直埋热水管道固定墩散热分析及断桥技术
[摘要]本文分析了直埋供热管道的优势，提出了直埋热水管道固定墩热桥散热损失严重的现状，建立了直埋热水管道固定墩传热物理、数学模型，通过CFD技术对直埋热水管道固定墩的断桥前后温度场进行了仿真，得出通过加气混凝土断桥节能效果显著。
[关键词]热水供热;固定墩
随着我国经济的发展，人民的生活水平有了较大提高，我国寒冷地区城市热化率明显改善。由于我国能源仍然以化石能源为主，能源的紧张和环境的恶化已经严重制约着经济的发展，节能减排已成为我国的基本国策。我国建筑总能耗约占国民经济能耗的27.6%，建筑能耗主要体现在冬季采暖和夏季空调用能，寒冷地区冬季采暖能耗约占建筑总能耗的40%。
直埋敷设具有多方位的社会经济效益：一是工程造价低，可降低工程造价约25%。二是热损耗低，节约能源，较地沟敷设减少热损失40%，降低耗煤20%。三是防腐、绝缘性能好，使用寿命长。四是占地少，施工快，有利环境保护。供热直埋管道，管道的保温措施经过30多年的发展已经相当完善，通过减少直埋保温管道的散热损失来达到节能减排的目的效果已很不明显。
在热水供热管网系统中为数众多的固定墩、固定支架的散热损失一直被人们所忽略，直埋供热管道固定墩存在热桥效应，散热损失大，钢筋混凝土的温度高、热应力大。钢筋混凝土长期处于高温及大热应力下，其结构的`稳定性受到很大影响，随着管道使用时间的增加，管道的稳定性、安全性必将收到影响。所以从集中供热的安全性、管道系统的稳定性方面考虑，对固定墩、固定支架处的热桥效应及断桥措施进行研究非常必要。
一、热桥效应
对于热水直埋供热管道来说，当供热管道的规格较大时，管道的热应力也比较大。单纯依靠土壤提供的摩擦力不足以满足热水供热管道的稳定性。特别是对于高温水集中供热管网，如果不设置固定墩热应力很容易破坏三通及弯头造成管道事故。直埋供热高温水与管道壁面存在着强烈的对流换热，在对流换热作用下热量从高温水传至管道内表面。由于热水集中供热管道的管材为钢，导热系数较大，相应的热阻值很小，热流比较轻易地穿过管壁到达管道外壁面。
固定墩处由于固定挡板与管壁焊接在一起，挡板的材料也为钢，大部分热量通过固定管板后进入钢筋混凝土。还有一部分热量通过裸露的管道外壁面直接传人钢筋混凝土。固定墩处传热过程的示意图如下图1所示。
凝土的导热系数相对于保温材料的导热系数来说相差两个数量级，相应的热阻值非常小，热流的趋利避害的特性驱使热量大量的从钢筋混凝土的固定墩处散失形成热桥，导致整个热水供热管网系统散热损失增大。
二、传热模型
2.1物理模型
计算模型以双管直埋敷设的热水管道为原型，在固定墩周围建立30m×30m×12m的计算控制区域。所得固定墩的物理模型的示意图如图2所示。
2.2数学模型
(1)传热问题的控制方程，建立整个计算区域的传热与流动问题的统一控制方程：
方程中，左端第一项为扩散项，第二项为对流项;方程右端第一项为扩散项，第二项为源项。由于只分析温度达到稳定以后的状况，所以简化为稳态问题，略去非稳态项，上述控制方程可化为：
(2)耦合传热模型的处理，埋地固定墩周围的实际温度场比较复杂，它与土壤的导热系数、埋地深度、地表温度的变化、管道发热量、管道直径等因素有关。本文主要目的是研究固定墩及其周围土壤的温度场分布情况及其散热损失情况。为进一步方便求解，忽略影响较小的次要因素，做以下假设：假定土壤和组成固定墩的钢筋混凝土为均质、各向同性的固体，热物性参数均为常数;忽略土壤中因水分迁移而引起的热迁移;假定地表的温度不随时间做周期性变化。
2.3求解取值
供暖期间，供水管的平均水温tg=130℃，回水管的平均水温th=70℃。供暖期间土壤地表面平均温度tdm=-10℃;供暖期间土壤表面的对流换热系数k=45W/(m2・K)。本次计算中取土壤的导热系数1.5W/(m・K)，密度为2000kg/m3，比热容为1.6kJ/(kg・K)。钢筋混凝土的导热系数取为：1.883W/(m・K)，密度为2500kg/m3，比热容为840J/(kg・K)。模型的具体参数如下：管道公称直径为DN800;两管中心距b=1.4m，管子埋设深度h具体数值如表1中所示(管顶到地表距离)。固定墩的尺寸长×宽×高为：3m×3.5m×2.4m。
计算结果显示，随着固定墩埋设深度的增加，固定墩的散热损失量逐渐降低但降低的幅度越来越小，通过增加固定墩埋设深度来减少固定墩散热损失的效果不明显，而且随着埋设深度的增加施工成本会越来越高。通过增加固定墩埋深来减少固定墩散热损失意义不大。
2.4保温措施
采用的保温材料为新型复合夹心保温砌块，即中心保温层为加气混凝土，两侧为特种混凝土的复合砌块。复合保温是把保温层夹在墙体中间，在保温材料的两侧浇注混凝土构成。加气混凝土的强度高，与两侧的混凝土粘结力强。具体做法如图3所示。
所选用的方法既要满足力学性能要求，又要有效地阻断热桥，使固定墩的散热损失大大减小。固定墩能起到固定作用时所需要的强度一般小于10MPa。所选加气混凝土砌块的抗压计算强度为12.3MPa，能满足固定墩、固定支架稳定性的要求。加气混凝土砌块，其密度为600kg/m3，导热系数为0.15W/(m・K)，两侧特种混凝土的导热系数为1.74W/(m・K)。本砌块不存在冷热桥，能更好的发挥加气混凝土的保温性能，其传热系数为1.01W/(m2・K)。
2.5温度场比较
采用CFD技术对固定墩断桥前后的温度场进行仿真，结果如图4、5所示。供回水温度取95/70℃，埋深取1.5m，其他参数如上。
仿真结果显示，所选用的方法能有效的截断热桥，使固定墩的散热量大大降低。未加保温措施时单个固定墩的散热损失为2571W，增加保温措施后固定墩的散热损失为107.75W。比较之下可见增加断桥保温措施后固定墩的散热损失大幅度减小，热桥效应明显得到控制，节能效果显著。
三、结语
通过对城市供热热水管网固定墩传热分析得出如下结论：通过不断改善热水供热管道的保温技术，沿线直埋热水管道散热损失已经很小，大大减小了直埋热水供热管道热损失;直埋热水管道固定墩处由于热桥的存在，热损失较大，对于DN800的管道，每个固定墩的散热达到2500W以上;采用加气混凝土和特种混凝土复合砌块进行热桥隔断，可以在满足强度要求的前提下，大大降低固定墩的散热损失至100W左右，仅为未断桥的4.2%。环保效益、社会效益、经济效益明显。
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