太阳能热水系统管道保温的设计计算

太阳能热水系统管道保温的设计计算
摘要：本文详细讲述了太阳热水系统管道保温的设计，以几种常用的保温材料为例，通过理论计算，确定了在全国不同地区保温材料的合理厚度，为太阳热水系统管道保温提供了理论依据。

关键词：管道保温太阳能热水系统保温材料
太阳热水器及大型太阳热水系统应用越来越广，产品的技术水平及质量日趋提高和成熟，节能效果十分显著。

但在使用中的一些具体细节上，往往引不起人们的足够重视，如管道的保温，笔者就曾在甘肃地区看到个别厂家的太阳热水器管道保温采用了薄薄的聚乙烯，外缠塑料薄膜，起不到很好的保温节能效果，一个月不到，薄膜裂开，随风飘舞，保温形同虚设。

有鉴于此，本文仅就管道保温的设计谈谈自己的看法。

绝热材料，是指用于建筑围护结构或热工设备、管道，阻抗热流传递的材料或材料的复合体。

绝热材料的意义，一方面是为了满足建筑空间或热工设备的热环境，另一方面是为了节约能源。

随着世界范围内能源的日趋紧张，绝热材料在节能方面的意义日显突出。

仅就一般的居民采暖和空调而言，通过使用绝热围护材料，可在现有的基础上节能50％~80％。

根据日本的节能实践证明，每使用1D屯绝热材料，可节约标准煤3吨／年，其节能效益是材料生产成本的10倍。

暴露在大气中的热水管道，存在大量的热损失，为了节约能量，减少系统的热损失，必须对管道进行保温。

保温材料种类众多，在选用不同的保温材料的时候，应该做到既满足系统的使用要求，又尽可能的节约材料，降低成本。

一个完整的热工管道和热工设备的绝热结构，通常包括：(1)防腐层；(2)滑动层(可与防腐层并用)；(3)绝热层：(4)防水防潮层；(5)外保护层(也可以兼作防水防潮层)。

由于热水系统所用的管道都已经经过防腐处理，所以绝热设计的任务主要是绝热层、防水防潮层和外保护层的设计。

一、绝热层的设计
1．材料导热系数
导热系数λ，单位w／(m•℃)，是表证物质导热能力的热物理参数，是指在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1℃，1h内通过1㎡面积传递的热量。

数值越大，导热能力越强，数值越小，绝热性能越好。

该参数的大小，主要取决于传热介质的成分和结构时还与温度、湿度、压力、密度、以及热流的方向有关。

成分相同的材料，导热系数不一定相同，即便是已经成型的同一种保温材料制品，其导热系数也会因为使用的具体系统、具体环境不同而有所差异。

为了计算的方便，本文根据相关的部门标准和国标的相关规定来选择材料的导热系数作为设计的标准。

(1)硬质聚氨脂泡沫塑料
硬质聚氨脂泡沫塑料是用聚醚与多异氰酸脂为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而成的一种微孔发泡体，其导热系数一般在0.016～0.055W ／(m•℃)。

使用温度-100℃～100℃。

按照石油部部颁标准(SYJl8—1986)，对于设备及管道用的硬质聚氨脂塑料泡沫的基本要求见表1：计算中取λ=0.035W／(m•℃)=0.126(KJ／h•m℃)
(2)聚苯乙烯泡沫塑料
聚苯乙烯泡沫塑料简称EPS，是以苯乙烯为主要原料，经发泡剂发泡而成的一种内部有无数密封微孔的材料。

可发性聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数在0.033—0.044W／(m•℃)，
安全使用温度-150～70℃；硬质聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数在0.035～0.052W／(m•℃)。

根据GB10801—1989的规定，对绝热用聚苯乙烯泡沫塑料的技术性能要求如表2：
计算中取λ=0.041W／(m•℃)=0.1476(KJ／h•m℃)
(3)聚乙烯泡沫塑料
聚乙烯塑料泡沫的导热系数一般在0.035～0.056W／(m•℃)，根据GB50176—93《民用建筑热工设计规范》中的规定，聚乙烯泡沫塑料的导热系数<0.047W／(m•℃)。

计算中取λ=0.047W／(m•℃)=0.1692(KJ／h•m℃)
(4)岩棉
岩棉是一种无机人造棉，生产岩棉的原料主要是一些成分均匀的天然的硅酸盐矿石。

岩棉的化学成分为：SiO2／(40～50％)，Al203(9～18％)，Fe2O3(1～9％)，Ca0(18～28％)，Mg0(5～18％)，其它(1～5％)。

不同岩棉制品的导热系数一般在0.035～0.052W／（m•℃)，最高使用温度为650℃。

根据GBll835—1989《绝热用岩棉、矿渣棉及其制品》的规定，散棉的导热系数≤0.04 4W／(m•℃)。

岩棉毡、垫及管壳、筒等在常温下的导热系数一般在0.047～0.052W／(m•℃)。

计算中取λ=0.052W／(m•℃)=0.1872(KJ／h•m℃)
2．保温层厚度的计算
(1)保温层厚度的计算公式
δ=3.14dwl.2λ1.35tl.75／ql.5 (式1)
δ——保温层厚度(mm)；
dw——管道的外径(mm)：
λ一一保温层的导热系数(KJ／h•m•℃)；
t一一未保温的管道的外表面的温度(℃)：
q一一保温后的允许热损失(KJ／m•h)。

