埋地液体管道热损失与保温层经济厚度设计计算书

××市政工程设计研究有限公司埋地液体管道热损失与保温层经济厚度设计计算书——××工业园区集中供热（供冷）管网工程文件编号JS-2026-RE-001设计阶段施工图设计文件类型设计计算书工程规模管网总长约1.2km；设计供/回水温度95/70℃；设计压力1.6MPa建设单位××工业园区管理委员会岗位姓名签字日期编制校核审核批准二〇二六年十一月第16页目录TOC\z\o"1-3"\u\h1编制说明与设计依据 11.1编制目的 11.2适用范围与计算原则 11.3设计依据 11.4计算方法要点 22设计基础资料与计算条件 32.1管道与介质参数 32.2保温结构材料参数 32.3敷设与土壤（环境）参数 32.4经济参数 43埋地管道传热模型与热阻计算 53.1传热过程与热阻网络 53.2总热阻与单位长度散热损失 63.3双管同沟敷设的相互热影响修正 73.4沿程温降计算 84保温层经济厚度设计 94.1经济厚度的基本原理 94.2计算过程与结果 94.3厚度圆整与规格选取 104.4与规范闭式公式的对比 104.5表面温度法与最大允许散热损失法复核 115安全核验 125.1介质出口温度（温降）核验 125.2保温结构外表面温度（防烫伤）核验 125.3单位长度及单位面积散热损失核验 125.4管道强度与稳定性核验（引用） 125.5防水、防潮与防腐核验 125.6热桥与附件保温核验 136结果分析与工程指导意义 146.1计算结果汇总 146.2敏感性分析 146.3工程指导意义 156.4结论 157免责声明 161编制说明与设计依据1.1编制目的本计算书针对××工业园区集中供热（供冷）管网工程中埋地敷设的高温热水管道，对其散热损失与保温层厚度进行系统计算与设计。计算目的如下：（1）建立埋地管道的稳态传热模型，计算保温结构各层热阻与单位长度散热损失；（2）在满足介质允许温降、防烫伤及最大允许散热损失等约束条件下，以全寿命周期年费用最小为目标，确定保温层的经济厚度；（3）对所选保温结构进行外表面温度、散热损失、温降及结构可靠性核验，为预制直埋保温管选型、施工图设计与工程量清单编制提供计算依据。1.2适用范围与计算原则本计算书适用于设计温度不大于120℃、设计压力不大于1.6MPa、采用“钢管—保温层—外护管”一体化的工厂预制直埋保温管敷设的液体管道。计算遵循以下原则：保温层厚度原则上按经济厚度法确定；当经济厚度对应的散热损失超过规范规定的最大允许散热损失时，按最大允许散热损失确定；人员可触及部位的保温结构外表面温度不得大于50℃（环境温度不高于25℃时）。1.3设计依据本计算书依据下列现行国家标准、行业标准及资料：GB/T8175—2025《设备及管道绝热设计导则》GB50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》GB/T4272—2024《设备及管道绝热技术通则》GB/T29047—2021《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》CJ/T114—2000《高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管》CJJ/T34—2022《城镇供热管网设计标准》CJJ/T81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》GB50176—2016《民用建筑热工设计规范》GB50126—2008《工业设备及管道绝热工程施工规范》GB50019—2015《工业建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50316—2000（2008年版）《工业金属管道设计规范》17R410《热水管道直埋敷设》（国家建筑标准设计图集）1.4计算方法要点埋地管道的散热为一维径向导热与土壤导热相耦合的稳态传热问题。