工業建筑熱力設備經濟保溫厚度的優化分析

蒲靜 蔣福建 袁艷平

西南交通大學機械工程學院

0 引言

隨著世界范圍內能源的日益緊張和我國工業化的快速發展，工業設備的保溫節能問題日顯突出[1]。機組設備、管道等保溫效果不佳不僅影響廠區安全生產，也會使機組散熱損失增大，影響機組的經濟效益[2]。國家規定，為了減少工業生產中的熱力設備、管道向周圍環境散發熱量，需要進行保溫絕熱工程[3]。目前相關的經濟和能源政策明確規定在保溫厚度計算中采用“經濟厚度法”，即壽命周期內保溫投資和運行費用之和最小對應的保溫厚度為“經濟厚度”[4-6]。

為了實現保溫節能和經濟性的雙重目標，國內外專家學者對于經濟厚度的確定做了大量研究。王為民等人[7]以保溫投資年分攤費用與熱損失費用之和最小的最優經濟條件推導了雙層保溫管道經濟厚度計算式。王志國[8]等人利用火用經濟學原理，考慮熱力管道的單位長度火用損費用和投資年分攤費用最小，推導了火用損經濟厚度計算式。ztü rk[9]等人則提出了一種綜合火用效率最大和保溫投資、熱損成本最小的熱水管經濟保溫厚度確定方法。黃仕運等人[10]在現有經濟厚度計算基礎上考慮了管廊建造費用和土地費用，對化工廠管道經濟保溫厚度計算公式進行了推導和實例分析。A 1kkalp[11-12]等人則增加了熱物料，保溫材料和溫室氣體等環境成本計算了最佳保溫厚度。可見目前對于經濟厚度的研究主要在熱價和保溫材料價格之和最低的基礎上進行一定的修正，但均未考慮室內環控系統費用的影響。而對于室內有強熱源設備的廠房，往往消耗大量通風或空調能耗來改善其熱環境[13]。因此，考慮環控系統費用對于廠房內工業設備經濟厚度的確定具有重要意義。

本文在現有經濟厚度的計算基礎上增加了環控系統初投資和運行費用，對進行通風降溫廠房的工業設備（管道和平壁）經濟厚度計算式進行了修正，并以某建陶廠內部的煙氣管道為例，進行其經濟厚度的計算分析，研究結果可為室內工業設備經濟保溫厚度的確定提供參考。

1 考慮通風環控系統費用的經濟厚度修正計算

當選定某種保溫材料后，保溫效果取決于保溫層的厚度。增大保溫層厚度，可以減少散熱損失，但卻增加了保溫工程的投資，選擇合適的保溫層厚度可使年散熱損失費用S1和保溫工程投資的年分攤費用S2之和S達到最小Smin，即最佳的經濟效益，此時對應的保溫層厚度δ即為經濟保溫厚度。

對于有環境控制的保溫設備熱源廠房，其環控系統的初投資和運行費用較高，故僅考慮保溫投資和熱損費用確定設備的保溫厚度可能達不到最優經濟效果。隨著熱力設備、管道保溫厚度的增加，保溫工程初投資增加，內部熱物料的熱損費用減少，隨之環控系統承擔的冷負荷減少，故環控系統費用（初投資和運行費用）減少，選擇合適的保溫層厚度可使年散熱損失費用S1、保溫工程投資的年分攤費用S2、年環控系統費用S3三者之和S達到最小Smin，即最佳的經濟效益，其原理圖如圖1 所示。由于室內有強熱源設備的工業建筑能耗主要為通風能耗，故本文考慮室內環控系統形式為通風機降溫的房間，忽略人員、燈光等熱源散熱，假設廠房內熱源僅為保溫工業設備，對其設備形狀為管道和平壁的經濟厚度計算式分別進行修正。

