高大廠房不同采暖形式溫度場的實測與分析

許遠超，王蒙蒙，李蘇瀧

(1．機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州，450007;

2．南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 南京，210094)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，為滿足生產(chǎn)要求，一些規(guī)模龐大、功能各異的工業(yè)生產(chǎn)廠房不斷涌現(xiàn)出來。這類高大空間建筑面積達數(shù)萬平方米，高度達數(shù)十米甚至十幾米［1］。這使采暖設(shè)計及供暖運行都不同于一般的民用建筑和工業(yè)建筑。目前，國內(nèi)高大廠房仍處于以傳統(tǒng)的對流采暖方式供暖，為達到一定的供熱效果，必須加熱建筑物里所有空氣，熱空氣再將熱量傳給人或物體，采暖熱損失極大。針對這種現(xiàn)狀，國內(nèi)開始引進較先進的燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)，來解決高大空間采暖問題［2］，但由于技術(shù)尚不夠成熟，人們往往對這種采暖形式的安全舒適性和能耗經(jīng)濟性存在質(zhì)疑。下面通過對采用這兩種形式供暖車間溫度場的實測展開分析。

1 測試對象介紹和測試方案

1．1 測試對象

選擇采用暖風(fēng)機采暖的沈陽某機床廠和采用紅外線輻射采暖的沈陽某重工機械廠為測試對象，室外溫度為－7℃左右。

1．2 測試方案

由于室內(nèi)暖風(fēng)機和輻射采暖設(shè)備下方高度10.5 m 左右，在房間中部設(shè)置垂直排列的8 個測點，分別距離地面的位置為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、8 m、10 m。以5 min 為一個時間點連續(xù)測試，每個溫度測點共測27 次。以平均值作為該點測量值。

2 測試結(jié)果及分析

2．1 測試結(jié)果

車間垂直溫度場見圖1 ～圖2。

2．2 測試結(jié)果分析

(1)圖1 室內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)由上往下依次遞減，接近線性分布。暖風(fēng)機下方區(qū)域10 m 高度處溫度達到最大值18．24℃，溫度梯度達到0．97℃/m，而到了地面以上2 m 范圍內(nèi)的工作區(qū)，溫度遞減到14℃，與吊頂以下的溫度相差4℃之多，溫度梯度較小，為0．5℃/m 以下。

圖1 暖風(fēng)機采暖

圖2 紅外線輻射采暖

(2)圖2 車間溫度分布趨于一致，基本維持在9 ～10℃。吊頂下方溫度為9．43℃，溫度梯度出現(xiàn)負(fù)值為－0．09℃/m。工作區(qū)范圍內(nèi)溫度為9℃左右，與吊頂下方溫度僅相差0． 47℃。梯度為0.17℃/m。

2．3 小結(jié)

2．3．1 熱負(fù)荷計算

暖風(fēng)機對流采暖熱舒適性取決于室內(nèi)空氣溫度的高低，輻射采暖主要依靠輻射散熱供暖，只伴隨少量的對流傳熱。采暖時的熱效應(yīng)以實感溫度也即黑球溫度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)［3］。經(jīng)測量紅外線輻射采暖室內(nèi)黑球溫度平均為12．57℃，高于室內(nèi)空氣溫度3℃左右。因此相同熱舒適條件下輻射采暖設(shè)計溫度可低于對流采暖2 ～3℃［4］。從而室內(nèi)外溫差、熱壓差小，冷風(fēng)滲透量小，熱損失降低。

2．3．2 采暖熱效率

暖風(fēng)機系統(tǒng)以熱水或蒸汽為熱媒加熱空氣，再靠風(fēng)機將加熱后的空氣強制送至工作區(qū)循環(huán)供暖。這勢必會造成暖風(fēng)機下方空氣溫度遠高于工作區(qū)溫度，熱量大量積聚在車間上部［5］。當(dāng)廠房上部設(shè)有有害氣體排風(fēng)系統(tǒng)時，熱量未被利用便直接散出造成能源的嚴(yán)重浪費，熱源從鍋爐引出后，沿途也會產(chǎn)生10% ～15%熱損失。紅外線輻射采暖直接加熱人和物體，不以空氣為傳熱介質(zhì)，車間空氣溫度均勻一致，燃?xì)廨斔瓦^程中沒有什么損失，同時輻射器燃燒完全，效率可達到95%以上［6］。

2．3．3 采暖熱效應(yīng)

紅外輻射采暖利用紅外線傳熱，而紅外線又是可見光的一部分，以光速傳播，所以輻射面達到一定溫度后，即可加熱人體或設(shè)備，升溫迅速，熱效應(yīng)好［7］。

在采暖期間，四周圍護結(jié)構(gòu)，地面以及室內(nèi)設(shè)備均吸收輻射熱并蓄存一部分，當(dāng)輻射采暖停止時，這部分蓄存的熱量開始向環(huán)境放熱，還可以保持一定的熱環(huán)境。對流采暖則是通過與空氣二次換熱供暖，升溫緩慢。

2．3．4 舒適性方面

暖風(fēng)機采暖時，機組送出的熱射流方向與廠房內(nèi)熱空氣浮升方向相反，減少了室內(nèi)垂直方向上的溫度梯度，一般為0．5 ～1℃/m［3－6］。輻射采暖車間內(nèi)溫度梯度更小，且圍護結(jié)構(gòu)溫度較對流采暖溫度高，人對外界輻射有效輻射減少。周圍空氣溫度低正好可以加大人體的對流散熱，與人體生理要求相吻合，使人感到舒適。

