雜，故在計算時進行了不同程度的離散處理，步驟繁復，計算量非常大，對使用者的數學基礎要求很高，難以在實際應用領域進行廣泛推廣。綜合國內外現狀分析，我國與發達國家相比，還是有一定的差距。尤其是隨著人民經濟生活水平的提高，對生活環境的舒適度要求大幅度提升，帶動供熱事業飛速發展。城市供熱管網規模越來越大，大管徑保溫管的需求越來越顯著。

3.熱網直埋管道保溫厚度的優化計算

3.1相關假設

直埋管道保溫熱力計算涉及的影響因素眾多，建模與求解過程復雜。首先，管道與土壤直接接觸，土壤中的不確定因素將降低計算準確性。多管道并行敷設時，管道間的相互傳熱也會增加模型的幾何復雜性。這些因素都導致了直埋保溫管道散熱損失的精確解不易得出，因此需要通過一些合理有效的假設來簡化問題，建立模型。本文所論述的保溫熱力計算方法基于以下假設：土壤為各向同性介質，管道向土壤均勻傳熱；忽略保溫管道內介質軸向溫降，簡化為二維導熱問題；保溫材料為常物性，不隨溫度的變化而變化；忽略金屬管壁的熱阻，近似認為管壁溫度為管內介質溫度，將內熱源轉化為第一類邊界條件。

3.2保溫管道熱阻計算

單根直埋敷設管道的總熱阻即為土壤導熱熱阻、保溫結構熱阻與鋼管熱阻之和。直埋管道的土壤導熱熱阻采用虛擬熱源法法得到。虛擬熱源法是假定管道中部某點有一線熱源，其發熱量與管道表面的發熱量相等。同時假定在與該點以比表面為對稱軸的對稱點上有一個線熱匯，即負的線熱源，將兩個線熱源各自引起的溫度場疊加得到總的溫度場，來模擬直埋敷設管道溫度場，從而得出土壤的導熱熱阻。因鋼管的導熱系數約為58.2，與聚氨酯硬質泡沫塑料0.033的導熱系數相比要大很多，且鋼管管壁很薄，故鋼管的熱阻很小，與保溫結構熱阻相比可作為安全余量忽略不計。當供暖系統室外供熱管網的直埋敷設是供回水管并行時，在計算過程中不能只考慮單獨管道的傳熱，需要同時考慮兩管相互間傳熱的影響，其相互間傳熱影響可以假定一個附加熱阻。

3.3經濟計算

在集中供熱系統中，供熱管網的初投資和運行費用是供熱管網投資的主要組成部分。對直埋敷設供熱管道來說，初投資主要由保溫管材生產費用、施工費用以及運輸費用等組成。保溫結構的總費用應為保溫材料的重量與單位重量保溫材料價格之積。本研究保溫材料采用聚氨酯硬質泡沫塑料。雙管并行敷設時，需同時計算供、回水兩條管道的保溫材料的重量。保護材料的總費用為保護材料的重量與單位重量保護材料價格之積。一般保護材料采用的是高密度聚乙烯。集中供熱系統的供熱管網在運行期間所使用的熱量是向熱電廠或者區域鍋爐房購買所得。由于直埋供熱管道溫度高于周圍土壤溫度，必然會產生熱損失。所以供熱管網在運行期間的費用主要是由于管道熱損失引起的買熱費用。保溫管道運行費用主要為散熱損失費用，隨保溫厚度的增加，散熱損失應逐漸減小，而包括保溫材料費用和保護材料費用的保溫管道初投資將隨保溫厚度的增加而增大。保溫管道的總費用為二者相加之和，保溫管道的總投資在某一保溫厚度處達到最小值，這時的保溫厚度即為經濟保溫厚度。從導數的物理意義上講，如果在給定區間內函數的極小值只有一個，那么這個極小值即為給定區間的最小值。因此，求保溫管道總費用的最小值只需要建立保溫層厚度與保溫管道總費用的函數關系式，利用導數等于零的關系即可求出這個保溫厚度的最佳值。

4.結語

節約能源是實現經濟的可持續發展戰略的關鍵問題之一，熱網進行有效的保溫強化才能實現能源的高效利用。我國的供熱直埋管道系統與發達國家相比還有很大的差距。管道的保溫層厚度應以科學的計算方法來確定，本研究中提出的方法為直埋管道保溫層厚度的最佳值得確定方法提供了新的思路和方法，可以在實際的生產設計中加以運用。

參考文獻：

[1]李一鳴.高溫熱水直埋保溫管道工程的設計與施工[J].科技創新與應用，2013.

[2]付延春，盧進玉，劉飏.熱電廠新建熱網節能技術與措施[J].產業與科技論壇，2013.

[3]吳海棠.熱力管道系統的選用解析[J].企業技術開發，2013，32（22）：76-77.