直埋熱水管道固定墩散熱分析及斷橋技術(shù)
[摘要]本文分析了直埋供熱管道的優(yōu)勢，提出了直埋熱水管道固定墩熱橋散熱損失嚴(yán)重的現(xiàn)狀，建立了直埋熱水管道固定墩傳熱物理、數(shù)學(xué)模型，通過CFD技術(shù)對直埋熱水管道固定墩的斷橋前后溫度場進(jìn)行了仿真，得出通過加氣混凝土斷橋節(jié)能效果顯著。
[關(guān)鍵詞]熱水供熱;固定墩
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，人民的生活水平有了較大提高，我國寒冷地區(qū)城市熱化率明顯改善。由于我國能源仍然以化石能源為主，能源的緊張和環(huán)境的惡化已經(jīng)嚴(yán)重制約著經(jīng)濟的發(fā)展，節(jié)能減排已成為我國的基本國策。我國建筑總能耗約占國民經(jīng)濟能耗的27.6%，建筑能耗主要體現(xiàn)在冬季采暖和夏季空調(diào)用能，寒冷地區(qū)冬季采暖能耗約占建筑總能耗的40%。
直埋敷設(shè)具有多方位的社會經(jīng)濟效益：一是工程造價低，可降低工程造價約25%。二是熱損耗低，節(jié)約能源，較地溝敷設(shè)減少熱損失40%，降低耗煤20%。三是防腐、絕緣性能好，使用壽命長。四是占地少，施工快，有利環(huán)境保護(hù)。供熱直埋管道，管道的保溫措施經(jīng)過30多年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)完善，通過減少直埋保溫管道的散熱損失來達(dá)到節(jié)能減排的目的效果已很不明顯。
在熱水供熱管網(wǎng)系統(tǒng)中為數(shù)眾多的固定墩、固定支架的散熱損失一直被人們所忽略，直埋供熱管道固定墩存在熱橋效應(yīng)，散熱損失大，鋼筋混凝土的溫度高、熱應(yīng)力大。鋼筋混凝土長期處于高溫及大熱應(yīng)力下，其結(jié)構(gòu)的`穩(wěn)定性受到很大影響，隨著管道使用時間的增加，管道的穩(wěn)定性、安全性必將收到影響。所以從集中供熱的安全性、管道系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面考慮，對固定墩、固定支架處的熱橋效應(yīng)及斷橋措施進(jìn)行研究非常必要。
一、熱橋效應(yīng)
對于熱水直埋供熱管道來說，當(dāng)供熱管道的規(guī)格較大時，管道的熱應(yīng)力也比較大。單純依靠土壤提供的摩擦力不足以滿足熱水供熱管道的穩(wěn)定性。特別是對于高溫水集中供熱管網(wǎng)，如果不設(shè)置固定墩熱應(yīng)力很容易破壞三通及彎頭造成管道事故。直埋供熱高溫水與管道壁面存在著強烈的對流換熱，在對流換熱作用下熱量從高溫水傳至管道內(nèi)表面。由于熱水集中供熱管道的管材為鋼，導(dǎo)熱系數(shù)較大，相應(yīng)的熱阻值很小，熱流比較輕易地穿過管壁到達(dá)管道外壁面。
固定墩處由于固定擋板與管壁焊接在一起，擋板的材料也為鋼，大部分熱量通過固定管板后進(jìn)入鋼筋混凝土。還有一部分熱量通過裸露的管道外壁面直接傳人鋼筋混凝土。固定墩處傳熱過程的示意圖如下圖1所示。
凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相對于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)來說相差兩個數(shù)量級，相應(yīng)的熱阻值非常小，熱流的趨利避害的特性驅(qū)使熱量大量的從鋼筋混凝土的固定墩處散失形成熱橋，導(dǎo)致整個熱水供熱管網(wǎng)系統(tǒng)散熱損失增大。
二、傳熱模型
2.1物理模型
計算模型以雙管直埋敷設(shè)的熱水管道為原型，在固定墩周圍建立30m×30m×12m的計算控制區(qū)域。所得固定墩的物理模型的示意圖如圖2所示。
2.2數(shù)學(xué)模型
(1)傳熱問題的控制方程，建立整個計算區(qū)域的傳熱與流動問題的統(tǒng)一控制方程：
方程中，左端第一項為擴散項，第二項為對流項;方程右端第一項為擴散項，第二項為源項。由于只分析溫度達(dá)到穩(wěn)定以后的狀況，所以簡化為穩(wěn)態(tài)問題，略去非穩(wěn)態(tài)項，上述控制方程可化為：
