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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(shì)，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(duì)直埋熱水管道固定墩的斷橋前后溫度場(chǎng)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平有了較大提高，我國(guó)寒冷地區(qū)城市熱化率明顯改善。由于我國(guó)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(jì)的發(fā)展，節(jié)能減排已成為我國(guó)的基本國(guó)策。我國(guó)建筑總能耗約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)效益：一是工程造價(jià)低，可降低工程造價(jià)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(shí)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(duì)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(duì)于熱水直埋供熱管道來說，當(dāng)供熱管道的規(guī)格較大時(shí)，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(duì)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(qiáng)烈的對(duì)流換熱，在對(duì)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(duì)于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)來說相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，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(gè)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(jì)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(jì)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(gè)計(jì)算區(qū)域的傳熱與流動(dòng)問題的統(tǒng)一控制方程：
方程中，左端第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第二項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng);方程右端第一項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，第二項(xiàng)為源項(xiàng)。由于只分析溫度達(dá)到穩(wěn)定以后的狀況，所以簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)問題，略去非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)，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(shí)際溫度場(chǎng)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(chǎng)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(shí)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(duì)流換熱系數(shù)k=45W/(m2・K)。本次計(jì)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(zhǎng)×寬×高為：3m×3.5m×2.4m。
計(jì)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(huì)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(qiáng)度高，與兩側(cè)的混凝土粘結(jié)力強(qiáng)。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(shí)所需要的強(qiáng)度一般小于10MPa。所選加氣混凝土砌塊的抗壓計(jì)算強(qiáng)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(chǎng)比較
采用CFD技術(shù)對(duì)固定墩斷橋前后的溫度場(chǎng)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?cái)酂針�，使固定墩的散熱量大大降低。未加保溫措施時(shí)單個(gè)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(duì)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(duì)于DN800的管道，每個(gè)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(qiáng)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(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益明顯。
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