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塑料類管材應用于住宅熱介質管道的若干問題

09-03 12:40:15  瀏覽次數:930次  欄目:暖通空調
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  1、適合于輸送熱介質的塑料類管材

  1999年12月,建設部、國家經貿委、質量技監局和建材局,聯合下達了《關于在住宅建設中淘汰落后產品的通知》,其中提到:自2000年6月1日起,在城鎮新建住宅建設中,禁止使用冷鍍鋅鋼管用于室內給水管道,并根據當地實際情況逐步限時禁止使用熱鍍鋅鋼管, 推廣應用鋁塑復合管、交聯聚乙烯(PE-X)管、三型無規共聚聚丙烯(PP-R)管等新型管材,有條件的地方也可推廣應用銅管。

  塑料類管材可用以輸送多種介質,由于其生產過程的低能耗和低污染、較小的水阻力、便于施工安裝、價格有較大下降空間,以及在質量能確保和應用得當的條件下有較長使用壽命等優點,將會得到廣泛的應用。

  硬質聚氯乙烯(PVC-U)管已逐步替代鑄鐵管廣泛應用于排水管道。室外地下埋設的燃氣管已開始采用高密度聚乙烯(HDPE)管。冷水管則可采用價位較低的中密度聚乙烯(MDPE)管、低密度聚乙烯(LDPE)管、均聚聚丙烯(PP-H)管、嵌段共聚聚丙烯(PP-B)管或承壓硬質聚氯乙烯(PVC-U)管等。可見,上述《通知》所推廣應用的,主要是指適合于輸送熱介質的塑料類管材。此類管材目前較為可靠的有以下四種:

  (1)交聯鋁塑復合管。內層和外層為密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物、中間層為增強鋁管、層間用熱熔膠緊密粘合為一體的管材。用作輸送熱水時,內外層應為交聯聚乙烯,稱為交聯鋁塑復合管,通常以XPAP標記。

  (2)聚丁烯管。由聚丁烯-1樹脂添加適量助劑,經擠出成型的熱塑性管材,稱為聚丁烯管,通常以PB標記。

  (3)交聯聚乙烯管。以密度≥0.94 g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物,添加適量助劑,通過化學的或物理的方法, 使其線型的大分子交聯成三維網狀的大分子結構,由此種材料制成的管材,稱為交聯聚乙烯管,通常以PE-X標記。

  (4)無規共聚聚丙烯管。以丙烯和適量乙烯的無規共聚物,添加適量助劑,經擠出成型的熱塑性管材,稱為無規共聚聚丙烯管,通常以PP-R標記。有些生產廠或供應商稱之為“改性丙烯管”,并以PP-C標記,這是不規范的含糊稱謂。

  2、輸送熱介質的塑料類管材在住宅中的主要應用前景是戶內供暖系統由于生活熱水系統戶內管系長度有限,每平方米建筑面積的管材使用量,約僅為0.2m.因此,其主要用途應是戶內供暖系統。

  據一份對歐洲24個國家1997年塑料管市場的調查材料,在總應用量中:聚氯乙烯(PVC)管約占60.6%, 各種密度的聚乙烯(PE)管,約占32.6%,各型聚丙烯(PP)管約占4.9%,交聯聚乙烯(PE-X)管僅約占1.1%。其中PP-R管和PE-X管,幾乎全部用于戶內供暖系統。

  輸送熱介質的塑料類管材在住宅供暖系統中的主要用途是:

  (1)集中供暖住宅分戶熱計量的戶內系統

  從能源總效率、供暖質量、環境保護、防火和安全保障、衛生條件、建筑造價和供暖費用等諸多因素, 集中供暖具有明顯優勢。集中供暖住宅必然要逐步實施分戶熱計量。新建住宅分戶熱計量的主要途徑, 是采用“一戶一表”的分戶獨立系統方式。此種戶內系統管道, 有布置本層頂板下、布置在本層地面上或鑲嵌于踢腳板內和布置在本層地面下墊層內的幾種方式。綜合各地的試點方案, 在建筑層高受限和居住者對裝飾要求日趨高擋的情況下, 布置在地面下墊層內的方式, 較易被接受,已成為主流的布置方式……

  布置在地面下的墊層內的管道,不論采用下供下回雙管式、水平串聯單管跨越式或放射雙管式(或稱“章魚式”)的配管方式, 都要求管道有較長的使用壽命、較小的墊層厚度和較為簡便的安裝方法,并避免在墊層內有連接管件,因此不宜采用鋼管,只能采用塑料類管材。

  (2)分戶獨立熱源供暖系統

  在具備多種能源供應條件的地區,集中供暖會與多種供暖熱源和方式并存,例如:以燃氣或電熱為熱源的分戶獨立式供暖。此種熱源的供暖系統制式,同采用集中供暖“一戶一表”的分戶獨立系統是相同的。

  據典型工程的推算,上述兩種分戶獨立系統每平方米建筑面積的管材使用量約為1m.

