低強(qiáng)度連續(xù)式燃?xì)饧t外線輻射供暖系統(tǒng)的應(yīng)用

劉利梅

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

1 紅外線輻射采暖系統(tǒng)的原理

1.1 什么叫熱輻射

我們知道，熱的傳播方式有三種:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)指熱經(jīng)由物體從高溫處傳播到低溫處的傳熱方式，主要為固體間的傳熱方式。對(duì)流為熱經(jīng)由氣體或液體流動(dòng)而隨之傳播的方式。輻射為熱不憑借任何物質(zhì)當(dāng)媒介，而直接傳播的方式。

發(fā)射輻射能是各類物質(zhì)的固有特性，當(dāng)原子內(nèi)部的電子受溫和振動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生交替變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因激發(fā)產(chǎn)生的電磁波傳播，就稱熱輻射。所以熱輻射是電磁波，通常把λ=0.1μm～1 000μm范圍的電磁波稱熱射線，其中包括可見(jiàn)光線、部分紫外線和紅外線具有波動(dòng)和量子特性［1］。

1.2 熱輻射的特點(diǎn)

熱輻射的本質(zhì)決定了熱輻射具有如下特點(diǎn):

1)輻射換熱不依賴物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞;2)輻射換熱過(guò)程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化，即物體的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電磁波能發(fā)射出去，當(dāng)此波能射及另一物體表面而被吸收時(shí)，電磁波能又轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;3)任何溫度下(絕對(duì)零度除外)的物體皆可輻射熱射線。

值得注意的是溫度越高，輻射熱越多。

表面粗糙或黑色的物質(zhì)較易吸收或放射輻射熱，表面平滑或白色的物質(zhì)則較不易吸收或放射輻射熱，其反射能力較佳。

1.3 紅外線輻射技術(shù)的產(chǎn)生

通過(guò)上文我們了解了熱輻射是由于物體自身溫度或熱運(yùn)動(dòng)的原因激發(fā)產(chǎn)生的電磁波，那么物體在不同的溫度下產(chǎn)生的電磁波波長(zhǎng)如何分布。研究表明，物體溫度較低時(shí)，主要以不可見(jiàn)的紅外光進(jìn)行輻射，當(dāng)溫度為300℃時(shí)熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)在紅外區(qū)。當(dāng)物體的溫度在500℃以上至800℃時(shí)，熱輻射中最強(qiáng)的波長(zhǎng)成分在可見(jiàn)光區(qū)。

在光譜中波長(zhǎng)在760 nm～400μm的電磁波稱為紅外線，紅外線是不可見(jiàn)光線，其頻率接近物質(zhì)的固有頻率，同時(shí)具有非色散性，因而能量集中，熱效應(yīng)顯著，所以科學(xué)家們?cè)O(shè)想是否可以通過(guò)加熱物體到特定的溫度范圍，使物體發(fā)出特定波長(zhǎng)范圍的電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)供暖。

而燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)通過(guò)燃?xì)庠O(shè)備把天然氣等能源轉(zhuǎn)化為紅外線輻射熱能，對(duì)輻射到的區(qū)域進(jìn)行直接加熱，輻射熱能被地面、人和各種物體所吸收，并通過(guò)這些物體進(jìn)行二次輻射，從而加熱四周的其他物體，使人體感受到類似曬太陽(yáng)的感覺(jué)(見(jiàn)圖1)。

2 與傳統(tǒng)供暖方式比較燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

圖1 輻射采暖

2.1 節(jié)能

節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)在建立同樣舒適條件的前提下，輻射供暖時(shí)房間的設(shè)計(jì)計(jì)算溫度可以降低2℃ ～5℃，可以大大降低供暖能耗;2)由于輻射采暖不加熱空氣，熱量直接被地面及人體吸收，室內(nèi)空氣的溫度主要是由人或物體的二次輻射提供，室內(nèi)外溫差較傳統(tǒng)換熱方式要小，故室外冷空氣滲入量較小，有利于節(jié)能;3)傳統(tǒng)供熱方式暖氣是靠空氣對(duì)流原理采暖(見(jiàn)圖2)，熱空氣集中在室內(nèi)空間的上部，尤其高度大，跨度大的房間，為使地面人或物達(dá)到一定的溫度要求或舒適度要求，勢(shì)必加大供熱量，造成了能量的浪費(fèi);4)有效熱效率方面，傳統(tǒng)的供暖方式，無(wú)論是水暖系統(tǒng)還是空調(diào)系統(tǒng)，熱量在運(yùn)至散熱器(片)、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等的過(guò)程中，均存在一定的能耗損失，有關(guān)資料顯示:在輻射采暖系統(tǒng)使用過(guò)程中，燃?xì)馊紵蔬_(dá)99%以上，系統(tǒng)有效熱效率達(dá)85%以上，而暖氣采暖在大空間暖氣采暖使用上，最終的有效熱效率不到20%。

