燃料价格越低，保温层经济厚度和相对节约的费用越少;保温材料导热系数越高、价格越低，保温层经济厚度越大，而不同保温材料所对应的节约费用相差很小;室外温度越低，保温层经济厚度越大，相应节约的费用越多;供热管道管径越大，保温层经济厚度越大，相应节约的费用越多。成都管道保温对严寒和寒冷地区的哈尔滨、沈阳、西安3个城市进行了经济分析，结果表明架空供热管道在哈尔滨地区采用保温层经济厚度经济性好。
为了提高集中供热效率，减小集中供热管网输送热损失，供热管道的保温至关重要。寿命周期内保温投资和运行费用之和小所对应的保温厚度为保温层经济厚度。
为了实现管道保温节能和经济性的双重目标，专家学者进行了大量研究。等人研究了复合结构保温材料用于集中供热管道保温，分析了佳组合及保温厚。
以上对架空供热管道保温的热经济分析大多具有一定的局限性，没有同时考虑气候条件、燃料/热源类型和保温材料对管道保温的影响。本文采用寿命周期分析法针对我国集中供暖不同气候区、不同燃料/热源类型、不同管径及不同保温材料的保温层经济厚度进行经济性分析。
供热管道一般由钢管、保温层和保护层组成。本文以单位长度的架空供热管道作为研究对象，并假定热媒在输送过程中具有恒定的热力学性质。
对架空供热管道，热损失可以通过下式计算：
Qp=KA(tf-to)
式中 Qp为热损失，W;K为管道的传热系数，W/(m2·℃);A为管道的表面积，m2;tf为热媒的平均设计温度，℃;to为外表面环境温度，℃。
本文采用供暖度日数法计算单位长度复合管道年热损失，计算公式为
QA=86 400HDD·u
式(2)，(3)中 QA为单位长度复合管道年热损失，J/m;HDD为根据典型年逐时温度计算的供暖度日数，℃·d;u为复合管单位长度传热系数，W/(m·℃);m为天数，d;n为小时，h;tb为基准温度，℃;tsa为室外空气综合温度，℃;上标“+”表示tb-tsa为正值时才会被计算，即当tsa>tb时tb-tsa=0。
本文研究的供热管道总热阻为钢管内表面对流换热热阻、保温材料的导热热阻、保护层外表面对流换热热阻之和，即
式中 Rp为单位长度复合管道总热阻，m·K/W;r0，r1分别为钢管内、外径，m;λ1为钢管的导热系数，W/(m·K);r2为保温层外径，m;λ2为保护材料的导热系数，W/(m·K);λins为复合保温管道的导热系数，W/(m·K);r3为保护层外径，m;hi，ho分别为复合保温管内、外表面的对流换热系数，W/(m2·K)。
hi可由下式计算：
式中 λf为热媒的导热系数，W/(m·K);De为特征长度，m;Re为雷诺数;Pr为普朗特数。
本文采用的寿命周期为10 a，寿命周期内的总费用是各年的年总费用折算成现值后的总和，年总费用折算按式(6)计算。同理，寿命周期内的节约费用是各年的节约费用折算成现值后的总和，年节约费用折算按式(7)计算。成都蒸汽管道保温
式(6)，(7)中 Ct为折算成现值后的年总费用，;P1为现值系数，与市场折现率d、通货膨胀率i、寿命周期N相关，可按式(8)计算;S为折算成现值后的年节约费用，;CF为燃料单价，美元/kg;Hu为燃料的低热值，J/kg;η为热源热效率;Cins为保温材料单价，3;V为单位管长保温材料的体积，m3/m;P2为寿命周期内由于追加资本投资导致的开支与初投资之间的比值，由式(9)计算得到。
式中 D1为定金与初投资的比值;Ms为首年杂项费用与初投资的比值;Rv为寿命周期末的转售价值与初投资的比值。
如果除了初投资之外没有追加任何投资，P2取1[14]。
本文采用Matlab对式(6)求小值，获得保温层经济厚度。