计算将管壁、保温层、外护管及周围土壤视为沿半径方向串联的热阻网络，按总温差除以总热阻求得单位长度散热损失；土壤热阻采用福希海默（Forchheimer）埋管公式并计入地表散热的埋深修正。经济厚度以年散热损失费用与保温工程投资年摊销费用之和最小为判据，采用数值迭代求解，并以圆筒型闭式公式、表面温度法与最大允许散热损失法进行交叉复核。2设计基础资料与计算条件2.1管道与介质参数管道及输送介质的设计参数见表2-1。表2-1管道与介质设计参数序号参数名称符号数值单位1工作钢管公称直径DN300mm2工作钢管外径D00.325m3工作钢管壁厚δw7.5mm4工作钢管内径di0.310m5管材—20#无缝钢管—6介质（高温热水）设计温度Tm95℃7设计回水温度Tr70℃8设计质量流量Gm250t/h9介质比热容c4.187kJ/(kg·K)10计算管段长度L1000m2.2保温结构材料参数保温结构采用硬质聚氨酯泡沫塑料保温层与高密度聚乙烯（HDPE）外护管，材料性能见表2-2。外护管壁薄且导热系数较大，其热阻忽略不计。表2-2保温结构材料参数序号材料/构件性能参数符号数值单位1聚氨酯保温层导热系数（平均温度50℃）λ0.033W/(m·K)2聚氨酯保温层密度ρ≥60kg/m³3聚氨酯保温层闭孔率—≥90%4高密度聚乙烯外护管导热系数（热阻忽略）λp0.40W/(m·K)5钢材导热系数λw45W/(m·K)2.3敷设与土壤（环境）参数管道采用直埋敷设，管顶覆土厚度不小于1.0m。土壤与敷设参数见表2-3。按CJJ/T34—2022的规定，当管道中心埋深大于2倍保温层外径时，环境温度取管道中心埋深处的土壤自然温度。表2-3敷设与土壤（环境）参数序号参数名称符号数值单位1管道中心埋深h1.8m2土壤导热系数λs1.5W/(m·K)3土壤自然温度（冬季）Tg8℃4地表换热系数αg15W/(m²·K)5地面环境空气温度（校核）Ta25℃6保温结构外表面换热系数αs11.6W/(m²·K)7供、回水管道中心距b0.645m2.4经济参数经济厚度计算所采用的经济参数见表2-4。表2-4经济参数序号参数名称符号数值单位1热价（能量价格）PE50元/GJ2年运行时间t6000h3保温结构单位造价PT4200元/m³4年利率（复利）i6%5设计使用年限n15a6投资年摊销率S0.1030—投资年摊销率按复利公式计算，即： S=i式中：S——投资年摊销率；i——年利率（复利），取6%；n——设计使用年限，取15a。代入数值得S=0.1030。3埋地管道传热模型与热阻计算3.1传热过程与热阻网络埋地管道在稳态工况下，介质热量依次经过以下环节散入周围环境：介质与工作管内壁的对流换热、工作管壁的导热、保温层的导热、外护管导热（热阻忽略）以及由外护管外表面经土壤至地表的导热。各环节可视作串联热阻，介质与土壤自然温度之差即为该热阻网络的总温差。一般情况下保温层热阻与土壤热阻为主导热阻，管壁热阻与内表面对流热阻相对很小。以温度差与总热阻之比表示单位长度管道的散热损失，模型表达式如下。（1）工作管内表面换热热阻： Ri式中：Ri——工作管内表面换热热阻，(m·K)/W；π——圆周率，取3.1416；di——工作管内径，m；αi——介质与管内壁的对流换热系数，W/(m²·K)，水介质取2000。（2）工作管壁热阻： Rw式中：Rw——工作管壁热阻，(m·K)/W；d0——工作管外径，mλw——工作管管材导热系数，W/(m·K)，钢材取45。（3）保温层热阻： Rins式中：Rins——保温层热阻，(m·K)/W；D1——保温层（含外护管）外径，m；D0——工作管外径（保温层内径），m；λ——保温材料在工作温度下的导热系数，W/(m·K)。