Excel迭代在冷水管道绝热层厚度计算中的应用

郈爱杰 张 涛 沈 程

Excel迭代在冷水管道绝热层厚度计算中的应用

郈爱杰 张 涛 沈 程

（中国汽车工业工程有限公司 天津 300013）

根据GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》（以下简称《规范》）和GB/T 8175《设备及管道绝热设计导则》（以下简称《导则》）的相关计算公式和参数确定方法，以柳州地区冷水管道绝热为例，采用Excel表格迭代的方法，计算了柔性泡沫橡塑、离心玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫作为冷水管道绝热材料时的绝热层厚度。该计算方法具有简便、快捷、准确的优点，计算结果与文献数据有较好的一致性。

管道绝热；Excel表格迭代计算；绝热层厚度

0 前言

空调系统通过管道，以输送低温或高温介质的形式为末端提供冷量或热量，管道绝热是防止输送过程中能量过多损失、节约能源、实现节能的重要技术措施。

1 公式及参数选择

1.1 经济绝热层厚度计算

以单根敷设的圆筒型单层绝热为例[3,4]，按绝热层经济厚度计算时，冷水管道绝热层外径1应满足公式（1）的要求：

为绝热层外表面与周围空气的换热系数，W/(m2·K)，经济厚度计算中，按式（3）取值：

为绝热材料在平均温度下的导热系数，W/(m·K)，取值见表2；t为绝热材料内、外表面温度的平均值。表2中导热系数随温度的变化可表示为式（4）：

式（4）中，0为绝热材料0℃时的导热系数；为常数；T、0为材料的内、外表面温度。T取冷冻水供水温度7℃，0可由式（5）[3,5]计算得到：

经计算，柳州地区柔性泡沫橡塑、离心玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫绝热层的外表面温度分别为19.6℃、20.0℃、19.8℃；t分别为13.3℃、13.5℃、13.4℃；对应的值分别为0.0357W/(m·K)、0.0333W/(m·K)、0.0287W/(m·K)。

表1 绝热结构单位造价[1]

表2 常用绝热材料性能表[1]

1.2 防结露绝热层厚度计算

以单根敷设的圆筒型单层绝热为例[3]，按防结露绝热层厚度计算时，冷水管道绝热层外径1应满足公式（6）的要求：

由公式（1）和（6）计算得到绝热层外径1，进一步由式（7）可计算得到冷水管道保冷绝热层厚度c：

2 迭代计算方法

冷水管道绝热层厚度计算公式（1）和（6）均为超越方程，需要迭代求解。本文采用Excel表格自带的迭代工具，计算管道保冷绝热层厚度，满足工程精度的同时，具有简单、快捷等优势，提高了设计效率。Excel表格迭代计算步骤为：改写目标方程、Excel表格迭代计算。

2.1 改写目标方程

公式（1）和（6）等式的右侧均为常数，可在本文第1部分“公式及参数选择”的基础上求得，分别设为1和2，则公式（1）和（6）可改写为如下目标方程形式：

式（9）和（10）中，绝热层外径1为自由变量。

2.2 Excel表格迭代计算

（1）如图1所示，Excel表格迭代计算路径为“数据—模拟分析—单变量求解”，这里的单变量即为冷水管道外径1。

（2）根据冷水管道外径0，预设初值1，在Excel表格“目标单元格”中输入公式（9）或（10），得到的数值作为“目标单元格值”，该“目标单元格”的“目标值”为0，二者差值则表示了迭代计算的精度水平。迭代计算时，按照（1）中所述的计算路径，目标值与可变单元格的设置如图2所示。

（3）迭代计算过程与结果如图3、4所示，计算结束时，“目标单元格值”接近为0，对应的1即为要求的冷水管道外径。需要说明的是，实际计算中“目标单元格值”多在10-5以下，符合实际工程的精度要求。

