當我們在談論保溫時，我們在談些什麼?-上

01-31

作者注我們都知道在暖通空調系統和熱動力系統中，需要對

1.過熱的表面，如排煙風管，排油煙風管進行隔熱處理 thermal insulation

2.冷介質，如低溫冷凍水進行保冷處理，以減少冷損失，防止冷表面結露 cold insulation

3.熱介質，如高於50度的空調熱水，採暖熱水進行保溫處理，以減少熱損失，防止燙傷等 heat insulation

本系列主要談兩個內容

1.隔熱，保溫，保冷的意義和厚度確定方法以及校核問題

2.保溫保冷後對負荷和設備選型的影響以及常見施工過程

分為上中下集刊出

上集:

1.消防和排油煙管道的隔熱問題

2.保冷和保溫的幾種選擇厚度計算方法之不同

2.1經濟厚度

2.2 傳熱學中的平板和圓筒的傳熱係數和導熱係數的公式

2.3實際校核中的採用公式

2.4最低限度單位面積冷熱損失分析

2.5防結露厚度分析

2.6筆者本人的看法

中集:

3分析對系統負荷計算的影響

4對上述3結論的反思和總結

下集:

5.施工中保溫保冷層的結構問題

施工中是否滿足各層之要求以及實際項目中的問題

本文章參考了以下資料

1.實用供熱空調設計手冊第二版(上冊) 絕熱與防腐部分

2.GB/T8175-2008設備及管道絕熱設計導則

3.GB 50736-2012民用建築供暖通風與空氣調節設計規範-含條文說明

4.GB 50264-2013 工業設備及管道絕熱工程設計規範

5.部分實際項目和照片

通常在設計或者施工過程中，從業人員一般都是使用規範中的所給出的建議材質和建議經濟厚度進行設計安裝施工，這樣當然沒有問題。但是實際很少有人會想一想為什麼厚度是這個數值而不是那個數值

1.隔熱

在進行保冷和保溫的說明之前，我先說一下隔熱的問題。

對風管或者水管進行隔熱，其主要目的不是為了降低冷熱損失，而是為了防止系統外壁過熱

1.1消防排煙系統的隔熱:

比如對於消防系統中的防排煙風管是否需要進行隔熱的問題曾經有人提出過異議。其提出的異議來自於建築設計防火規範和防排煙規範。

註：我以前曾經在小識-暖通設計行業點滴談一文中之處，暖通屬於實證性行業，對於某一個論點經常有人有不同意見，但是行業必定是需要一個規範的。哪怕這個規範中的某一些條目很容易引起爭議。

我們先來看一下下面規範中的原話

該條文的意思有以下解釋

1.對於無吊頂的區域，比如地下停車庫，空間較大，且風管附近的可燃物較少，則可以不進行隔熱。這就是大家通常看到的停車庫的排煙風管和平時通風風管共用且不保溫的實例。

通風換氣次數為4-6ACH，排煙換氣次數至少為6ACH

2.對於有吊頂的區域[一般為辦公區域]，規範要求是進行隔熱處理的，也即是需要進行隔熱材料的外貼敷，一般採用離心玻璃棉,密度48-60kg/m3厚度一般為40-50mm進行外貼附。

有人提出異議，認為不合理，其理由如下

a.排煙系統平時不運行，一旦啟動說明已經兩點火災探頭報警，火災已經發生。隔熱的意義不大，因為已經失火了。在失火的情況下，考慮風管外壁的溫度不要過熱是沒有意義的，都已經燒起來了嗎！

b.排煙系統是可以水平跨越防煙分區,但是不能水平跨越防火分區的[垂直可以跨越防火分區，即跨樓層]。當失火的時候，整個防火分區是關閉的，密閉的。就是全部燒完了，也僅僅是在該防火分區內燒。

