蒲靜 蔣福建 袁艷平

西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)能源的日益緊張和我國工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的保溫節(jié)能問題日顯突出[1]。機(jī)組設(shè)備、管道等保溫效果不佳不僅影響廠區(qū)安全生產(chǎn)，也會使機(jī)組散熱損失增大，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益[2]。國家規(guī)定，為了減少工業(yè)生產(chǎn)中的熱力設(shè)備、管道向周圍環(huán)境散發(fā)熱量，需要進(jìn)行保溫絕熱工程[3]。目前相關(guān)的經(jīng)濟(jì)和能源政策明確規(guī)定在保溫厚度計算中采用“經(jīng)濟(jì)厚度法”，即壽命周期內(nèi)保溫投資和運(yùn)行費(fèi)用之和最小對應(yīng)的保溫厚度為“經(jīng)濟(jì)厚度”[4-6]。

為了實現(xiàn)保溫節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的雙重目標(biāo)，國內(nèi)外專家學(xué)者對于經(jīng)濟(jì)厚度的確定做了大量研究。王為民等人[7]以保溫投資年分?jǐn)傎M(fèi)用與熱損失費(fèi)用之和最小的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)條件推導(dǎo)了雙層保溫管道經(jīng)濟(jì)厚度計算式。王志國[8]等人利用火用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，考慮熱力管道的單位長度火用損費(fèi)用和投資年分?jǐn)傎M(fèi)用最小，推導(dǎo)了火用損經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)保溫厚度確定方法。黃仕運(yùn)等人[10]在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)厚度計算基礎(chǔ)上考慮了管廊建造費(fèi)用和土地費(fèi)用，對化工廠管道經(jīng)濟(jì)保溫厚度計算公式進(jìn)行了推導(dǎo)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(huán)境成本計算了最佳保溫厚度?？梢娔壳皩τ诮?jīng)濟(jì)厚度的研究主要在熱價和保溫材料價格之和最低的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的修正，但均未考慮室內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用的影響。而對于室內(nèi)有強(qiáng)熱源設(shè)備的廠房，往往消耗大量通風(fēng)或空調(diào)能耗來改善其熱環(huán)境[13]。因此，考慮環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用對于廠房內(nèi)工業(yè)設(shè)備經(jīng)濟(jì)厚度的確定具有重要意義。

本文在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)厚度的計算基礎(chǔ)上增加了環(huán)控系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用，對進(jìn)行通風(fēng)降溫廠房的工業(yè)設(shè)備（管道和平壁）經(jīng)濟(jì)厚度計算式進(jìn)行了修正，并以某建陶廠內(nèi)部的煙氣管道為例，進(jìn)行其經(jīng)濟(jì)厚度的計算分析，研究結(jié)果可為室內(nèi)工業(yè)設(shè)備經(jīng)濟(jì)保溫厚度的確定提供參考。

1 考慮通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)厚度修正計算

當(dāng)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(fèi)用S1和保溫工程投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用S2之和S達(dá)到最小Smin，即最佳的經(jīng)濟(jì)效益，此時對應(yīng)的保溫層厚度δ即為經(jīng)濟(jì)保溫厚度。

對于有環(huán)境控制的保溫設(shè)備熱源廠房，其環(huán)控系統(tǒng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，故僅考慮保溫投資和熱損費(fèi)用確定設(shè)備的保溫厚度可能達(dá)不到最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效果。隨著熱力設(shè)備、管道保溫厚度的增加，保溫工程初投資增加，內(nèi)部熱物料的熱損費(fèi)用減少，隨之環(huán)控系統(tǒng)承擔(dān)的冷負(fù)荷減少，故環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用（初投資和運(yùn)行費(fèi)用）減少，選擇合適的保溫層厚度可使年散熱損失費(fèi)用S1、保溫工程投資的年分?jǐn)傎M(fèi)用S2、年環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用S3三者之和S達(dá)到最小Smin，即最佳的經(jīng)濟(jì)效益，其原理圖如圖1 所示。由于室內(nèi)有強(qiáng)熱源設(shè)備的工業(yè)建筑能耗主要為通風(fēng)能耗，故本文考慮室內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)形式為通風(fēng)機(jī)降溫的房間，忽略人員、燈光等熱源散熱，假設(shè)廠房內(nèi)熱源僅為保溫工業(yè)設(shè)備，對其設(shè)備形狀為管道和平壁的經(jīng)濟(jì)厚度計算式分別進(jìn)行修正。

