工業(yè)建筑熱力設(shè)備經(jīng)濟(jì)保溫厚度的優(yōu)化分析

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(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的保溫節(jié)能問(wèn)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(huì)使機(jī)組散熱損失增大，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益[2]。國(guó)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(jì)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(duì)應(yīng)的保溫厚度為“經(jīng)濟(jì)厚度”[4-6]。

為了實(shí)現(xiàn)保溫節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性的雙重目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)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(jì)算式。王志國(guó)[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(zhǎng)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(jì)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(jì)算基礎(chǔ)上考慮了管廊建造費(fèi)用和土地費(fèi)用，對(duì)化工廠管道經(jīng)濟(jì)保溫厚度計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)和實(shí)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(jì)算了最佳保溫厚度。可見(jiàn)目前對(duì)于經(jīng)濟(jì)厚度的研究主要在熱價(jià)和保溫材料價(jià)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(duì)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(lái)改善其熱環(huán)境[13]。因此，考慮環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用對(duì)于廠房?jī)?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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)對(duì)應(yīng)的保溫層厚度δ即為經(jīng)濟(jì)保溫厚度。

對(duì)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?jī)?nèi)熱源僅為保溫工業(yè)設(shè)備，對(duì)其設(shè)備形狀為管道和平壁的經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)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(jià)按式（1）計(jì)算[8]：

式中：S1為管道的年散熱損失費(fèi)用，元/(m·年)；fn為熱價(jià)，元/GJ；t為年運(yùn)行時(shí)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(jì)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(jià)，元/m3；N為保溫工程投資年分?jǐn)偮?，按式?）計(jì)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(jì)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(jì)算[15]；β為房間通風(fēng)系統(tǒng)的單位風(fēng)量造價(jià)，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?，?jì)算方法與N相同，可按式（3）計(jì)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(jì)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(jì)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(jià)，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(zhǎng)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(jì)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(jià)按式（9）計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算式。

2 計(jì)算實(shí)例及分析

2.1 保溫工程計(jì)算實(shí)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(shuō)明修正計(jì)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(lè)山市某建陶廠窯爐車間煙氣管道作為實(shí)例計(jì)算的研究對(duì)象，對(duì)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(jià)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(jià)為1800 元/m3，研究對(duì)象的實(shí)景圖和表面紅外熱成像圖如圖2 和圖3（M1、M4 點(diǎn)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?yàn)槌Ｄ赀\(yùn)行，所以選擇運(yùn)行時(shí)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(jì)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(jì)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(jià)取為1.2 元/(kW·h)。廠區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)單位風(fēng)量造價(jià)按其環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料，綜合取值為980 元/(kg/s)，運(yùn)行負(fù)荷系數(shù)取0.6。計(jì)算參數(shù)匯總見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算已知參數(shù)匯總

2.2 計(jì)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(jì)算厚度相對(duì)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(jì)算年各項(xiàng)費(fèi)用和年總費(fèi)用，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 保溫年計(jì)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(zhǎng)近800 m，年節(jié)省費(fèi)用約為9.1 萬(wàn)。在投資回收年限7 年內(nèi)，總節(jié)省費(fèi)用約63.6 萬(wàn)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(shí)際工程中，應(yīng)優(yōu)先選擇熱導(dǎo)率小、使用壽命長(zhǎng)、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(jì)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(jì)算結(jié)果）所示，其中y1和y2別為傳統(tǒng)和修正保溫計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)計(jì)算方法相比，修正計(jì)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(kāi)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(jì)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(jì)算公式。實(shí)測(cè)調(diào)研某建陶廠的高溫?zé)煔夤艿?，?jì)算其經(jīng)濟(jì)厚度，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：計(jì)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(wàn)元。通風(fēng)工程運(yùn)行費(fèi)用較高，故在實(shí)際工程中應(yīng)優(yōu)先選擇熱導(dǎo)率小、使用壽命長(zhǎng)、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(kāi)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(shuō)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(jì)算中考慮環(huán)控系統(tǒng)費(fèi)用的必要性。