预制保冷一体式水管防结露特性实验研究

杨瑞 周翔 袁永莉 冯静

1同济大学机械与能源工程学院

2上海意利法暖通科技有限公司

预制保冷一体式水管防结露特性实验研究

杨瑞1周翔1袁永莉1冯静2

1同济大学机械与能源工程学院

2上海意利法暖通科技有限公司

交联聚乙烯发泡是一种新型的具有闭孔结构的柔性发泡绝热性能良好的材料，利用交联聚乙烯发泡材料制成的保冷一体式水管，具有施工安装方便快捷，保温层质量不受施工工艺影响的优点，近年来广泛运用在管道防结露施工中。本文通过对保冷材料的热工性能测定，计算了管道保冷层绝热经济厚度和最小防结露厚度，并通过实验研究了该管道穿越非空调区时表面结露特性。研究表明预制保冷一体式水管防结露性能良好，能满足替代传统空调系统水管输送冷水要求。

预制保冷一体式水管保冷热工性能防结露

0 引言

建筑物空调系统在运行的过程中常常会发生结露现象，尤其是在夏季供水管段上。当出现结露现象时会加速管道的腐蚀[1]，管道表面冷凝水逐渐汇聚成滴滴下，在管道穿过墙体附近，导致墙体潮湿发霉、墙面涂料脱落等，不仅影响建筑装饰还会带来卫生问题。传统的保冷水管，其保冷结构一般由内层金属管道、中间层塑料发泡体、外层塑料保护层组成，通过粘贴、喷涂、包扎等方式施工。对于部分管道由于管路长，存在较多接口及焊缝，这些部位需预先留出，待水压试验合格后再将接口处保温。这样存在着现场施工耗时，管道实际运行过程胶粘质量容易开裂、出现“冷桥”等一系列问题。当前出现的新型一体式水管（图1）管材发泡，压花一次成型，无接口裂缝，能够很好地解决这类问题。

相比于传统管道，一体式水管管道材质由钢管换为塑料，减少了管道的水质污染和生锈等问题，是对传统水管工艺的革新。目前也不断有新的管道保冷材料投入使用，交联聚乙烯发泡是一种新型的具有闭孔结构的柔性发泡绝热性能良好的材料，近年来广泛运用在管道防结露施工中。其细微的独立气泡结构，可有效降低空气对流导致的能量交换，利用聚乙烯发泡材料裹紧管道，阻止管道和空气热交换形成凝结露。虽然当前对于管道防结露措施和相关保冷材料性能的研究较多，但是还未见到针对保冷一体式管道防结露研究以及实测。本文根据某实际交联聚乙烯发泡材料制成的保冷一体式水管，通过管道保冷材料性能参数测试与管道结露实验，分析预制保冷一体式管道及保冷材料对管道防结露特性的影响。

1 管道保冷材料热工性能测试

管道保冷材料热工性能对管道保冷防结露有重要影响，作者对某实际保冷一体式管道保冷材料的热工性能进行了测试，该预制管道内径25mm，外径约45mm，采用聚乙烯发泡作为保冷层材料。测试包括保冷材料厚度、表面密度、吸水量及导热系数。

1.1 厚度、密度及吸水量测试

根据GB/T6342-1996《泡沫塑料与橡胶线性尺寸的测定》与GB/T6343-1995《泡沫塑料和橡胶表观（体积）密度的测定》中的规定，利用厚度仪与天秤测得材料厚度为9～10.1mm，表面密度为29.4～37mg/cm3。吸水量测试中取厚度为9.6mm。

交联聚乙烯发泡材保冷材料吸水量测试根据CNS2536-1992中规定的方法，测试试样从样品中裁取，试样大小：100mm×100mm×9.6mm。浸泡条件：23℃，24h。试样在浸泡前后均浸入酒精中10s，用纱布擦干表面，放置60min后称重。测试结果得到该材料吸水量为0.01g/100cm2，其中吸水量=(浸泡后的质量-浸泡前的质量)/表面积×100。计算可知其最大含水率也小于工业设备及管道绝热工程设计规范中“保冷材料的含水率不得大于1%”的规定。