圖1 考慮環(huán)控費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)保溫厚度原理圖

1.1 管道經(jīng)濟(jì)保溫厚度δ修正

年散熱損失費(fèi)用可由熱價按式（1）計算[8]：

式中：S1為管道的年散熱損失費(fèi)用，元/(m·年)；fn為熱價，元/GJ；t為年運(yùn)行時間，h；T為熱力管道輸送流體的溫度，℃；Ta為環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；α2為保溫層外表面與室內(nèi)空氣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)。

保溫投資年分?jǐn)傎M(fèi)用可按式（2）計算[8]：

式中：S2為管道保溫工程的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用，元/(m·年)；A為保溫結(jié)構(gòu)單位造價，元/m3；N為保溫工程投資年分?jǐn)偮?，按式?）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(shù)，一般為3～10 年[14]。

通風(fēng)系統(tǒng)的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用則可由風(fēng)量按式（4）計算：

式中：S3.1為通風(fēng)系統(tǒng)的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用，元/(m·年)；Gd為房間排出單位余熱所需要的通風(fēng)量，kg/(s·W)，可按式（5）計算[15]；β為房間通風(fēng)系統(tǒng)的單位風(fēng)量造價，元/(kg/s)，β的取值可先按傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)保溫厚度算出的房間余熱量估算風(fēng)量，根據(jù)風(fēng)量進(jìn)行環(huán)控系統(tǒng)設(shè)備選型，進(jìn)而估算出系統(tǒng)初投資即可得到房間通風(fēng)系統(tǒng)的單位風(fēng)量投資；M為通風(fēng)系統(tǒng)投資年分?jǐn)偮剩嬎惴椒ㄅcN相同，可按式（3）計算。其余參數(shù)與式（1）相同。

式中：cp為空氣定壓比熱，kJ/(kg·℃)；Te為室內(nèi)排風(fēng)溫度，℃；To為室外空氣溫度，取當(dāng)?shù)叵募就L(fēng)室外計算溫度，℃。

年運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備的年耗電費(fèi)，可由式（6）計算：

式中：S3.2為設(shè)備的年耗電費(fèi)，元/(m·年)；H為風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；η為風(fēng)機(jī)的全壓效率，一般為0.75～0.85[16]；ηm為風(fēng)機(jī)的機(jī)械效率，風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)取1[16]；ρ為空氣密度，kg/m3；b為電價，元/(kW·h)；n為運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)。其余參數(shù)與式（1）和式（4）相同。

考慮通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用后，單位管長年總費(fèi)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(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用的管道經(jīng)濟(jì)保溫厚度計算式。

1.2 平壁經(jīng)濟(jì)保溫厚度δ修正

與管道類似，平壁的年散熱損失費(fèi)用由熱價按式（9）計算[14]：

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

保溫投資年分?jǐn)傎M(fèi)用可按式（10）計算[14]：

式中：S2為平壁保溫工程的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用，元/(m2·年)；其余參數(shù)與式（2）相同。

通風(fēng)系統(tǒng)的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用可由式（11）計算：

式中：S3.1為通風(fēng)系統(tǒng)的投資年分?jǐn)傎M(fèi)用，元/(m2·年)；δ為保溫層厚度，m；其余參數(shù)與式（9）相同。

年運(yùn)行費(fèi)用主要包括設(shè)備的年耗電費(fèi)，可由式（12）計算：

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

同理，單位平米設(shè)備年總費(fèi)用S=S1+S2+S3.1+S3.2，令dS/dδ=0，整理得：

式（13）即為考慮通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用的平壁經(jīng)濟(jì)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(yè)建筑內(nèi)部往往存在大量保溫設(shè)備及管道，為了說明修正計算方法的可行性，以建陶類工業(yè)建筑為例，由于其燒成工序的特殊性，廠區(qū)布置較多高溫?zé)煔夤艿?。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(jīng)濟(jì)保溫厚度進(jìn)行修正。車間現(xiàn)有環(huán)控系統(tǒng)形式為側(cè)墻安裝軸流風(fēng)機(jī)降溫，風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為9300 m3/h，風(fēng)壓為1050 Pa。管道輸送介質(zhì)為煙氣，內(nèi)部介質(zhì)溫度為550℃，折算能源價格20 元/GJ；保溫工程采用復(fù)合硅酸鹽保溫制品，外加保護(hù)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?fù)p壞。M2、M3 處保溫完好）所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，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(nèi)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(qū)熱源表面溫度的增加將直接影響內(nèi)部熱環(huán)境情況，增加風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量。

