由熱傳遞速率談供暖水管改造的必要性

莊紹林

摘 要：傳統(tǒng)的水暖供熱管道，是輸送管道與回水管道各自獨立，浪費能源及材料。改為輸送管道與回水管合為外觀一體。輸送管道置于回水管道的軸心。利用輸送管道的外壁與回水管道的內(nèi)壁空間回水。這樣降低輸送管道水與外界溫差，達(dá)到節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞：熱傳遞速率;供暖水管改造;溫差值;回水管軸心;節(jié)能效率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.095

1 溫差與熱傳遞速率的關(guān)系

青山綠水是金山銀山，要綠水青山，節(jié)能是比較有效的措施。從何入手節(jié)能？是應(yīng)該研究的重要課題。本文就熱傳遞速率與節(jié)能的關(guān)系，談供暖水管改造的必要性。

先分析一個現(xiàn)象，中國北方，春季室內(nèi)氣溫在16℃左右徘徊，但感覺不太冷;冬季，盡管室內(nèi)溫度達(dá)到16℃，但很不舒服。都是16℃，為何感覺不一樣呢？

熱傳遞能量的計算式之一是：Q=cm△T或，其中C為物體吸熱或放熱的比熱容，m為物體的質(zhì)量，△T為物體升溫或降溫的溫度變化量或稱之為溫差值。在升溫（吸熱）或降溫（放熱）過程中，其比熱容及質(zhì)量為常數(shù)，引起Q（函數(shù)）的自變量是△T，此式將cm改為常數(shù)tga，則Q=tga△T，用圖像表示。即熱量的吸收釋放多少由△T溫差決定，而不是某時刻的即時溫度決定?！鱐越小，Q吸或Q放越小。

假如人處于某一室內(nèi)，春季室內(nèi)溫度為16℃，即T春室內(nèi)=16℃，室外由于是春季，基本也是16℃，即T春室外=16℃，即室內(nèi)與室外的溫差是T春室內(nèi)-T春室外=16℃-16℃=0，即△T春=0，Q春=cm△T=0，可以說室內(nèi)熱量Q=K△T春=K0=0，熱能基本無耗散，室內(nèi)溫度基本不降低。而冬季由于室內(nèi)溫度也是16℃，T冬室內(nèi)=16℃，而室外則是-10℃，即T冬室外= -10℃，則室內(nèi)與室外的溫差值是△T冬=T冬室內(nèi)-T冬室外=16℃-（-10℃）=26度， Q冬=K△T冬=26K度，顯然是△T冬>>△T春， Q冬>>Q春，冬季室內(nèi)要向外放熱，降低了室內(nèi)熱能，引起室內(nèi)溫度下降，使人感到不舒適。

2 減少熱傳遞速率是節(jié)能保溫的重要措施

再看一下，溫差與熱傳遞速率的關(guān)系。如果要節(jié)能保溫，應(yīng)該盡量降低熱傳遞速率，這是為什么呢？我們先從經(jīng)典力學(xué)上分析，經(jīng)典力學(xué)中，在自由落體運動中，物體降落的平均速率的大小顯然與物體落差有關(guān)，而高度差與勢能差成正比，高度差越大，平均速率就越大，反之，平均速率越小。熱傳遞也是能量的轉(zhuǎn)移，即一種物體的熱能傳遞到另一種物體上，傳遞的平均速率與兩物體間的溫差（也是能量差）有密切關(guān)系。溫度是分子的平均動能的標(biāo)志，即溫差越大，平均動能差越大，平均動能差表示式是0.5mV2，顯然，溫差值越大，平均動能差就（0.5mv12-0.5mv22）越大，分子平均速率越大。

3 新型水暖輸水管可節(jié)省能源

因此，能量差越大，溫度差越大，熱傳遞平均速率也越大。要節(jié)能保溫，那就要想方設(shè)法采取有效措施降低熱傳遞速率。減少兩種物體間的溫差值，例如提高吸收能量的物體的溫度值，降低△T，從而降低熱傳遞速率。目前供暖水管是送水管與回水管不同心，各自獨立，送水管與回水管分兩路放置，分別加保溫層。無論送水管還是回水管，吸熱的物體都受管外環(huán)境的溫度影響，環(huán)境溫度一般會低于送水管及回水管的溫度值。這樣對送水管來講，其溫差值是送水管溫度值與環(huán)境溫度值之差。若將送水管置于回水管內(nèi)，兩水管是同心，送水管置于回水管軸心，送水管相對回水管溫差值即小于送水管與環(huán)境溫度之差值，因回水管之水溫值大于環(huán)境溫度值，則△T回相對變小，能夠節(jié)能。溫差△T送回=T輸-T回;而回水管與環(huán)境的溫差值是△T回=T回-T環(huán)境，由于T回>T環(huán)，故△T輸=T輸-T回，由于T回>T環(huán)境，顯然△T/輸環(huán)境=T輸-T環(huán)境，要大于△T輸回=T輸-T回;這樣送水管與回水管中只有回水管的溫差值與環(huán)境溫度有關(guān)系。輸水管熱損失相對小，節(jié)能效果好。其截面圖如下，圖中的3為回水管道，圖中的2為輸送水管道，圖中的4為送水管中的熱水，圖中的1為回水管內(nèi)的溫水。圖中的5為絕熱材料，防止回水管內(nèi)溫水吸收送水管道內(nèi)熱水能量，圖中的6是支架。這樣，輸送水管2的水不接觸大氣環(huán)境，接觸的是回水管內(nèi)的水，其水溫相對大氣環(huán)境要高，因此熱損失相對變小，明顯節(jié)省能量。

根據(jù)中國北方某地的數(shù)據(jù)，淺算一下節(jié)能情況。在冬季，北方某地的室外溫度是-18℃，供熱輸水溫度在58℃，回水溫度40℃，其T輸=58℃，T回=40℃，T環(huán)境=-18℃，若采用同心輸回水管，則是△T=T輸-T回=58℃-40℃=18度，若傳統(tǒng)送回水管則T輸環(huán)=T輸-T環(huán)=58℃-（-18℃）=76度。

節(jié)能效率：△T輸環(huán)/△T輸回=76/18=4，可見節(jié)能效果顯著。

增大熱傳遞障礙，也是降低熱傳遞速率的方式。在上述例子中，若在輸送水管外壁采用包溫材料，像阻熱塑料聚脂發(fā)泡，增加熱傳遞障礙，或抽成真空使其傳遞速率更低，進(jìn)一步節(jié)能。

另外，由于采用送回水管同心，這樣只采用一套支架，不僅節(jié)能，還省工省料。

此輸水管長度一般20米為單位，多條輸水管連接可采用塑焊法.在分支、轉(zhuǎn)向之前插入回水管之軸心中。也可以采用市售成品PP、PPR、PEX管，后套專用支架，節(jié)省投資。

至于分支或改向方式，另行設(shè)計。

因此可見，為節(jié)能保溫，應(yīng)盡量減少溫差值，降低熱傳遞速率，采用同心輸送回水管供暖是比較節(jié)能的方案，是降低溫差值，降低熱傳遞速率理論的應(yīng)用之一。改造傳統(tǒng)的供暖水管，節(jié)省能源。