选取哈尔滨、沈阳和西安分别作为严寒地区和寒冷地区的典型代表城市作为研究对象，通过寿命周期经济分析法计算节约费用和投资回收期，讨论分析各气候区燃料/热源类型、保温材料种类、管径3个因素对供热管网经济运行的影响，分别得到各种条件下的保温层经济厚度。供热管道参数见表1，计算使用的其他参数为[15-16]：N=10 a，λ1=44 W/(m·K)，λ2=80 W/(m·K)，λf=0.686 W/(m·K)，ho=23 W/(m2·K)，i=4%,d=5%,P1=9.126，P2=1。
表1 供热管道参数 mm
2.1 保温层厚度对年总费用和年节约费用的影响
230,183,
图1 供热管道年平均总费用与保温层厚度的关系
图1显示了西安地区以煤炭作为燃料、管径为300 mm的供热管道的保温层厚度对年平均总费用的影响。由图1可以看出：随着保温层厚度的增加，燃料费用先急剧下降然后趋于平缓，而保温材料费用却不断增加;每年的总费用等于燃料费用与保温材料费用之和，年总费用随着保温层厚度的增加呈现先急剧下降而后缓慢上升的趋势。当年总费用小时对应的保温层厚度即为保温层经济厚度。哈尔滨和沈阳地区供热管道呈现的趋势与西安地区相同，所不同的是它们的年总费用比西安地区大。蓄冷罐保温施工
西安地区供热管道的年平均节约费用与保温层厚度的关系如图2所示。由图2可以看出：年平均节约费用随着保温层厚度的增加呈现先逐渐增加然后缓慢减小的趋势;在保温层厚度相同的条件下，不同燃料/热源的节约费用不同，石油的节约费用多，煤炭少;节约费用随着管径的增大而增多;石棉作为保温材料的节约费用多，这主要得益于其相对低廉的价格。
从以上分析可以看出：供热管道节约费用随着燃料/热源类型、保温材料和管径的不同有较大的差异，所以有必要分别研究不同参数对保温层经济厚度的影响。
2.2 燃料/热源类型对保温层经济厚度的影响
西安地区供热管道保温层经济厚度与燃料/热源类型的关系如图3所示。由图3可以看出：在相同的管径下，保温层经济厚度由大到小的燃料/热源类型依次为：石油、天然气、煤炭和地热能。也就是说采用的燃料价格越低，相应的管道保温层经济厚度越小。
图2 不同影响因素下供热管道年平均节约费用与保温层厚度的关系
216,178,
图3 保温层经济厚度与燃料/热源类型的关系
不同燃料/热源和管径下3个城市供热管道的保温层经济厚度见表2。由表2可以看出：在相同的燃料/热源和管径下，哈尔滨供热管道的保温层经济厚度大，沈阳次之，西安小;3个城市都是在管径500 mm、燃料为石油时保温层经济厚度大，分别为0.193，0.171，0.138 m;同理，当管径为100 mm、热源为地热能时，3个城市供热管道的保温层经济厚度均小，分别为0.092，0.082，0.067 m。蒸汽管线保温
表2 3个城市供热管道在不同燃料/热源和管径下保温层经济厚度 m
图4显示了西安地区供热管道在不同燃料/热源下年平均节约费用的关系。由图4可以看出：在相同管径下，年平均节约费用由大到小的燃料/热源类型依次为石油、天然气、煤炭和地热能。可见采用的燃料价格越低，在保温层经济厚度下年节约费用越少。
燃料/热源类型与年平均节约费用的关系
3个城市供热管道在不同燃料/热源和管径下的年平均节约费用见表3。由表3可以看出：节约费用的变化趋势与保温层经济厚度相一致，哈尔滨的节约费用多，沈阳次之，西安少。哈尔滨、沈阳和西安均是在管径为500 mm、燃料为石油时年节约费用多，分别为565.35，421.00，256.46。同样，3个城市也是在管径为100 mm、热源为地热能时年节约费用少，分别为192.74，143.32，87.03。
图5显示了西安地区供热管道在不同燃料/热源类型下的投资回收期。由图5可以看出：相同管径时投资回收期由大到小的燃料/热源类型依次为：地热能、煤炭、天然气和石油，表明燃料/热源价格越低，相应的投资回收期越长。