图1 Excel表格迭代路径

图2 目标值与可变单元格值设置

图3 第1次迭代计算

图4 迭代结果的得到

若实际工程要求迭代计算精度更高，则可采用Excel表格进行手动迭代计算。将公式（9）改写为如下形式：

如图5所示，以公称直径DN700为例，管道外径D0为0.73m，绝热层外径D1预设初值0.8m，由公式（11）计算得到新绝热层外径D1，迭代精度为每次迭代预设D1与新绝热层外径D1的差值。第一次迭代得到的“新绝热层外径D1”作为第二次迭代的预设D1，计算结果再赋值给第三次迭代预设D1，达到要求的迭代精度时结束计算，进而求得管道的绝热层厚度。

3 结果及分析

采用Excel表格迭代方法，分别计算了柳州地区冷水管道绝热时柔性泡沫橡塑、离心玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫等绝热材料的绝热层经济厚度与防结露厚度，并通过比较确定了管道保冷时绝热层的厚度。

经计算，冷水管道绝热材料为柔性泡沫橡塑时，相比防结露厚度，绝热层经济厚度较小，绝热层厚度取为防结露厚度，计算结果详见表3。

表3 柔性泡沫橡塑绝热防结露厚度计算

续表3 柔性泡沫橡塑绝热防结露厚度计算

离心玻璃棉用作冷水管道绝热材料时，经计算绝热层厚度按经济厚度确定，计算结果详见表4。

硬质聚氨酯泡沫已广泛用于冰蓄冷等冷水管道的绝热材料，低温状态下具有良好的绝热与隔汽性能。硬质聚氨酯泡沫用作冷水管道绝热材料时，经计算绝热层厚度按防结露厚度确定，计算结果详见表5。

表4 离心玻璃棉绝热经济厚度计算

续表4 离心玻璃棉绝热经济厚度计算

表5 硬质聚氨酯泡沫绝热防结露厚度计算

4 结语

本文采用Excel表格迭代的方法，以柳州地区冷水管道保冷绝热为例，分别计算了柔性泡沫橡塑、离心玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫作为冷水管道绝热材料时的绝热层厚度，得到如下结论：

（2）经计算得到：柳州地区柔性泡沫橡塑、离心玻璃棉、硬质聚氨酯泡沫用作冷水管道绝热材料时，绝热层厚度分别按防结露厚度、经济厚度、防结露厚度确定，考虑修正因子取值的不同等因素，计算结果与文献数据[1]具有较好的一致性。

[1] 寿炜炜.GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》管道与设备绝热厚度的修订[J].暖通空调,2015,45(10): 34-40.

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[3] 杜义明,王为民,王亮,等.迭代法计算制冷管道保冷层经济厚度[J].辽宁石油化工大学学报,2013,33(1):64-68.

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[5] 路延魁.保冷绝热层经济厚度的探讨[J].洁净与空调技术,2001,(1):12-15.

The Application of Excel Iteration in Calculation of Insulation Layer Thickness of Cold Water Pipeline

Hou Aijie Zhang Tao Shen Cheng

( China Automotive Engineering Corporation, Tianjin, 300013 )

According to the relevant calculation formulas and methods of parameter determined which are from GB50264-2013 Industrial Equipment and Pipeline Thermal Insulation Engineering Design Specification" (hereinafter referred to as "Specifications") and GB/T8175 Guidelines for Equipment and Pipeline Thermal Insulation Design (hereinafter referred to as "Guidelines"), and taking the cold water pipeline insulation in Liuzhou area as an example, the iterative method of Excel table is used to calculate the thickness of the insulation layer when flexible foam rubber, centrifugal glass wool and rigid polyurethane foam are used as insulation materials for cold water pipelines. The iteration calculation method is simple, fast and accurate，and in good agreement with the data from specification.

pipeline insulation; excel iteration calculation; insulation layer thickness

TU86

B

1671-6612（2019）05-502-07

郈爱杰（1988.12-），男，工程硕士，工程师，E-mail：houaijie1218@163.com

2019-08-09