建筑给排水PPR管道延迟冻结保温层计算模型

摘要：建立一种建筑给排水 ＰＰＲ 管道延迟冻结保温层计算模型，提出 ＰＰＲ 管道延迟冻结保温层厚度 计算的方法，分析比较了该方法与《工业设备及管道绝热工程设计规范》、《设备及管道绝热设计导 则》进行建筑给排水管道延迟冻结保温层厚度计算的结果，给出常用 ＰＰＲ 管道延迟冻结保温层厚度 的减少率与保温材料节省量为建筑给排水管道延迟冻结保温层厚度设计计算提供参考与借鉴。

引言

在建筑给排水管道设计中，管道的保温和伴热 虽然常见，但是管道的延迟冻结保温设计也同样重 要。特别是我国南方的建筑给排水管道一般并不 设置管道保温，但是由于近些年的气候变化，受极 端恶劣天气的影响，我国南方地区局部建筑给排水 管道冻裂现象时有发生。如果防冻措施处理不当， 将给建筑给排水的正常运行带来诸多不便，甚至对 业主的生活产生不必要的经济损失和麻烦［１］。因 此，设置管道防冻保温以保证建筑给排水管道安全 运行的问题不容忽视［２］。

目前，国内现行的设计标准主要有《工业设备 及管道绝热工程设计规范》（ＧＢ ５０２６４ － ２０１３）， 《设备及管道绝热设计导则》（ＧＢ／ Ｔ ８１７５ － ２００８）、《设备及管道保温设计通则》等。这些规范 中为了简化计算，采用了稳态传热模型，并且忽略 管壁热阻。忽略管壁热阻的原因是传统建筑给排 水管道为金属管道，金属材料导热系数高，该热阻 可以忽略不计。但是目前建筑给排水管道多采用 ＰＰＲ 管，ＰＰＲ 材料的导热系数小，管壁热阻不宜忽 略。在管道保温设计中，计入 ＰＰＲ 管道的管壁热 阻可以减小保温层的厚度，节省保温材料的使用和 施工成本。

文中对建筑给排水 ＰＰＲ 管道延迟冻结保温问 题建立了传热模型，计入了 ＰＰＲ 管道的管壁热阻， 从而节省了保温材料的用量。文中结论可以为工程中 ＰＰＲ 管道延迟冻结保温设计提供理论依据。

１ 物理模型

以一单位长度保温圆管为例，圆管内径为 Ｄ２ ， 外径为 Ｄ１ ，绝热层外径为 Ｄ０ ，管内介质为液态水， 初始时刻水温为 ＴＨ ，圆管材质为 ＰＰＲ，壁温为 Ｔｗ ， 最外侧为绝热材料，绝热层外表面温度 Ｔ０ ，绝热层 厚度为 δ。物理模型如图 １ 所示。

该传热模型为一维圆柱坐标下，常物性、无内 热源、多层圆筒壁的非稳态导热。因要考虑 ＰＰＲ 管道热阻的影响，所以假定管道内壁面为第一类边 界条件，温度为 ５℃。保温材料外表面边界条件为 第三类边界条件，环境空气温度取 － ５℃。

2 数学模型

2.1 非稳态模型分析解 对于一维、常物性、无内热源、多层圆筒壁非稳 态导热问题，其热阻如图 ２ 所示。

利用能量守恒定律，由初始温度降低到 ０℃ 消 耗的内热能等于通过保温材料外壁面散失的总热 量。采用对数温差法可得到：

式中：Do一保温材料外径，m;
D一PPR管道外径，m;
D2一PPR管道内径，m;
tr一介质在管道内不出现冻结的停留时间，h;
T一环境温度，℃；
T一管内介质冷凝温度，℃；
T一管内介质温度，℃；
T一管道的外表面温度，℃；
入1一管壁导热系数，W/(m·K);
入2一绝热材料导热系数，W/(m·K);
一绝热层外表面与周围空气换热系数；
p、c、V一分别为介质的密度、比热、体积；
Pp、cp、Vp一分别为管壁的密度、比热、体积。

投稿会员：芳华