1.2 材料导热系数测试

导热系数测试中样品尺寸选择为300mm× 300mm×9.6mm。实验根据GB/T10295-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定—热流计法》中提出的温控箱单试件热流计法传感器热流布置方法，测试过程平均温度24.41℃，温差10.35℃。

图2为测试系统原理图。经测试，该聚乙烯发泡材料导热系数为0.038W/(m·K)，小于GB50264-97《工业设备及管道绝热工程设计规范》中“保冷材料的平均温度低于27℃时，其导热系数不应大于0.064W/(m·K)[2]”的规定。

2 管道保冷材料厚度分析

合理确认保温层厚度是工业化生产过程的重要步骤，在设计计算时需要考虑能量损失，保温材料投资、维修和折旧等问题。由于一体式管道是冷热共用，即要保温又要保冷，根据GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的规定，设备及管道供冷和供热共用时，应按照国家标准中经济厚度和防止表面结露的保冷层厚度方法计算并取厚值[3]。

2.1 管道经济层厚度计算

经济厚度，即在考虑年折旧率的情况下，隔热保温设施的费用和散热量价值之和为最小时的厚度，根据文献[2]，对于圆筒形绝热层经济厚度按照式（1）计算：

式（1）在计算时需要涉及到能量价格，单位造价，导热系数，放热系数，年运行时间，绝热工程投资年摊销率以及环境温度等参数。由于计算时参数多，实际设计时可直接查找文献[3]。本例中一体式管道按照室内机房内空调内设备，保冷层柔性泡沫橡塑选取，其经济层厚度为19mm。

2.2 管道传热理论与防结露厚度计算

为防止或消除供水管道结露,必须保证管道外壁的表面温度高于周围大气压下的空气露点温度。在供水管道上敷设保温材料，是防止结露的基本措施。它可以减少管道壁面热流，提高表面温度，降低结露速度。管道保冷性能主要取决于材料传热系数或传热阻值的大小及保冷层厚度。

设有某保冷一体式冷水管道穿越非空调区，由于实际工程中供水管道长度远大于壁厚，沿轴向温度变化可以忽略不计。内外壁温度均匀，温度场轴对称。管内温度仅沿坐标轴r方向发生变化，是一维温度场。描述该保冷一体式冷水管导热问题的微分方程为[4]：

导热微分方程：

管段两侧第三类边界条件：

式中：r1，r2分别为管道内外径，m；λ1，λ2分别为管道与保冷材料导热系数，W/(m·K)；tf1为管道内冷水温度，℃；h1，h2分别为管道内壁与冷水之间，保冷层与周围空气之间对流传热系数，W/(m·K)。

推导公式可以得出要保证保冷层表面温度维持稳定，对同一供水管，走水温度越低，管径越大，维持表面温度所需保冷层越厚[5]；保冷材料导热系数越小，保冷性能越好，管道防结露性能越好。

圆筒型单层防止绝热层外表面结露的绝热层厚度计算中，绝热层厚度D1应满足下列等式的要求：

式中：Ta为管道周围环境温度，运行期间平均温度，℃；T0为管道外表面温度，℃；Td为当地气象条件下最热月的露点温度，℃；as为绝热层外表面向周围环境的放热系数，计算时取8.141W/(m2·K)。

针对本文中一体式管道，在上海市气象条件下，Td查表为30.7℃，T0取为介质的最低操作温度7℃，Ta取夏季空气调节室外计算干球温度34.4℃。综合导热系数测试结果，计算可得，预制内径25mm的管道，在采用测试用聚乙烯发泡材料时，计算防止表面结露的保冷层厚度为19.25mm。

由于该一体式管道主要设计用作室内空调冷水管道，工作在空调区，此时周围环境温度小于室外温度，假设该管道工作在设计温度26℃，相对湿度50%的空调区内，此时Ta=26℃，T0=7℃，查表Td=14.78℃，计算可得管道防结露保冷层厚度仅为3mm。

3 实验测试

3.1 背景及测试实验条件介绍

传统保冷结构由内至外分别由防锈层、保冷层、防潮层（或称阻汽层）、保护层、防腐蚀及识别层所组成，且在管道连接处由于密封或者安装等原因容易形成“冷桥”效应，温度损失增加。一体式管道由于采用整体保冷形式，在保冷结构方面仅需要保冷层与阻汽层，减轻管道重量使得安装更加方便。为进一步研究管道结露风险，对该保冷一体式进水管道模拟了管道穿越非空调区结露现象测试，实验管道直径25mm，保冷层厚度10mm。测试具体参数见表1，其中1～2工况模拟极端情况下结果，3～7工况模拟实际使用情况下结果。