（4）土壤热阻：埋地管道周围土壤的导热热阻按福希海默（Forchheimer）埋管公式计算，并计入地表向大气散热引起的埋深修正，即： Rs H=h+λ式中：Rs——土壤热阻，(m·K)/W；λs——土壤导热系数，W/(m·K)，取1.5；H——考虑地表散热修正的当量埋深，m；h——管道中心埋深，m，取1.8；αg——地表与大气的换热系数，W/(m²·K)，取15。3.2总热阻与单位长度散热损失各串联热阻叠加得到总热阻，单位长度管道散热损失等于温差与总热阻之比： Rt q=T Q=qL (3-8)式中：Rt——保温结构及土壤的总热阻，(m·K)/W；q——单位长度散热损失，W/m；Tm——介质设计温度，℃，取95；Tg——管道中心处土壤自然温度，℃，取8；Q——计算管段总散热损失，W；L——计算管段长度，m，取1000。将D0=0.325m、di=0.310m、D1=0.445m（对应取定保温层厚度60mm，见第4章）及各项参数代入式（3-1）～式（3-8），各热阻与散热损失计算结果见表3-1。表3-1热阻与散热损失计算结果序号计算项目符号数值单位1工作管内表面换热热阻Ri5.13×10⁻⁴(m·K)/W2工作管壁热阻Rw1.67×10⁻⁴(m·K)/W3保温层热阻Rins1.5156(m·K)/W4土壤热阻Rs0.3007(m·K)/W5总热阻Rt1.8170(m·K)/W6单位长度散热损失q47.88W/m7计算管段总散热损失Q47.88kW由表3-1可见，保温层热阻占总热阻的约83.4%，土壤热阻占16.6%，二者合计约100.0%，是控制散热损失的主导环节；管壁热阻与内表面对流热阻合计不足0.1%，在工程精度范围内可忽略，但为完整反映传热过程仍予以计入。3.3双管同沟敷设的相互热影响修正供、回水管道同沟敷设时间距较小，管道之间通过土壤发生热耦合，宜计入相互热影响。两管间的耦合当量热阻及修正后的散热损失按下式计算： R0 q1式中：R0——供、回水管道间土壤耦合当量热阻，(m·K)/W；b——供、回水管道中心距，m，取0.645；q1——管道1（供水管）单位长度散热损失，W/mR1、R2——供水管、回水管除土壤热阻外的热阻之和，(m·KT1、T2——供水管、回水管内介质温度，代入参数计算得：耦合当量热阻R0=0.2609(m·K)/W；供水管单位长度散热损失q1=43.89W/m，回水管单位长度散热损失q2=27.82W/m，双管合计71.71W/m。与不计耦合时按单管计算的两管散热损失之和（2×47.88=95.76W/m）相比，双管耦合使总散热损失降低约25.1%，说明同沟敷设具有相互保温效应，故本设计按单管热损失取值是偏于安全的。3.4沿程温降计算对于直埋管道，介质沿管长方向温度随散热而逐渐降低。取微元段作热平衡，可得介质温度沿程的指数衰减规律，即： Tx式中：Tx——距起点x处的介质温度，℃T∈——管段起点介质温度，℃，取95G——介质的质量流量，kg/s，取69.444（对应250t/h）；c——介质比热容，J/(kg·K)，取4187；x——距管段起点的距离，m。令x=L=1000m，代入参数计算得管段末端介质温度Tout=94.84℃，沿程温降ΔT=0.16℃。可见在设计保温层厚度下，1000m管段的温降很小，保温效果良好，能够满足工艺对介质温度稳定的要求。4保温层经济厚度设计4.1经济厚度的基本原理保温层厚度增大，一方面增大保温工程的一次投资及其年摊销费用，另一方面降低散热损失、减少运行热费。经济厚度即为年散热损失费用与保温工程投资年摊销费用之和（即年总费用）最小时的保温层厚度。