圖1 考慮環控費用的經濟保溫厚度原理圖

1.1 管道經濟保溫厚度δ修正

年散熱損失費用可由熱價按式（1）計算[8]：

式中：S1為管道的年散熱損失費用，元/(m·年)；fn為熱價，元/GJ；t為年運行時間，h；T為熱力管道輸送流體的溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；d為熱力管道外徑，m；D為保溫層外徑，m；λ為保溫材料導熱系數，W/(m·K)；α2為保溫層外表面與室內空氣的表面傳熱系數，W/(m2·K)。

保溫投資年分攤費用可按式（2）計算[8]：

式中：S2為管道保溫工程的投資年分攤費用，元/(m·年)；A為保溫結構單位造價，元/m3；N為保溫工程投資年分攤率，按式（3）計算[5]:

式中：i為投資貸款的年利率；n為投資貸款的還款年數，一般為3～10 年[14]。

通風系統的投資年分攤費用則可由風量按式（4）計算：

式中：S3.1為通風系統的投資年分攤費用，元/(m·年)；Gd為房間排出單位余熱所需要的通風量，kg/(s·W)，可按式（5）計算[15]；β為房間通風系統的單位風量造價，元/(kg/s)，β的取值可先按傳統經濟保溫厚度算出的房間余熱量估算風量，根據風量進行環控系統設備選型，進而估算出系統初投資即可得到房間通風系統的單位風量投資；M為通風系統投資年分攤率，計算方法與N相同，可按式（3）計算。其余參數與式（1）相同。

式中：cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；Te為室內排風溫度，℃；To為室外空氣溫度，取當地夏季通風室外計算溫度，℃。

年運行費用主要包括設備的年耗電費，可由式（6）計算：

式中：S3.2為設備的年耗電費，元/(m·年)；H為風機風壓，Pa；η為風機的全壓效率，一般為0.75～0.85[16]；ηm為風機的機械效率，風機與電機直聯取1[16]；ρ為空氣密度，kg/m3；b為電價，元/(kW·h)；n為運行負荷系數。其余參數與式（1）和式（4）相同。

考慮通風環控系統費用后，單位管長年總費用S=S1+S2+S3.1+S3.2，令dS/dD=0，整理得：

式中：δ為保溫層厚度，m。

式（7）和（8）即為考慮通風系統費用的管道經濟保溫厚度計算式。

1.2 平壁經濟保溫厚度δ修正

與管道類似，平壁的年散熱損失費用由熱價按式（9）計算[14]：

式中：S1為平壁的年散熱損失費用，元/(m2·年)；δ為保溫層厚度，m；其余參數與式（1）相同。

保溫投資年分攤費用可按式（10）計算[14]：

式中：S2為平壁保溫工程的投資年分攤費用，元/(m2·年)；其余參數與式（2）相同。

通風系統的投資年分攤費用可由式（11）計算：

式中：S3.1為通風系統的投資年分攤費用，元/(m2·年)；δ為保溫層厚度，m；其余參數與式（9）相同。

年運行費用主要包括設備的年耗電費，可由式（12）計算：

式中：S3.2為設備的年耗電費，元/(m2·年)；其余參數與式（11）相同。

同理，單位平米設備年總費用S=S1+S2+S3.1+S3.2，令dS/dδ=0，整理得：

式（13）即為考慮通風系統費用的平壁經濟保溫厚度計算式。

2 計算實例及分析

2.1 保溫工程計算實例

火電廠、核電站和化工廠等工業建筑內部往往存在大量保溫設備及管道，為了說明修正計算方法的可行性，以建陶類工業建筑為例，由于其燒成工序的特殊性，廠區布置較多高溫煙氣管道。故選取四川省樂山市某建陶廠窯爐車間煙氣管道作為實例計算的研究對象，對其經濟保溫厚度進行修正。車間現有環控系統形式為側墻安裝軸流風機降溫，風機額定風量為9300 m3/h，風壓為1050 Pa。管道輸送介質為煙氣，內部介質溫度為550℃，折算能源價格20 元/GJ；保溫工程采用復合硅酸鹽保溫制品，外加保護層，綜合單價為1800 元/m3，研究對象的實景圖和表面紅外熱成像圖如圖2 和圖3（M1、M4 點保溫損壞。M2、M3 處保溫完好）所示。從圖中可以發現，橫管和豎管表面溫度水平不一致，兩管道表面平均溫度70℃左右。兩管道的保溫層局部均有破損，M1 處內部保溫材料已部分脫落，保溫層破損處表面溫度較保溫完好處高10～25℃左右，而廠區熱源表面溫度的增加將直接影響內部熱環境情況，增加風機裝機容量。