(2)耦合傳熱模型的處理，埋地固定墩周圍的實際溫度場比較復(fù)雜，它與土壤的導(dǎo)熱系數(shù)、埋地深度、地表溫度的變化、管道發(fā)熱量、管道直徑等因素有關(guān)。本文主要目的是研究固定墩及其周圍土壤的溫度場分布情況及其散熱損失情況。為進(jìn)一步方便求解，忽略影響較小的次要因素，做以下假設(shè)：假定土壤和組成固定墩的鋼筋混凝土為均質(zhì)、各向同性的固體，熱物性參數(shù)均為常數(shù);忽略土壤中因水分遷移而引起的熱遷移;假定地表的溫度不隨時間做周期性變化。
2.3求解取值
供暖期間，供水管的平均水溫tg=130℃，回水管的平均水溫th=70℃。供暖期間土壤地表面平均溫度tdm=-10℃;供暖期間土壤表面的對流換熱系數(shù)k=45W/(m2・K)。本次計算中取土壤的導(dǎo)熱系數(shù)1.5W/(m・K)，密度為2000kg/m3，比熱容為1.6kJ/(kg・K)。鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)取為：1.883W/(m・K)，密度為2500kg/m3，比熱容為840J/(kg・K)。模型的具體參數(shù)如下：管道公稱直徑為DN800;兩管中心距b=1.4m，管子埋設(shè)深度h具體數(shù)值如表1中所示(管頂?shù)降乇砭嚯x)。固定墩的尺寸長×寬×高為：3m×3.5m×2.4m。
計算結(jié)果顯示，隨著固定墩埋設(shè)深度的增加，固定墩的散熱損失量逐漸降低但降低的幅度越來越小，通過增加固定墩埋設(shè)深度來減少固定墩散熱損失的效果不明顯，而且隨著埋設(shè)深度的增加施工成本會越來越高。通過增加固定墩埋深來減少固定墩散熱損失意義不大。
2.4保溫措施
采用的保溫材料為新型復(fù)合夾心保溫砌塊，即中心保溫層為加氣混凝土，兩側(cè)為特種混凝土的復(fù)合砌塊。復(fù)合保溫是把保溫層夾在墻體中間，在保溫材料的兩側(cè)澆注混凝土構(gòu)成。加氣混凝土的強度高，與兩側(cè)的混凝土粘結(jié)力強。具體做法如圖3所示。
所選用的方法既要滿足力學(xué)性能要求，又要有效地阻斷熱橋，使固定墩的散熱損失大大減小。固定墩能起到固定作用時所需要的強度一般小于10MPa。所選加氣混凝土砌塊的抗壓計算強度為12.3MPa，能滿足固定墩、固定支架穩(wěn)定性的要求。加氣混凝土砌塊，其密度為600kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.15W/(m・K)，兩側(cè)特種混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.74W/(m・K)。本砌塊不存在冷熱橋，能更好的發(fā)揮加氣混凝土的保溫性能，其傳熱系數(shù)為1.01W/(m2・K)。
2.5溫度場比較
采用CFD技術(shù)對固定墩斷橋前后的溫度場進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4、5所示。供回水溫度取95/70℃，埋深取1.5m，其他參數(shù)如上。
仿真結(jié)果顯示，所選用的方法能有效的截斷熱橋，使固定墩的散熱量大大降低。未加保溫措施時單個固定墩的散熱損失為2571W，增加保溫措施后固定墩的散熱損失為107.75W。比較之下可見增加斷橋保溫措施后固定墩的散熱損失大幅度減小，熱橋效應(yīng)明顯得到控制，節(jié)能效果顯著。
三、結(jié)語
通過對城市供熱熱水管網(wǎng)固定墩傳熱分析得出如下結(jié)論：通過不斷改善熱水供熱管道的保溫技術(shù)，沿線直埋熱水管道散熱損失已經(jīng)很小，大大減小了直埋熱水供熱管道熱損失;直埋熱水管道固定墩處由于熱橋的存在，熱損失較大，對于DN800的管道，每個固定墩的散熱達(dá)到2500W以上;采用加氣混凝土和特種混凝土復(fù)合砌塊進(jìn)行熱橋隔斷，可以在滿足強度要求的前提下，大大降低固定墩的散熱損失至100W左右，僅為未斷橋的4.2%。環(huán)保效益、社會效益、經(jīng)濟效益明顯。
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