就算不進行隔熱，結果導致了外壁溫度過高，碰到了可燃物將吊頂燒起來了，又怎麼樣呢？

聽上去挺有道理的！其實不對

隔熱的主要原因是為了防止一次火災發生的時候，避免過高的風管外壁溫度造成吊頂內的物質的二次火災進而保證人員快速疏散。

並且吊頂內系統眾多，基本也無法避免距離不燃物質大於150mm這一條規定。吊頂內物質，如吊頂板材，電纜等都非不燃A級，而是B1難燃級別較多。

因此為了規避風險，對吊頂內的排煙風管進行隔熱是合理的。

1.2廚房排油煙管道的隔熱

廚房的排油煙管道同樣要做隔熱就更加可以理解了，因為其是每天都運行的，隔熱可以保證

1.避免燃燒和火災---這是不言而喻的

2.避免增加其他區域的冷負荷---當該管道穿越其他空調區域時

3.防止可能存在的燙傷---如檢修人員在管井內的工作

但是真實的情況是很多廚房都不做！

1.3消防正壓送風的管道的隔熱

不同地區的項目的實施結果是不一樣的。有進行隔熱的也有不進行隔熱的。

進行隔熱的理由為: 防止送進樓道間或者避難層的新風收到火災的影響受熱溫度過高，對逃生的人員產生不適感

結論:對消防排煙和廚房排油煙系統進行隔熱是合理的。

2.保溫和保冷

前文說過，對於高溫介質，如超過50度的介質需要進行保溫,對於低溫的介質需要保冷，都是為了降低冷熱損失，防止外部結露或者內部冷凝，防止燙傷或者凍傷

對於空調供暖系統中的保溫保冷常見在

空調風管的保冷和保溫空調冷熱水系統的保溫和保冷熱動力蒸汽系統的保溫

當我們談到保溫保冷時候，主要關注

厚度施工結構層

對於保溫和保冷，其厚度的選擇有以下幾種方法

a.經濟厚度

b.最小冷熱損失厚度

c.防結露厚度

d.單位長度冷熱損失厚度

e.防內部冷凝厚度

通常我們只關注前三個忽略後兩個

2.1.經濟厚度

大部分手冊中給出了經濟厚度的選型，如

GB50736-2012民用建築供暖通風與空氣調節設計規範中的附錄K直接給出了經濟厚度

保溫-管材-橡塑-天然氣

供熱空調設計手冊二版-保冷平板等

不同的運行價格，冷價或者熱價

不同的形式，管道或者平板

不同的溫度，採用離心玻璃棉fiber glass還是橡塑海綿 plastic foam

[當然一般橡塑海綿的保溫之溫度限值在80度以下]

等等

而在其他若干手冊中，如

GBT8175-2008設備及管道絕熱設計導則

GB50264-2013 工業設備及管道絕熱工程設計規範

手冊實用供熱空調設計手冊第二版(上冊) 絕熱和防腐章節

則給出了計算經濟厚度的公式，

板式

管式

這個公式很複雜，並不需要記住。但是需要弄清楚經濟厚度的來由

經濟厚度公式的指導意義在於:

當進行一項保溫工程時候，

該初投資即採購和安裝費用是需要貸款的，這筆款項是需要還貸的。並且還是需要支付利息的---體現在Pi--單位造價，S--年複利率

當運行這個系統的時候，是要支付運行成本的，體現在fn---熱價或者冷價，即每產生1GJ的熱量或者冷量需要的費用，如燒煤，燒天然氣，燒柴油， $tau$ --年度運行時間

當進行保溫時，不同的介質內外溫差t-ta,不同的導熱係數 $lambda$ ,不同的外壁換熱係數 $alpha$ 所導致的冷熱損失也是不同的

綜上所述即:

保溫厚度增加-----冷熱損失下降----初投資下降運行成本下降

保溫厚度持續增加---其增加的造價費用已經超過了下降的運行成本和下降的初投資

此時必然存在一個最佳的保溫厚度

本質是對厚度的函數求導 $frac{df(x)}{dx}=0$ ，求得極值點 critical point.

以上就是經濟厚度的來由

在實際項目中，沒有人會利用公式求得這個厚度，都是直接拿手冊或者規範給出的推薦數值的，這是沒有問題的。但是是不是直接採用推薦數值就高枕無憂了呢，不是。

通常在獲得了經濟厚度以後，我們還應該進行校核，校核的主要目的是為了滿足以下兩項內容

最小冷熱損失厚度:主要意義是為了降低不必要的冷熱量損失，並獲得正確的冷熱負荷附加量

防結露厚度：主要意義是為了防止在運行過程中外壁結露

2.2 傳熱學中的平板和圓筒的傳熱係數和導熱係數的公式[不想看得直接繞過去看2.3]

以下公式全部是根據第三類邊界條件給出，積分過程從略

平板的公式[溫度編號1，2，3...均是從內向外的各個邊界溫度]

各邊界層溫度分布 $frac{t1-t2}{1/alpha i}=frac{t2-t3}{delta/lambda1}=frac{t3-t4}{1/alpha e}$

單位面積熱流密度(w/m2)

$q=-lambda*frac{dt}{dx}=frac{Delta t}{R}$

圓筒的公式[溫度編號1，2，3...均是從內向外的各個邊界溫度]

各邊界層溫度分布

$frac{t1-t2}{1/[pi*alpha i*D0]}=frac{t2-t3}{Ln(D1/D0)/[2*pi*lambda1]}=frac{t3-t4}{1/[pi*alpha e*D1]}$

