热网直埋管道保温厚度的优化探究

刘汸

摘 要：随着经济的不断发展，我国三北地区的城市化进程越来越快，城市集中供热系统正在逐步的建立起来，热网系统越来越庞大，要求也越来越高。要想有效的节约能源、降低损耗并保证热网的工作质量，就必须着重考虑热网所用管道的保温问题。目前，我国三北地区的各大热网中，直埋管道的保温厚度的确定还仍旧是按照经验结合传统的计算或估算来完成的，存在着很多的不足。本研究着重讨论热网直埋管道的保温厚度优化问题，提出了厚度确定的新思路。

关键词：热网直埋管道；保温层厚度；优化

能源是一个时代创造财富的关键，是经济发展的重要因素，其利用总量的持续增长推动了生产力的提高和社会的进步，同时，能源总量的急剧减少也制约了经济社会的发展和环境资源的生态平衡。节约能源对于整个社会意义重大。热网管道在传送介质的过程中，会有很大的能量损失，造成能源的浪费，优化保温层的厚度是减少这一能量损失、提高热网工作质量的关键。

1.现有的管道保温层厚度的计算

目前，我国现有的管道保温层厚度的计算主要有三种，即：外表面温度限定法、允许热损失计算法和经济厚度法。外表面温度限定法是根据管道限定的外表面温度，求出保温层厚度的计算方法；允许热损失计算法是先限定热网管道散热损失，再计算出相应的管道保温层的表面温度，进而求出管道保温层厚度的计算方法；而经济厚度法是在综合考虑了热网保温结构的基建投资和管道散热损失的年运行的费用等多方面的因素而得出的年费用最小的计算方法。

2.我国目前的管道保温厚度理论体系

我国目前主要是使用经济厚度法来进行直埋管道保温层的计算，因为我们最关心的问题是如何使投资最小而收益最大，即同时考虑散热损失与初投资这两个因素。直埋敷设供热管道经济保温厚度的优化方法，通过对温度场求解方式的不同，主要分为解析法和数值模拟法两种方法。其中解析法包括虚拟热源法和保形映射法；数值模拟法包括有限差分法、有限元法和边界元法。除虚拟热源法外，其他各方法均以二维稳态导热微分方程为控制方程建立求解模型。微分方程精确解的求解方法较复杂，故在计算时进行了不同程度的离散处理，步骤繁复，计算量非常大，对使用者的数学基础要求很高，难以在实际应用领域进行广泛推广。综合国内外现状分析，我国与发达国家相比，还是有一定的差距。尤其是随着人民经济生活水平的提高，对生活环境的舒适度要求大幅度提升，带动供热事业飞速发展。城市供热管网规模越来越大，大管径保温管的需求越来越显著。

3.热网直埋管道保温厚度的优化计算

3.1相关假设

直埋管道保温热力计算涉及的影响因素众多，建模与求解过程复杂。首先，管道与土壤直接接触，土壤中的不确定因素将降低计算准确性。多管道并行敷设时，管道间的相互传热也会增加模型的几何复杂性。这些因素都导致了直埋保温管道散热损失的精确解不易得出，因此需要通过一些合理有效的假设来简化问题，建立模型。本文所论述的保温热力计算方法基于以下假设：土壤为各向同性介质，管道向土壤均匀传热；忽略保温管道内介质轴向温降，简化为二维导热问题；保温材料为常物性，不随温度的变化而变化；忽略金属管壁的热阻，近似认为管壁温度为管内介质温度，将内热源转化为第一类边界条件。

3.2保温管道热阻计算

单根直埋敷设管道的总热阻即为土壤导热热阻、保温结构热阻与钢管热阻之和。直埋管道的土壤导热热阻采用虚拟热源法法得到。虚拟热源法是假定管道中部某点有一线热源，其发热量与管道表面的发热量相等。同时假定在与该点以比表面为对称轴的对称点上有一个线热汇，即负的线热源，将两个线热源各自引起的温度场叠加得到总的温度场，来模拟直埋敷设管道温度场，从而得出土壤的导热热阻。因钢管的导热系数约为58.2，与聚氨酯硬质泡沫塑料0.033的导热系数相比要大很多，且钢管管壁很薄，故钢管的热阻很小，与保温结构热阻相比可作為安全余量忽略不计。当供暖系统室外供热管网的直埋敷设是供回水管并行时，在计算过程中不能只考虑单独管道的传热，需要同时考虑两管相互间传热的影响，其相互间传热影响可以假定一个附加热阻。

3.3经济计算

在集中供热系统中，供热管网的初投资和运行费用是供热管网投资的主要组成部分。对直埋敷设供热管道来说，初投资主要由保温管材生产费用、施工费用以及运输费用等组成。保温结构的总费用应为保温材料的重量与单位重量保温材料价格之积。本研究保温材料采用聚氨酯硬质泡沫塑料。双管并行敷设时，需同时计算供、回水两条管道的保温材料的重量。保护材料的总费用为保护材料的重量与单位重量保护材料价格之积。一般保护材料采用的是高密度聚乙烯。集中供热系统的供热管网在运行期间所使用的热量是向热电厂或者区域锅炉房购买所得。由于直埋供热管道温度高于周围土壤温度，必然会产生热损失。所以供热管网在运行期间的费用主要是由于管道热损失引起的买热费用。保温管道运行费用主要为散热损失费用，随保温厚度的增加，散热损失应逐渐减小，而包括保温材料费用和保护材料费用的保温管道初投资将随保温厚度的增加而增大。保温管道的总费用为二者相加之和，保温管道的总投资在某一保温厚度处达到最小值，这时的保温厚度即为经济保温厚度。从导数的物理意义上讲，如果在给定区间内函数的极小值只有一个，那么这个极小值即为给定区间的最小值。因此，求保温管道总费用的最小值只需要建立保温层厚度与保温管道总费用的函数关系式，利用导数等于零的关系即可求出这个保温厚度的最佳值。

4.结语

节约能源是实现经济的可持续发展战略的关键问题之一，热网进行有效的保温强化才能实现能源的高效利用。我国的供热直埋管道系统与发达国家相比还有很大的差距。管道的保温层厚度应以科学的计算方法来确定，本研究中提出的方法为直埋管道保温层厚度的最佳值得确定方法提供了新的思路和方法，可以在实际的生产设计中加以运用。

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