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塑料管材在采暖管道系统中的应用
黑龙江省塑料管材专业委员会

塑料管材在建筑给排水、农业、水利、通讯和市政等各领域得到了广大用户的认可并且得到良好发展。塑料管材在采暖方面的应用还属于起步阶段，有很多不完善的地方，有些认识和概念还很模糊。本文就采暖方面不同材质的塑料管材性能的比较、设计、施工以及实际应用中应注意的一些普遍性问题等方面进行论述。
一、 几种适合于采暖的塑料管材及性能比较
目前塑料管材在采暖方面应用的主要形式有两种，一是新建楼房低温（45～65℃）地面辐射采暖，二是旧楼房分户供暖改造的管路系统。应用何种塑料管材取决于采用何种采暖方式，现在还没有一种可靠的既适合地面辐射采暖又适合传统供暖系统的塑料管材。
1、目前较适合于采暖的塑料管材
适合于采暖的塑料管材除具有普通塑料管材应有的耐腐蚀、不结垢等特点外更重要的还要有良好的热稳定性，其性能不随温度变化有较大改变。国内应用较多的适合采暖的塑料管材,主要有以下五种:
(1)交联铝塑复合管(XPAP)。内层和外层为交联聚乙烯、中间层为焊接铝管、层间用热熔胶紧密粘合为一体的管材,称为交联铝塑复合管。
(2)聚丁烯管(PB)。由聚丁烯-1树脂添加适量助剂,经挤出成型的热塑性管材,称为聚丁烯管。
(3)交联聚乙烯管(PE-X)。以密度>0.94g/cm3的聚乙烯或乙烯共聚物,添加适量助剂,通过化学的或物理的方法（其交联度对于硅烷交联应不小于65％；过氧化物交联应不小于70％）,使其线型的大分子交联成三维网状的大分子结构,由此种材料制成的管材,称为交联聚乙烯管。
(4)无规共聚聚丙烯管(PP-R)。以丙烯和适量乙烯的无规共聚物,添加适量助剂,经挤出成型的热塑性管材,称为无规共聚聚丙烯管。
(5)耐热聚乙烯管(PE-RT)。是专门为地热采暖系统而设计的中密度乙烯－辛烯共聚物，分子量分布狭窄,辛烯均匀分布在聚合物主链上的特殊分子结构，不需交联，便能在高温高压下呈现优异的长期静液压性能，有较好的耐温、耐热性能。
2、性能指标比较
（1）长期耐压性能。从设计应力上讲,耐压高低的顺序是XPAP、PB、PE、PP。但是，地面辐射采暖管材的实际壁厚通常为2mm，在这个壁厚下各类管材均能满足地热采暖的要求。向PB这样耐压性能高的材料，在较大口径管材上其优势才能体现出来。
（2）耐低温冲击性能。XPAP、PB、PE-X和PE-RT耐低温冲击性能都比较好，冬季施工时不易受到冲击而破裂，PP-R耐低温性能相对比较差，温度低的环境施工不便。
（3）加工性能稳定性。XPAP和PE-X两种管材的生产过程对产品的稳定性影响较大，铝管搭焊强度、粘接剂的粘接强度、交联度和交联均匀度等问题，都直接影响到管材性能。而PB、PP-R、PE-RT加工简易，其管材性能基本上由原料来决定，性能比较稳定。
（4）导热性。采暖管材需要有较好的导热性，PE-X、PE-RT的导热性较好，其导热系数为PP-R、PB的两倍。而XPAP虽然导热性也较好，但应用于地热上，必须解决粘接剂的耐热和老化性问题。
（5）环保性。PB、PP-R、PE-RT为热塑性管材可以回收利用不污染环境。PE-X,XPAP不能回收。
表一 几种采暖管材性能指标比较