圖3 管道外表面紅外成像圖

因為常年運行，所以選擇運行時間為8000 h[5]。投資回收年限定為7 年，年利率取0.04%。保溫材料的密度ρ=170 kg/m3，熱導率ρ=0.0743 W/(m·K)[17]。在經濟厚度計算中，規定設備及管道的保溫結構外表面傳熱系數α2一般取11.63 W/(m2·K)，設置在室內的設備和管道在經濟保溫厚度計算中環境溫度Ta均取20℃[5]。表面溫度取介質正常運行溫度550℃，電價取為1.2 元/(kW·h)。廠區通風系統單位風量造價按其環控系統設計資料，綜合取值為980 元/(kg/s)，運行負荷系數取0.6。計算參數匯總見表1。

表1 計算已知參數匯總

2.2 計算結果與討論

管道經濟保溫厚度隨著熱物料溫度水平和管徑的增大而增大，由于案例工程煙氣溫度和煙管管徑較大，故保溫計算厚度相對較高。未考慮通風環控系統費用，熱力管道經濟厚度為0.212 m，考慮通風系統費用修正后經濟厚度為0.342 m，保溫厚度增加了0.13 m。根據保溫厚度計算年各項費用和年總費用，結果見表2。

表2 保溫年計算費用

由表2 可以看出，案例工程的經濟厚度為0.212 m 的年總費用為1103.27 元/m，修正保溫厚度后年總費用節省了113.62 元/m，修正后年總費用節省了10.3%。而廠區內部保溫煙氣管道總長近800 m，年節省費用約為9.1 萬。在投資回收年限7 年內，總節省費用約63.6 萬元。保溫厚度的增加減少了散熱損失費和通風系統費用，增加了保溫初投資，但是由于通風工程運行費用較高，故總費用減少。在實際工程中，應優先選擇熱導率小、使用壽命長、保溫效率高的優質保溫材料減少散熱損失進而減少環控系統費用。而案例系統設備僅為風機，不涉及空氣處理和輸送等系統，故通風系統的初投資較低。

根據表2 計算結果，擬合每米管道總費用與年數的函數關系式，其圖像如圖4（y1和y2分別為傳統和修正保溫計算結果）所示，其中y1和y2別為傳統和修正保溫計算結果。從圖中可以看出，與傳統計算方法相比，修正計算方法由于保溫厚度增大，導致系統總初投資較高，故保溫工程前4 年修正后的總費用高于傳統方案。而在第4 年后，修正經濟厚度開始產生收益，并在投資回收期的最后一年（第七年）收益達到最大，每米管道可節省795 元。

圖4 每米管道總費用與年數的函數圖像

3 結論

本文在現有“經濟保溫厚度”計算基礎上增加通風環控系統初投資和運行費用，分別推導了工業建筑熱力管道和平壁的經濟保溫厚度計算公式。實測調研某建陶廠的高溫煙氣管道，計算其經濟厚度，對比發現：計算案例修正保溫厚度后總費用節省了10.3%，在投資回收年限7 年內，總節省費用約為63.6 萬元。通風工程運行費用較高，故在實際工程中應優先選擇熱導率小、使用壽命長、保溫效率高的優質保溫材料減少散熱損失進而減少環控系統費用。擬合總費用與年數的函數關系式，發現保溫工程前4 年修正后的總費用高于傳統方案，而在第4 年后，修正經濟厚度開始產生收益，并在投資回收期的最后一年（第7 年）收益達到最大，每米管道可節省795 元。以此說明在工業建筑室內工業設備經濟保溫厚度計算中考慮環控系統費用的必要性。