圖2 傳統(tǒng)采暖

2.2 環(huán)保

由于輻射采暖與對(duì)流換熱相比，室內(nèi)沿高度方向溫度分布均勻，故減少了塵土飛揚(yáng)的可能。

2.3 投資少、施工周期短及運(yùn)行費(fèi)用低

只需在燃?xì)夤芫W(wǎng)上接管，并在系統(tǒng)入口安裝調(diào)壓穩(wěn)壓設(shè)備，不用安裝供熱鍋爐及其他附屬設(shè)備(水處理設(shè)備、除氧設(shè)備等)，沒(méi)有供暖水循環(huán)系統(tǒng)，一次投資大大降低，且施工周期短，同時(shí)燃?xì)饧t外輻射采暖設(shè)備相比較暖氣采暖可以節(jié)省50%～60%的運(yùn)行費(fèi)用。

2.4 輻射采暖節(jié)約空間

因輻射采暖本身只需要必要的燃?xì)夤艿兰半娍匮b置，類似于普通長(zhǎng)管熒光燈且無(wú)需安裝暖氣片及建鍋爐房、泵房、換熱站等，故可節(jié)約空間。

2.5 可操控性好

操控性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:因輻射采暖升溫快，一般在開(kāi)機(jī)后3 min內(nèi)可以達(dá)到溫度效果，而水暖一般要2 h，故一方面在供暖時(shí)間上用戶自己可分時(shí)段、定時(shí)、定溫全自動(dòng)及手動(dòng)控制，在節(jié)假日、周末、下班或車間不忙的各個(gè)時(shí)段關(guān)閉設(shè)備;另一方面為供暖范圍的操控性，因紅外線也是特定波長(zhǎng)范圍的電磁波，其跟可見(jiàn)光類似，也存在光的折射和反射，故用戶可分區(qū)域供暖，甚至可以將輻射管布置在室外，所以可以節(jié)約大量運(yùn)行成本。

3 燃?xì)饧t外線輻射系統(tǒng)的組成與發(fā)生器的連接方式

紅外輻射系統(tǒng)主要由發(fā)生器、輻射板、反射板、真空泵、尾管、控制箱及集水器組成。發(fā)生器的連接方式與電氣設(shè)備連接類似，有串聯(lián)、并聯(lián)及串、并聯(lián)混合連接方式。

4 工程實(shí)例

燃?xì)饧t外線輻射供暖系統(tǒng)按形式分為單體式和連續(xù)式，按表面溫度分為高強(qiáng)度輻射發(fā)生器(表面溫度約為800℃ ～1 000℃)和低強(qiáng)度輻射發(fā)生器(表面溫度約為300℃ ～500℃)，本工程實(shí)例為低強(qiáng)度連續(xù)式紅外輻射供暖系統(tǒng)。

4.1 工程概況

本項(xiàng)目為太原軌道交通裝備有限責(zé)任公司“退城搬遷入園建廠技術(shù)改造項(xiàng)目”一期建設(shè)工程?？偨ㄖ娣e11 047.48m2，采用燃?xì)饧t外輻射采暖的區(qū)域面積為9 169.4 m2。采暖系統(tǒng)采用Schwank紅外輻射采暖系統(tǒng)，BuilderSchwank采暖系列。

4.2 工藝流程

安裝準(zhǔn)備→輻射器安裝→燃?xì)夤艿腊惭b→管道吹掃→管道強(qiáng)度試驗(yàn)→管道氣密性試驗(yàn)→系統(tǒng)調(diào)試→驗(yàn)收。

4.3 系統(tǒng)的安裝及注意事項(xiàng)

4.3.1 發(fā)生器的安裝

1)發(fā)生器安裝時(shí)，要保持與可燃物的距離。2)發(fā)生器與燃?xì)夤庀到y(tǒng)連接之前，應(yīng)確認(rèn)燃?xì)夤艿赖膹?qiáng)度試驗(yàn)已經(jīng)完成，發(fā)生器連入燃?xì)庀到y(tǒng)后，不應(yīng)再進(jìn)行管道的強(qiáng)度試驗(yàn)。3)發(fā)生器與燃?xì)夤艿肋B接應(yīng)使用不銹鋼金屬軟管，安裝連接軟管時(shí)，應(yīng)用管鉗將燃?xì)夤?yīng)端的接頭固定住，以防其轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致內(nèi)部元件的損壞。4)不銹鋼金屬軟管與燃?xì)夤艿肋B接處，應(yīng)裝球閥，球閥必須與燃?xì)馊肟谄叫小?/p>