密度ρ
g/cm3
导热系数λ
W/mk
热膨胀系数α
mm/m℃
弹性模量Ε
N/mm2
XPAP

0.42
0.025

PB
0.93
0.22
0.130
350
PE-X
0.94
0.41
0.200
600
PP-R
0.90
0.24
0.15
800
PE-RT
0.93
0.40

460
钢
7.85
42～52
0.012
210000
铜
6.89
407
0.020
12000
通过比较，以上几种塑料管材性能互有所长，没有一种适用于各种取暖方式的塑料管材。因此，应根据不同情况来选择较合适材质的塑料管材。笔者认为，PB材质的管材较适用于非地热方式取暖，其唯一的局限只是价格稍高一些；PE-X、PE-RT材质的管材较适用于地热方式取暖，且已经为各方面所认同；PP-R材质的管材较适用于热水（65℃）的输送；XPAP材质的管材如要应用在供暖系统中，应充分考虑其粘结剂的牢固性，如果铝层和塑料分离，管材的安全性则大大降低。
二、地面辐射供暖（以公称外经dn＝20mm为例）
分户供暖改造的管道系统，进户前的干线仍然是钢管，室内约有50％采用塑料管材，应用较多的是XPAP、PP-R和PB，由于这些管材均为明设，出现问题较容易解决，且各有利弊。本文不对此评述，本文重点分析地热方面的问题。
低温地面辐射供暖方式，形成了较合理的室内温度场分布和等效热效应,不仅比传统的散热器对流供暖方式有较好的舒适度,还可节约热能约10%左右。相对于铸铁散热器或其它散热器加罩等陈旧的供暖设施,地热辐射供暖更能适应居住者对于建筑装饰的要求。此外,还由于需在楼板基底上铺设保温层,可部分减少分户热计量时户和户之间的热传递量,并可改善楼板的隔声和降低撞击噪音。
1、选择地面辐射供暖管材时应注意以下几点：
（1）耐老化性能。因为建筑质量是百年大计，而地热管材埋设于地板之下，所使用的管材寿命应达到50年为宜。要保证50年的使用寿命，管材选择是关键。一般来说，在保证50年的使用期中，管材在20ºC下运行的累计时间约为2.5年，40ºC约为20年，60ºC约为25年，70ºC为2.5年。试验表明，管材只有在110ºC、工作压力小于等于1.0Mpa条件下，其稳定性大于8760小时(365天)时，才可以在60ºC下使用50年。　　　
（2）施工性能。地热辐射供暖是把塑料管材盘埋于地下，敷设的形式主要有螺旋形、往复形和直列形，且不靠任何机具对管材进行弯曲施工，管材弯曲后又不得使管材自身形成伤害，因此所选管材必须弹性模量适中，低温韧性好（施工环境温度不小于５ºC），才能顺利施工。
（3）导热性能。由于管材要埋设于地面层下方60mm左右，靠管材的热传导来加热左右的细石混凝土，继而将热量由地面向上辐射。所以，在其它条件相同的情况下（如：进水温度、压力、管材间距等），管材导热系数的大小就直接影响到单位面积的散热量。
按以上要求，目前比较适合于地面辐射采暖的管材应该是PE-X和PE-RT。选择了合适的管材，只完成了地面辐射采暖工程的小部分工作，更重要的是设计和施工。
2、地热辐射采暖的设计和施工
地面辐射采暖的设计，其计算过程及需要考虑的问题很烦琐，在GBJ19-87《采暖通风和空气调节设计规范》中有详细说明，本文只针对主要方面作一论述。
a、设计
地热辐射采暖的设计包括热负荷计算、管路系统的布置。依据的是《采暖通风和空气调节设计规范》GBJ19-87和《地面辐射采暖交联聚乙烯管道工程技术规称》DB23/T695-2000。
（1） 热负荷计算
主要考虑的因素是围护结构的耗热量和由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量。
围护结构的基本耗热量的计算公式如下：
Q＝αFK（tn－twn）
式中 Q－围护结构的基本耗热量（W）；
F－围护结构的面积（m2）；
K－围护结构的传热系数（W/m2℃）；