其目标函数为： C=C Ch Ct式中：C——年总费用，元/(m·a)；Ch——年散热损失费用，元/(m·a)；Ct——保温工程投资年摊销费用，元/(m·a)；PE——热价（能量价格），元/GJ，取50；t——年运行时间，h，取6000；qδ——对应保温层厚度δ的单位长度散热损失，W/mPT——保温结构单位造价，元/m³，取4200；S——投资年摊销率，取0.1030；D1、D0——保温层外径、工作管外径，由于式（4-2）中的q与厚度δ之间为对数关系（见式3-3、式3-4、式3-7），目标函数为单峰函数，采用数值扫描与精细迭代相结合的方法在δ∈(0,500)mm区间内搜索最小值，收敛精度优于0.1mm。4.2计算过程与结果以10mm为步长初扫、0.05mm为步长精扫，得到不同保温层厚度对应的单位长度散热损失与年费用，见表4-1。表4-1不同保温层厚度的年费用对比保温层厚度

δ/mm保温层外径

D1/m单位散热损失

q/(W·m⁻¹)年散热费用

元·m⁻¹·a⁻¹年摊销费用

元·m⁻¹·a⁻¹年总费用

元·m⁻¹·a⁻¹400.40563.3768.4419.8488.28500.42554.3758.7225.4784.19600.44547.8851.7131.3883.09700.46542.9846.4237.5683.98800.48539.1442.2744.0286.291000.52533.5036.1957.7493.92由表4-1可见，年散热损失费用随厚度增大而减小，年摊销费用随厚度增大而增大，二者之和在δ≈60mm附近取得最小值。数值迭代求得经济厚度δ*=59.9mm，对应年总费用约83.09元/(m·a)，其中年散热费用51.76元/(m·a)、年摊销费用31.34元/(m·a)。4.3厚度圆整与规格选取预制直埋保温管的保温层厚度按CJ/T114的规定以5mm为级差供货。经济厚度δ*=59.9mm圆整后取设计保温层厚度δ=60mm，对应保温层（含外护管）外径D1=0.445m。该厚度不大于表4-1所示的经济厚度最优值，圆整方向偏于经济，兼顾了工程通用规格与施工便利。据此选定的保温结构为：工作管Φ325×7.5mm（20#无缝钢管）＋硬质聚氨酯泡沫塑料保温层（δ=60mm，密度≥60kg/m³，闭孔率≥90%）＋高密度聚乙烯外护管，构成一体化的预制直埋保温管。4.4与规范闭式公式的对比GB50264—2013第5.3.2条给出了圆筒型绝热层经济厚度的闭式计算公式（以空气为环境介质）： D1式中：T0——管道（保温层内表面）温度，℃Ta——环境温度，℃，空气环境取25；αs——保温层外表面与空气的换热系数，W/(m²·K)，取11.6；其余符号同前（λ为保温材料导热系数，PE单位取元/GJ）。按式（4-4）计算得到闭式解对应的经济厚度约62.4mm（空气环境）。该结果与本计算书按埋地土壤热阻模型数值求解的结果（59.9mm）量级一致：埋地条件下因土壤热阻使散热损失降低、介质与环境温差增大，两种模型综合后的最优厚度接近，相互印证了经济厚度取值的合理性。4.5表面温度法与最大允许散热损失法复核（1）表面温度法。对于人员可触及的部位，保温层厚度应按保温结构外表面温度不超过50℃控制，圆筒型管道按下式计算： D1式中：Ts——保温结构外表面控制温度，℃；其余符号同前。代入Ts=50℃、Ta=25℃计算得δ=5.0mm，远小于经济厚度，说明本工程防烫伤要求不控制保温层厚度。（2）最大允许散热损失法。按GB50264—2013附录B，保温结构以绝热层外表面积表示的最大允许散热损失量应满足规范限值[Q]。以每平方米绝热层外表面积表示的散热损失按下式控制： D1式中：[Q]——以绝热层外表面积表示的最大允许散热损失量，W/m²。对于介质温度95℃，按GB/T4272数据内插取[Q]=93W/m²；Ta取土壤自然温度8℃。代入计算得δ=26.0mm，小于经济厚度，说明散热损失限值亦不控制保温层厚度。综上，本工程保温层厚度由经济厚度控制，取δ=60mm。