4.3.2 輻射管安裝

燃燒室與輻射管和每?jī)啥屋椛涔苤g都必須使用專用管接頭連接。

4.3.3 反射板安裝

1)反射板應(yīng)順序搭接，反射板之間應(yīng)使用滑動(dòng)連接，避免其扭彎、折損或滑開(kāi)脫落。2)每個(gè)發(fā)生器需要1個(gè)有預(yù)留孔的反射板，反射板之間的重疊部分只有180 mm，每3個(gè)反射板應(yīng)保留1個(gè)滑動(dòng)接頭。每個(gè)固定連接的接頭需要使用4個(gè)反射板固定夾。3)發(fā)生器之間如果有n段管道，需要等距離地設(shè)置n－1個(gè)管道與反射板的吊架，同時(shí)還需要等距離地設(shè)置n個(gè)反射板托架，確保每段反射板上至少設(shè)置有一個(gè)吊架。4)在直線型反射板的末端和輻射管三通處反射板的起始端處，均應(yīng)加裝反射板端蓋。

4.3.4 輻射管安裝

1)輻射管的安裝應(yīng)有一定坡度，安裝坡度不應(yīng)小于3‰，并坡向真空泵。2)尾管的安裝應(yīng)有一定坡度，安裝坡度不應(yīng)小于5‰，并坡向真空泵。

4.3.5 集水器的安裝

1)集水器的安裝要牢固固定，便于排水為原則。2)排水管應(yīng)用關(guān)卡固定，當(dāng)安裝高度大于4 m時(shí)，設(shè)兩個(gè)關(guān)卡。

4.3.6 真空泵的安裝

1)真空泵的安裝宜用專用支架，如另設(shè)支架，則應(yīng)做減振處理，并應(yīng)保證真空泵的水平度和垂直度。2)真空泵的進(jìn)出口應(yīng)設(shè)置硅膠襯鋼軟節(jié)，軟節(jié)允許的最高溫度180℃。

4.3.7 排氣管的安裝

排氣管的長(zhǎng)度超過(guò)10 m時(shí)，應(yīng)做保溫處理。排氣管穿越外墻或屋頂時(shí)，加裝金屬套管。

4.3.8 懸掛裝置

1)每個(gè)發(fā)生器和管道上每隔2.1 m～3.0 m必須設(shè)置1個(gè)懸吊架。同時(shí)，在管道的所有彎頭、三通和四通附近均應(yīng)設(shè)置懸掛吊架，三通和彎管處的吊架最大間距為2.0 m，吊鏈應(yīng)設(shè)在兩個(gè)反射板搭接部分的中心線上。2)吊鏈應(yīng)采用鍍鋅吊鏈，吊鏈的吊環(huán)直徑不得小于6 mm。3)懸掛系統(tǒng)使用的吊鏈和懸吊桿的長(zhǎng)度應(yīng)保證管道上的發(fā)生器能夠沿管道方向水平移動(dòng)至少50 mm。

4.3.9 燃?xì)夤艿腊惭b

圖3 一車間燃?xì)饧t外輻射采暖圖

圖4 二車間燃?xì)饧t外輻射采暖圖

1)燃?xì)忾y組前燃?xì)夤艿啦捎脽o(wú)縫鋼管，燃?xì)忾y組之后采用熱鍍鋅鋼管;除閥門(mén)連接、與燃燒器連接處，管道連接當(dāng)管徑不大于DN80的均采用螺紋連接，管徑大于DN80的均采用焊接連接。2)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的安裝、檢測(cè)和調(diào)試須由專業(yè)施工人員完成。

本項(xiàng)目所施工的燃?xì)饧t外輻射采暖工程如圖3，圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

在該工程完工后的第一個(gè)采暖期，我們對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了回訪，發(fā)現(xiàn)供暖效果良好，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的施工，我們對(duì)紅外輻射供暖系統(tǒng)有了更深的了解。相信在今后的大空間采暖系統(tǒng)中該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

［1］安永泉，趙 剡，許 東，等.梯度溫度氣體介質(zhì)的熱輻射傳遞特性研究［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2011，30(4):27-28.

［2］黃華國(guó)，竇寶成，胡 妮.雄穗對(duì)玉米冠層熱輻射方向性的影響分析［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2011，30(2):31-32.

［3］GB 50015-2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.