單位長度的熱流量

作者註：在實際的項目中，忽略了很多無關重要的因素

如將管道或者風管內側的換熱係數忽略，將板材或者管材的壁厚忽略，熱阻忽略。這些都是合理的工程手段。

因此在實際的保溫保冷中，公式是這樣的

2.3實際計算公式

平板熱流密度和各邊界層溫度分布

$q=frac{t1-t2}{frac{delta}{lambda}}=frac{t2-t3}{frac{1}{alpha e}}=frac{t1-t3}{frac{delta}{lambda}+frac{1}{alpha e}}$

管式單位長度熱量和各邊界層溫度分布

$q=frac{t1-t2}{frac{Ln(D2/D1)}{2*pi*lambda1}}=frac{t2-t3}{frac{1}{pi*D2*alpha e}}=frac{t1-t3}{frac{Ln(D2/D1)}{2*pi*lambda1}+frac{1}{pi*D2*alpha e}}$

以上的板材和管材的公式可以完美的校核經濟厚度下是否滿足最低冷熱損失和防結露驗算

說明如下

1.該實用性公式將管道內的邊界換熱係數忽略，將鋼管鋼板的壁厚忽略，即認為鋼管或者鍍鋅板材的外表面的溫度就等於內部的介質溫度

2.t1為內部介質溫度也即管外壁溫度，t2是保溫材料的外壁溫度，t3是環境溫度

3. $delta$ 是保溫材料厚度，D2是保溫材料外徑，D1是保溫材料內徑

4.保溫材料導熱係數 $lambda$ =0.0031+0.0002tp

5.tp指的是保溫材料的兩側的溫度的平均值，即t1和t2的平均值

6. $alpha e$ 是保溫材料外邊界的綜合換熱係數，在不同的場合其數值是不同的，具體可以參見相關手冊。簡單來說，計算保冷，一般數值為8左右，計算保溫，一般數值為13左右

2.4 校驗最小單位面積的冷熱損失

前文已經說過，在滿足經濟厚度以後，應該對單位面積的限值進行校驗[實際我知道很多人不校驗---其原因是在計算峰值負荷的時候，往往冷熱源的安全係數都取得相當大]

手冊給出了限值如下

a.保冷管道的單位面積限值

b.保溫管道的單位面積限值

因此只要獲得了經濟厚度即 $delta$ 的數值以後，即可代入2.3的公式進行校驗。

例子

假定風管的保溫板材，已經知道夏季室外幹球溫度為34.2度，露點溫度為27度，室內幹球溫度25度，室內露點溫度16度，管內送風溫度為14度，板材的經濟厚度為30mm的離心玻璃棉，其導熱係數為0.031w/m*oc,則可以校核其實際的冷損失為

$q=frac{t1-t3}{frac{delta}{lambda}+frac{1}{alpha e}}=frac{25-14}{frac{0.03}{0.035}+frac{1}{8.1}}=11w/m2$

而要求最小的冷損失為

4.5*8.1=36w/m2

滿足要求

2.5防結露厚度分析---[此處和手冊方法略有不同]

同理，利用同樣的公式仍舊可以校核出表面是否會結露

$frac{t2-t3}{frac{1}{alpha e}}=frac{t1-t3}{frac{delta}{lambda}+frac{1}{alpha e}}$

使用同樣的例子

(25-t2)/(1/8.1)=(25-14)/(0.03/0.035+1/8.1)

計算得出t2=23.5度遠大於室內露點16度，因此不結露

2.6筆者本人看法

對於保溫和保冷的計算，當然可以直接使用規範或者手冊給出的數據表進行查詢。但是我們需要弄清楚的是

查詢之後需要進行冷熱損失校驗，

查詢之後需要進行防結露驗算

一般而言，防結露和冷熱損失校驗都不會有什麼問題，不過校驗的結果會對負荷計算的附加量產生影響

即室內負荷+新風負荷以後

還要考慮風機負荷，風管溫升負荷，水泵負荷，水管溫升負荷，其中風管和水管的溫升負荷即來自於上文的校核計算。

關於介紹則見下集

保溫和保冷的冷熱損失對於冷熱源負荷計算的影響

先說一下結論---

冷負荷:大約上述四項的負荷附加量佔到原始計算負荷的15%左右，其中水泵和風機的負荷疊加約在10%，風水管路溫升的負荷增加約為5%

熱負荷:風機和水泵的負荷減少了熱負荷，而管路熱損失增加了熱負荷，則兩兩抵消，基本保持原有的計算量不變。

具體的計算可以見下集中的算例。待續

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