5安全核验5.1介质出口温度（温降）核验按式（3-11），计算管段末端介质温度为94.84℃，沿程温降为0.16℃，小于工程设计允许温降5℃/km，满足介质输送的温度要求。温降核验合格。5.2保温结构外表面温度（防烫伤）核验直埋工况下，外护管外表面温度等于土壤自然温度与土壤热阻上温升之和，即： Tc代入计算得外护管外表面温度Tc=22.40℃，远低于50℃的限值。对于地上过渡段及阀室等人员可触及部位，按式（4-5）计算的防烫伤所需厚度仅5.0mm，取定的60mm保温层可使外表面温度不超过50℃，防烫伤核验合格。5.3单位长度及单位面积散热损失核验单位长度散热损失q=47.88W/m；折算为单位绝热层外表面积散热损失q/(πD1)=34.25W/m²，小于介质温度95℃对应的最大允许散热损失量[Q]=93W/m²，散热损失核验合格。5.4管道强度与稳定性核验（引用）工作钢管的壁厚、许用应力、热伸长及局部稳定、径向稳定验算分别按GB50316、CJJ/T81及GB/T29047的规定进行，不属于本计算书范围。本计算书选定的60mm保温层与Φ325×7.5mm工作管、HDPE外护管相匹配，其组合规格在GB/T29047规定的常用规格范围内，满足结构稳定性与承载要求。5.5防水、防潮与防腐核验保温结构采用闭孔率不低于90%的硬质聚氨酯泡沫塑料，配套高密度聚乙烯外护管形成整体防水结构，可有效阻止地下水浸入；外护管接缝采用热熔焊接，成品整体密封。工作管外壁除锈等级不低于Sa2½级，保温前涂刷耐温防腐底漆。上述措施满足GB50126对直埋保温管防水、防潮与防腐的要求。5.6热桥与附件保温核验对弯头、三通、阀门、补偿器及固定支架等热桥部位，采用与直管段同厚度或加厚的成型保温件，避免因保温层不连续造成局部热流密度显著增大；直管段每隔10m～20m及弯头处预留伸缩缝，缝内填充柔性保温材料，外防水层搭接密封。附件部位经上述处理后，其散热损失与直管段保持同一控制水平，满足GB/T8175—2025对节点特殊处理的构造要求。6结果分析与工程指导意义6.1计算结果汇总表6-1设计计算结果汇总序号计算项目符号结果单位1设计保温层厚度δ60mm2保温层（含外护管）外径D10.445m3总热阻Rt1.8170(m·K)/W4单位长度散热损失q47.88W/m5计算管段总散热损失Q47.88kW6管段末端介质温度Tout94.84℃7沿程温降ΔT0.16℃8外护管外表面温度Tc22.40℃9单位长度年总费用C83.09元/(m·a)10年散热损失费用Ch51.71元/(m·a)11年投资摊销费用Ct31.38元/(m·a)6.2敏感性分析为考察主要参数对经济厚度与散热损失的影响，对热价PE、保温结构单位造价PT、保温材料导热系数λ及土壤温度Tg分别取基准值±20%（或指定工况）进行敏感性分析，结果见表6-2。表6-2敏感性分析结果变化工况经济厚度δ*/mm60mm时散热损失q/(W·m⁻¹)基准工况59.947.9热价P_E+20%65.847.9热价P_E−20%53.347.9单位造价P_T+20%54.547.9单位造价P_T−20%67.147.9导热系数λ+20%63.655.6导热系数λ−20%55.539.6土壤温度T_g=0℃62.752.3土壤温度T_g=16℃57.043.5分析结果表明：（1）经济厚度对热价PE与单位造价PT较为敏感，PE增大20%时经济厚度增大至65.8mm，PT增大20%时经济厚度减小至54.5mm，符合经济厚度随热价升高而增厚、随造价升高而减薄的规律；（2）导热系数λ同时影响经济厚度与散热损失，λ增大20%时经济厚度增至63.6mm、60mm对应的散热损失增大至55.6W/m，说明保温材料的导热系数是控制散热损失的关键参数；（3）土壤温度Tg对经济厚度的最优值影