圖3 管道外表面紅外成像圖

因為常年運(yùn)行，所以選擇運(yùn)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(dǎo)率ρ=0.0743 W/(m·K)[17]。在經(jīng)濟(jì)厚度計算中，規(guī)定設(shè)備及管道的保溫結(jié)構(gòu)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α2一般取11.63 W/(m2·K)，設(shè)置在室內(nèi)的設(shè)備和管道在經(jīng)濟(jì)保溫厚度計算中環(huán)境溫度Ta均取20℃[5]。表面溫度取介質(zhì)正常運(yùn)行溫度550℃，電價取為1.2 元/(kW·h)。廠區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)單位風(fēng)量造價按其環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計資料，綜合取值為980 元/(kg/s)，運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)取0.6。計算參數(shù)匯總見表1。

表1 計算已知參數(shù)匯總

2.2 計算結(jié)果與討論

管道經(jīng)濟(jì)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(fēng)環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用，熱力管道經(jīng)濟(jì)厚度為0.212 m，考慮通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用修正后經(jīng)濟(jì)厚度為0.342 m，保溫厚度增加了0.13 m。根據(jù)保溫厚度計算年各項費(fèi)用和年總費(fèi)用，結(jié)果見表2。

表2 保溫年計算費(fèi)用

由表2 可以看出，案例工程的經(jīng)濟(jì)厚度為0.212 m 的年總費(fèi)用為1103.27 元/m，修正保溫厚度后年總費(fèi)用節(jié)省了113.62 元/m，修正后年總費(fèi)用節(jié)省了10.3%。而廠區(qū)內(nèi)部保溫?zé)煔夤艿揽傞L近800 m，年節(jié)省費(fèi)用約為9.1 萬。在投資回收年限7 年內(nèi)，總節(jié)省費(fèi)用約63.6 萬元。保溫厚度的增加減少了散熱損失費(fèi)和通風(fēng)系統(tǒng)費(fèi)用，增加了保溫初投資，但是由于通風(fēng)工程運(yùn)行費(fèi)用較高，故總費(fèi)用減少。在實際工程中，應(yīng)優(yōu)先選擇熱導(dǎo)率小、使用壽命長、保溫效率高的優(yōu)質(zhì)保溫材料減少散熱損失進(jìn)而減少環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用。而案例系統(tǒng)設(shè)備僅為風(fēng)機(jī)，不涉及空氣處理和輸送等系統(tǒng)，故通風(fēng)系統(tǒng)的初投資較低。

根據(jù)表2 計算結(jié)果，擬合每米管道總費(fèi)用與年數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，其圖像如圖4（y1和y2分別為傳統(tǒng)和修正保溫計算結(jié)果）所示，其中y1和y2別為傳統(tǒng)和修正保溫計算結(jié)果。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)計算方法相比，修正計算方法由于保溫厚度增大，導(dǎo)致系統(tǒng)總初投資較高，故保溫工程前4 年修正后的總費(fèi)用高于傳統(tǒng)方案。而在第4 年后，修正經(jīng)濟(jì)厚度開始產(chǎn)生收益，并在投資回收期的最后一年（第七年）收益達(dá)到最大，每米管道可節(jié)省795 元。

圖4 每米管道總費(fèi)用與年數(shù)的函數(shù)圖像

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)有“經(jīng)濟(jì)保溫厚度”計算基礎(chǔ)上增加通風(fēng)環(huán)控系統(tǒng)初投資和運(yùn)行費(fèi)用，分別推導(dǎo)了工業(yè)建筑熱力管道和平壁的經(jīng)濟(jì)保溫厚度計算公式。實測調(diào)研某建陶廠的高溫?zé)煔夤艿?，計算其?jīng)濟(jì)厚度，對比發(fā)現(xiàn)：計算案例修正保溫厚度后總費(fèi)用節(jié)省了10.3%，在投資回收年限7 年內(nèi)，總節(jié)省費(fèi)用約為63.6 萬元。通風(fēng)工程運(yùn)行費(fèi)用較高，故在實際工程中應(yīng)優(yōu)先選擇熱導(dǎo)率小、使用壽命長、保溫效率高的優(yōu)質(zhì)保溫材料減少散熱損失進(jìn)而減少環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用。擬合總費(fèi)用與年數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)保溫工程前4 年修正后的總費(fèi)用高于傳統(tǒng)方案，而在第4 年后，修正經(jīng)濟(jì)厚度開始產(chǎn)生收益，并在投資回收期的最后一年（第7 年）收益達(dá)到最大，每米管道可節(jié)省795 元。以此說明在工業(yè)建筑室內(nèi)工業(yè)設(shè)備經(jīng)濟(jì)保溫厚度計算中考慮環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用的必要性。