  (3)低溫熱水地板輻射供暖系統

  無論集中供暖還是單戶獨立熱源供暖,都可采用具有舒適、節能和有利于裝飾等顯著優點的低溫熱水地板輻射供暖。輻射供暖方式形成的較合理的室內溫度場分布和等效熱效應,不僅比傳統的散熱器對流供暖方式有較好的舒適度,還可節約熱能約10%左右。相對于鑄鐵散熱器或其它散熱器加罩等陳舊的供暖設施,地板輻射供暖更能適應居住者對于建筑裝飾的要求。與按標準散熱量計算的價格在0.5元/W以上的普通散熱器供暖方式相比,綜合經濟比較并不處于劣勢。

  分戶獨立系統如需在地面墊層內敷設管道時,采用地板輻射供暖就更有較大優勢,除上述優點外,還由于需在樓板基底上鋪設保溫層,可部分減少分戶熱計量時戶與戶之間的熱傳遞量,并可改善樓板的隔聲和降低撞擊聲。低溫熱水地板輻射供暖的加熱管,應采用塑料類管材。據通過典型工程的推算,地板輻射供暖每平方米建筑面積的管材使用量約為3m.

  3、塑料類管材的蠕變特性輸送熱介質的塑料類管材的應用,目前存在一些模糊概念和盲目性,其中最重要的是塑料類管材的蠕變特性。

  例如:某些生產廠或供應商介紹產品時,孤立地提出對承壓、使用壽命和耐溫性能的承諾,顯然是不科學的。設計人員和使用單位,切不能以為這些承諾會同時存在。

  塑料類管材,同長期以來習慣應用的鋼管等金屬管道力學特性的主要區別,主要是應力的變化規律不同。鋼管的使用壽命主要取決于腐蝕速度,使用溫度對許用應力影響不大,例如:10號鋼的鋼管許用應力,在較大的溫度幅度范圍內變化不大,溫度≤100℃時為 110.85MPa;溫度=150℃時為109.87MPa;溫度=200℃時為 103.99MPa.

  塑料類管材則不同,使用溫度的影響極大,冷態下的承壓能力不能用以判斷在長期使用條件下的耐久性。其使用壽命主要取決于不同使用溫度對管材的累積破壞作用,概略地說,溫度每提高10℃,使用壽命約縮短2.5倍, 熱作用使環應力逐步下降即發生管材的“蠕變”,以至不能滿足使用壓力而破壞。

  顯然,應按使用溫度確定許用應力,據以計算所需壁厚。同時,不能沿用鋼管以公稱直徑標記設計管徑的方法,應以“外徑×壁厚”標記,并且考慮壁厚的顯著差異選擇管徑。

  塑料類管材在不同溫度下的等應變蠕變特性曲線,可見北京市標準《低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程》的附錄。附錄中各類塑料管的環應力等應變蠕變特性曲線,來源于相關國際標準。從環應力特性曲線圖可見,每一種塑料管材的許用應力,都會隨時間的推移而下降,特別是隨作用溫度的升高而急劇下降。

  4、塑料類管材的使用條件分級由于管材在其全部使用期內,不可能始終是處在同一溫度作用條件下, 必然存在不同溫度的時間分布。

  例如:供暖系統管材在非供暖期內的溫度會近似于室溫,即使在供暖期內也會因進行質調節而受不同溫度作用。因此,上述各種塑料類管材對應于不同溫度的等應變蠕變特性曲線,顯然不能直接作為設計選用的依據,需要先按不同使用條件的溫度作用頻率,確定使用條件分級。

  按國際標準ISO/10508:1995推薦的方法,對總設計使用周期為50年,奧、德、法地區典型使用條件的不同管材,統一劃分的使用條件分級,如下表:

使用條件等級  正常操作溫度  最大操作溫度  異常溫度  典型應用范圍  ℃  時間 (Y)  ℃  時間 (Y)  ℃  時間 (h)  (舉例)  應力安全系數  1.5  1.3  1.0     1  60  49  80  1  95  100  供60℃熱水  2  70  49  80  1  95  100  供70℃熱水  3  30
   40  20
   25  50  4.5  95  100  低溫參數
地板輻射供暖  4  40
   60
   20  20
   25
   2.5  70  2.5  100  100  地板輻射供暖  5  60
   80
   20  25
   10
   14  90  1  100  100  85 / 60℃
散熱器供暖 

  根據上表各使用條件分級不同溫度的綜合熱作用,可計算出各種塑料類管材確保50年使用壽命的許用應力,其數值也收集在北京市標準《低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程》的附錄內。

  當然,使用條件分級并不是硬性規定,是按特定地區氣候和典型使用條件計算所得的推薦性標準,因此,應按實際要求的使用壽命年限,并根據使用情況,分析使用壽命年限內不同溫度的頻率,合理確定使用條件分級。

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