(2)允许热损
根据建设部2003年颁布的《全国民用建筑工程设计技术措施•给水排水》中的规定，当管道中的流体的温度为60℃时，允许的热损如表3：
(3)参数确定
公称管径为：2 0、40、5 0的管道(钢)其外径分别为33.5mm、48mm、60mm
保温层的导热系数λ：1.1中已经确定，未保温的管道的外表面的温度t：由于钢的导热系数很大，管道壁又薄，所以可以认为管道的外表面的温度和流体的温度相等(误差不超过0．2℃)
(4)根据式——1计算的保温层厚度如表4：
3．结果验证和实际热损
(1)模型的建立
如图所示是包裹着保温材料的管道的横截面。

设管道中的热水温度为t1，管道内壁的温度是t2，管道和保温材料接触处的温度为t3，保温材料外表面的温度为t4，管道所处空间的温度为t5：设管道的内径是r1外径是r2，保温材料的外径是r3。

设管道材料的导热系数为λ1，保温材料导热系数为λ2，管内热水和管外空气与管壁间的对流换热系数分别a1、a2。

由传热学公式可知，热水通过管道壁和保温层传热给空气的过程总热阻为
R=1／(2a1πr1)+(1nr2/r1)／2πλ1+(1nr3／r2)／2πλ2+l／2a2πr3
=R1十R2+R3+R4 (式2)
式中：
R1——管内对流换热热阻，R1=1／(2a1πr1);
R2——管壁导热热阻，R2=(1nr2／r1)／2πλ1;
R3——保温层导热热阻，R3=(1nr3/r2)／2πλ2;
R4——保温层外对流换热热阻，R4=1／2a3πr3.
q=(t1－t5)／(Rl+R2+R3+R4) (式3)
由于所计算的管道材料为铸铁、钢或者铜，其导热系数都很大，而且管道壁的厚度很小，所以其热阻可以忽略，认为其外壁温度和其中热水的温度相等；同时，为了计算的简便可以将R4忽略，这样得出的结果将比实际的值偏大，但若在偏大的情况下能满足表——3的要求，则精确的结果肯定也能满足。

所以
q≈(tl－t5)／R3=(tl-t5)／(1nr3／r2)／2πλ2 (式4)
(2)分区
在采用同一种保温材料并且厚度也相同的条件下，如果环境的温度不相同，管道的热损是不一样的。

为了验证所选用的保温层是否符合使用要求，现根据一月份(全年温度最低的月份)的平均气温的高低把全国划分为五个区。

1月份平均气温不低于1 0℃的(A区)：
台湾、香港、澳门、海南、广东、广西、福建、云南：
1月份平均气温不低于0℃的(B区)：
贵州、湖南、湖北、重庆、四川、江西、安徽、浙江、上海、江苏：
1月份平均气温不低于-10℃的(C区)：
河南、山东、山西、陕西、河北、北京、天津、宁夏、西藏东南部、甘肃南部、辽宁南部；
1月份平均气温不低于-20℃的(D区)：
西藏、青海、新疆、甘肃北部、辽宁、吉林；
1月份平均气温不低于-30℃的(E区)：
黑龙江、内蒙古东北部、新疆北部
(3)计算结果验证
将1．2．4中的结果用1．3．1中的(式4)分别对五个区验证，结果如表5：
从表5可以看出，在所选用的保温材料质量合格(满足国标或相关的行业标准)的情况下，表4中列出的最小厚度是满足使用要求(热损不超过规定值)的。

(4)建议选用厚度
在实际工程中选用保温材料的时候，其厚度不得低于表4中列出的最小厚度。

为了使管道保温达到好的效果，建议保温层厚度选用表6中的值：
二、防水防潮层的设计
绝热材料的绝热原理都是利用气体的导热系数比固体低而将材料作成微孔的结构，来获得绝热性能优良的制品的。

由于空隙的存在，材料不可避免的要吸收水分，然而，水的导热系数λ=0.5818W／(m•℃)，比静止空气的λ=0.02326W／(m•℃)要大，所以当环境的湿度较高的时候，材料的平衡含水率将相应的提高，导热系数相应的增大，使保温性能降低。

因此，在绝热层的外面必须有防水防潮处理。

在外保护层可以起到防水防潮的作用的情况下，可以不作单独的防水防潮层，但若外保护层的防水防潮效果不好时，必须单独作防水防潮处理。

可以在绝热层和外保护层之间加几层塑料薄膜来防水。

三、外保护层的设计
外保护层的施工质量的好坏直接影响绝热层的绝热性能。

外保护层主要起到两个作用：
①防水、防潮：②防止绝热层机械损伤和风化、腐蚀。

太阳能热水系统管道的外保护层常用的一般有两类：一类是采用金属外保护层，主要是镀锌薄钢板、薄铝合金板和不锈钢板，使用金属外保护层外形美观，使用寿命长，但是材料成本高，并且需要专门的加工设备；另一类是箔布外保护层，最常用的是胶粘剂玻璃布、外涂树脂等。