twn－冬季室外计算温度（℃）；
tn－冬季室内计算温度（℃）；
α－围护结构温差修正系数。
另外，还要考虑围护结构的附加耗热量，附加的项目有朝向、风力和外门三项，其多少应按其占基本耗热量的百分率确定。
由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，应根据建筑物内部隔断、门窗结构、门窗朝向、室内外温度和室外温度等因素确定。
加热由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量，可按下式计算：
Q＝0.28cpρwnL（tn－twn）
式中 Q－由门窗缝隙渗入室内的冷空气的耗热量（W）；
cp－空气的定压比热容，cp＝1KJ/（Kg·℃）；
ρwn－采暖室外计算温度下的空气密度，（kg/m3）；
L－渗透冷空气量（m3/h）；
tn－采暖室内计算温度（℃）；
twn－采暖室外计算温度（℃）；
按规范要求，采暖热负荷的取值，应取常规计算值的95％或将室内计算温度降低2℃。进深大于6m的房间，宜以距外墙6m为分界区，把各区当作不同的房间，分别计算采暖负荷和采暖设计。
（2）管路的设计
管路的设计主要包括管材材质（宜选PE-X或PE-RT）、管径（一般选公称外经dn＝20mm）、管长和管距的确定。
首先确定室温，计算热负荷确定每平米的散热量；依据室内温度、平均水温和每平米散热量确定供暖管材的间距，一般取100mm～300mm，每根管材的长度应小于150m；必须采用热水作热媒，采暖供水温度采用40℃～60℃，回水温差采用5℃～10℃；系统工作压力应小于等于1.0MPa，流速应大于0.3m/s且不宜大于1.6m/s。
b、施工
施工阶段是地面辐射采暖工程的最后实施阶段，施工人员能否严格按照设计和施工规范要求执行，是整个工程的关键。
施工主要包括采暖地面构造层的施工和分（集）水器的施工。地面构造层的施工顺序是：地面平整；铺设保温材料；敷设管材；充填细石混凝土（细石粒径不大于1.5cm）；抹水泥找平层。
敷设的管材不应有接头，其弯曲半径应为管外径的10～12倍。
分（集）水器的安装，应固定安装在较隐蔽的地方，距地面300mm。供、回水路支管均应有铜制阀门，供水路应有过滤器。整个系统安装完毕之后，在混凝土凝固前，应进行第一次水压试验，其压力为0.6MPa～0.9MPa的压缩空气，混凝土凝固之后方可泄压。
三、设计及施工过程中应注意的问题
地面辐射供暖，是近几年在国内发展起来的一种新型的供暖方式，其合理的热度场分布和一次投入可达50年使用的持久性，迅速被用户所接受。
在市场应用范围不断扩大的同时，一些问题也同时产生。设计方面主要表现在：热负荷计算取值失准，管材长度、间距选择不合理，导致室温过高或过低。热负荷取值偏高导致室温较高的现象较多，主要是由于该取暖方式应用的时间较短，缺少经验，如何使计算值更接近实际，还需要设计人员不断的探讨；设计造成的室温过低现象较少出现。如果某个回路的管材设计过长，则导致流水阻力增加、流速减慢，影响热量散发，易造成低温现象发生。
施工过程易出现的问题主要表现在：塑料管材材质、配套材料材质不符合要求，其中管材材质的降低是导致以后使用过程出现问题的主要因素，严格控制地热工程中管材质量是保证50年使用期限的必要条件；施工人员不按设计要求敷设管材，转弯半径过小、管材间距不均，随意改动管材长度等，均易造成实际温度和设计不符；供水管路不安装过滤器，易造成加热管堵塞。总之，不按设计施工，出现较多的问题是达不到设计温度。
综上所述，塑料管材在采暖管道系统中的应用，需要迫切研究解决的问题很多，需要明确的问题亦很多。只有通过各方面的努力工作，才会尽快统一认识，减少失误，使塑料管材在采暖领域里的应用得以健康有序的发展。
执笔：王岩

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