实验在人工气候室环境舱进行，环境舱舱体设计为套室结构，由内室、夹层、操作区及设备间构成。内室尺寸为4.2m×3.6m×3.6m（长×宽×高），可实现温度、湿度、壁面温度、新风量等参数的独立控制。实验选用3.5m长一体式管道作为实验管段，测试时管内供水流速2.8m/s，供水量为0.5m3/h。依靠通风系统将室内温湿度控制在要求值时，为真实反映管道跨越非空调区，管外为自然对流传热，在实验过程关闭送风系统，室内处于无风状态，依靠气候室壁面温度控制系统维持实验室内室温度。测试室内空气温湿度、管道表面温度、实验中在部分管道位置贴锡箔纸以观察结露现象。图3为实验台示意图。

3.2 实验结果

表2为实验结果数据汇总表。

极端工况1供水1.5h后，管道表面与粘贴锡箔纸部分水珠，分析可得该工况下管道表面有较大水珠，但不汇聚成滴，由于结露滴水过程是一长期累积的现象，因此该工况下长期供水，实际工程中可能会有水滴滴下。极端工况2测试可以看出管壁表面有小水珠，2h内未凝聚。一般工况3时，管道表面有较小水珠形成，2h内未凝聚成滴。一般工况4～7，维持室内温度32℃，相对湿度60%。供水温度分别为7℃、9℃、11℃、12℃时管道无结露现象，在贴锡箔纸部位有水雾状水膜，用手轻抚有湿润感觉。

4 结论

预制保冷一体式管道水管具有可工业化生产、现场施工方便、整体保冷效果良好的优点，PERT管材不生锈、寿命长，成为可替代传统镀锌钢管进行空调系统冷热水输配的新产品。预制保冷一体式管道的保温层厚度优化，需要考虑防结露要求，又要保证经济性。本文实测了某预制保冷一体式管道聚乙烯发泡保冷材料性能，通过管壁传热过程理论计算了保冷层的经济厚度和保冷厚度。通过人工气候室实验测试管道穿越非空调区表面结露特性。结论如下：

1）通过实测，该一体式保冷管道表面聚乙烯发泡材料厚度9～10.1mm，表面密度为29.4～37mg/cm3；吸水量为0.01g/100cm2，换算可得其最大含水率也小于规范中规定；导热系数0.038W/(m·K)，满足工业设备及管道绝热工程设计规范中对保冷材料的相关规定。

2）一体式管道是冷热共用，既要保温又要保冷，查表与计算可得，在测试保冷材料下，该管道经济层厚度为19mm，防表面结露厚度为19.25mm。由于该管道主要设计用作室内空调区冷水管道，计算管道穿越空调区时防结露保冷层厚度仅为3mm，设计保冷层厚度远大于计算值。由于管材变为塑料管道，因此对于规范中计算时“保冷层计算时设备和管道外表面温度T0取为介质的最低操作温度”仍需进一步研究。

3）模拟管道穿越非空调区测试可看出，在一般工况下管道表面未出现水滴，无结露现象。在极端工况管道内部走水6℃，室内温度34℃，相对湿度72%情况下，管道仅表面有小水珠，不汇聚成滴。因此，与普通保冷管道相比，可降低管道结露风险，防结露性能良好，能满足替代传统空调系统水管输送冷水要求，但使用在高温高湿的工业环境，管道保冷层厚度需增加，管段性能仍需加强。

[1]牛润萍,陈其针,郭景花.空调系统结露原因及预防[J].节能, 2007,(5):50-51

[2]工业设备及管道绝热工程设计规范(GB 50264-97)[S].北京:中国建筑工业出版社,1997

[3]民用建筑供暖通风与空气调节规范(GB 50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[4]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[5]设备及管道保冷设计导则(GB/T 15586-1995)[S].北京:中国建筑工业出版社,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，讲师；上海市杨浦区同济大学机械与能源工程学院暖通空调研究所（200092）；E-mail:zhouxiang@tongji.edu.cn