2．3．5 使用方面

燃?xì)饧t外線輻射能夠?qū)崿F(xiàn)室溫定時、定向、定區(qū)域供熱。操作簡單，可以設(shè)置成溫度或時間進行自控，也可由工作人員手動控制。整個系統(tǒng)采用負(fù)壓運行方式，發(fā)生器裝有自動點火裝置，無爆燃點火現(xiàn)象，尾氣由真空風(fēng)機排往室外，安全環(huán)保［8］。

3 能耗經(jīng)濟性比較

(1)方案設(shè)計

以某聯(lián)合廠房為例:

方案A:采用集中熱源+暖風(fēng)機系統(tǒng)供暖;方案B:燃?xì)饧t外線輻射采暖系統(tǒng)供暖。

(2)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

廠房面積為26 632 m2，高度為14．4 m，根據(jù)建筑專業(yè)施工圖以及當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)，室內(nèi)設(shè)計溫度為15℃，采暖熱負(fù)荷為3 320 kW·h。工廠工作時間為三班制，供暖天數(shù)155 d，天然氣價格為2．67 元/m3。

(3)耗熱量計算

供暖全年的耗熱量為［9］

Qq= 0．001KF(tn－ twp)(H × Z)

式中 Qq——全年耗熱量/kW;

K——圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

F——圍護結(jié)構(gòu)面積/m2;

tn——室內(nèi)溫度/℃;熱水采暖取15℃;

twp——供暖期室外平均溫度/℃;取－4．6℃;H——每天供暖時間/h。由于集中供熱連續(xù)運行，取24 h;燃?xì)廨椛洳膳?0 h(其中一天內(nèi)16 h 為全負(fù)荷運行，8 h 為半負(fù)荷運轉(zhuǎn)，折為4 h 全負(fù)荷運行)。

Z——供暖期天數(shù)/d。取155 d。

由于Qq=0．001KF(tn－twp)=3 320 kW，則

KF=3320 kW×1000/［15 －(－4．6)］=169387

按暖風(fēng)機對流采暖計算，則

使用輻射采暖系統(tǒng)時，tn取15 －3 =12℃，《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定燃?xì)饧t外線輻射采暖時的設(shè)計溫度可比對流采暖低2 ～3℃，計算時可不進行高度附加。則

節(jié)能率計算

(4)運行費用的計算方案A:

算法一:按耗熱量收費計算，1 GJ 熱量收費65.5 元(注:供熱費按65．5 元/GJ 收取，數(shù)據(jù)來自天津開發(fā)區(qū))。

算法二:按面積收費計算，集中供熱收費標(biāo)準(zhǔn):3．8 m 以上的建筑物為:6．92 AH/3．8 元/(m2·月)。(A 為采暖面積，H 為廠房高度)算法一

Ia1=44461．04 GJ×65．5 =291．2 萬元算法二

Ia2=6．92 ×26632 ×5 ×14．4/3．8 =349．2 萬元方案B:

I=QqB/Cη

式中 Qq——全年耗熱量/kW;B——天然氣價格;C——燃料熱值/kJ·m－3，取3．6425 ×104kJ/m3;

η——運行效率，取0．9。

代入數(shù)據(jù)

I2=8716654 ×3600 ×2．67/(3．6425 ×104×0．9)=255．5 萬元

4 結(jié)語

燃?xì)饧t外線輻射采暖是近幾年發(fā)展的先進技術(shù)，本文從多方面介紹了燃?xì)饧t外線采暖相比于對流采暖具有高效節(jié)能、熱舒適性好、環(huán)保等一系列優(yōu)良特性，并通過能耗經(jīng)濟性分析，得出燃?xì)饧t外線輻射采暖相比于對流采暖可節(jié)能30%和年運行成本低的結(jié)論。筆者認(rèn)為紅外線輻射采暖是目前高大廠房最經(jīng)濟、最有效的供暖方式，應(yīng)該積極采用。

［1］ 趙宇，高揚．高大廠房采暖設(shè)計形式探討［N］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012 －01 －11(2)．

［2］ 騰羽．淺談燃?xì)饧t外線輻射采暖［J］．黑龍江科技信息，2009，24(22):294．

［3］ 寧濤．燃?xì)饧t外線輻射供暖在高大廠房中的應(yīng)用［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009(7):107 －110．

［4］ 陸耀慶．實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［5］ 李永剛．高大廠房射流式暖風(fēng)機的采暖及節(jié)能效果［J］．鋼鐵技術(shù)，1999(1):50 －51．

［6］ 鄔艷華．紅外線輻射采暖原理及特點［J］．中小企業(yè)管理與科技，2008，12(6):208．

［7］ 韓彥恒．紅外線輻射采暖方式的特點分析［J］．民營科技，2013(5):150．

［8］ 薄迎．大空間建筑燃?xì)饧t外線輻射供暖系統(tǒng)的探討［J］．煤氣與熱力，2005，25(9):41 －44．

［9］ 中國建筑科學(xué)研究院． 采暖通風(fēng)與設(shè)計調(diào)節(jié)規(guī)范:GB50019 －2003［S］．2004．