3个城市供热管道在不同燃料和管径下的投资回收期见表4。由表4可以看出：哈尔滨、沈阳和西安在管径为100 mm和热源为地热能时投资回收期长，分别为0.56，1.12，0.93 a;哈尔滨、沈阳、西安均在管径为500 mm和燃料为石油时供热管道的投资回收期短，分别为0.30，0.40，0.51 a。成都洁净室管道保温
表4 不同燃料/热源类型和管径时的投资回收期 a
2.3 保温材料对保温层经济厚度的影响
西安地区保温材料与保温层经济厚度的关系见图6。由图6可以看出：在相同管径下，保温层经济厚度由大到小对应的保温材料依次为石棉、硅酸钙、硅酸铝和玻璃纤维。这与上述保温材料的导热系数相关，导热系数越大的保温材料，其保温层经济厚度越大;反之亦然。而且通常是导热系数越大的保温材料，其价格越低，所以保温层经济厚度也随之越大。
不同保温材料和管径下3个城市供热管道的保温层经济厚度见表5。由表5可以看出：哈尔滨、沈阳、西安在管径为500 mm、保温材料为石棉时，管道的保温层经济厚度大，分别为0.193，0.171，0.138 m;管径为100 mm、保温材料为玻璃纤维时，管道的保温层经济厚度小，分别为0.078，0.069，0.056 m。
不同保温材料和管径下的保温层经济厚度 m
西安地区供热管道在不同保温材料下的平均年节约费用见图7。由图7可以看出：对于本文所研究的4种保温材料，在相同的管径下，保温材料的年节约费用略有差异。
3个城市的供热管道在不同保温材料和管径下的年节约费用见表6。由表6可以看出：在管径为500 mm、石棉为保温材料时，哈尔滨、沈阳、西安3个城市的年节约费用多，分别为565.44，421.00，256.46;哈尔滨和沈阳在管径为100 mm、保温材料为硅酸钙时节约费用少，分别为113.45，84.32;而西安地区在管径为100 mm、保温材料为玻璃纤维时节约费用少，为50.69。
不同保温材料和管径下的年节约费用
显示了西安地区供热管道在不同保温材料下的投资回收期。由图8可以看出：管径相同时，投资回收期由大到小对应的保温材料类型依次为玻璃纤维、硅酸铝、硅酸钙和石棉。
表7显示了3个城市供热管道在不同保温材料和管径下的投资回收期。由表7可以看出：在管径为100 mm、保温材料为玻璃纤维时，哈尔滨、沈阳和西安投资回收期均长，分别为0.66，0.75，1.73 a;管径为500 mm、保温材料为石棉时，3个城市的投资回收期均短，分别为0.35，0.40，0.40 a。
表7 不同保温材料和管径下的投资回收期 a
2.4 管径对保温层经济厚度的影响
由以上图表可以看出：供热管道保温层经济厚度和年节约费用随着管径的增大而增大，这主要是因为较大管径的管道具有较大的传热面积，导致其热损失也较大，此时保温层经济厚度的选择对节约能源而言就显得尤为重要;而随着管径的增大，投资回收期几乎没有变化，这主要是因为随着管径的增大，保温层经济厚度增大，投资费用增大，但是相应的运行费用大大减小，两者综合作用的结果是投资回收期基本保持不变。
通过对3个气候区的典型城市供热管道保温层经济厚度、年节约费用和投资回收期进行研究，发现保温层经济厚度与气候条件、燃料/热源类型、保温材料和管道直径密切相关。哈尔滨地区管道的保温层经济厚度大，沈阳地区次之，西安地区小;对不同燃料/热源而言，燃料为石油时管道保温层经济厚度大，燃料为天然气和煤炭次之，而热源为地热能时小，也就是说，燃料的低热值越高其保温层经济厚度越大;保温材料为石棉时供热管道的保温层经济厚度大，硅酸钙和硅酸铝次之，而玻璃纤维小，即保温材料的导热系数越大其保温层经济厚度越大;管径越大，其保温层经济厚度也越大，在本研究中，供热管道管径为500 mm时其保温层经济厚度大，管径为100 mm时保温层经济厚度小。