廠房高大空間采暖設(shè)計方案對比分析

張春光

山東省人民防空建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250000

隨著時代的發(fā)展，環(huán)境日益惡化，人們對于能源、環(huán)保方面的問題重視度加大，如何才能節(jié)能降耗、減輕污染是人們考慮的首要問題。高大建筑空間內(nèi)，冬季采暖是必不可少的組成部分。采暖方式選擇中，需要從人們的舒適性、節(jié)能、空氣質(zhì)量的角度出發(fā)進(jìn)行考慮。普通散熱器采暖，因為熱空氣上升，導(dǎo)致很多熱量存留在高大建筑的頂部空間，下部區(qū)域的熱量比較少，內(nèi)部空間存在溫度梯度，能源浪費嚴(yán)重，舒適性比較差，所以并不能應(yīng)用到高大空間采暖使用。當(dāng)前結(jié)合建筑物的形式，高大空間一般會選擇輻射采暖、熱風(fēng)采暖等方式。

1 工業(yè)廠房高大空間采暖設(shè)備概述

輻射采暖具體包含電熱輻射采暖、燃?xì)廨椛洳膳瘍煞N。電熱輻射采暖就是通過電能輻射的方式滿足采暖的要求，燃?xì)廨椛洳膳峭ㄟ^燃?xì)庾鳛槟茉催M(jìn)行輻射采暖，其能源節(jié)約量可以達(dá)到30%～60%，成本降低明顯。雖然燃?xì)廨椛洳膳绞叫矢摺⒊杀镜?，但是日常運行中，要加強(qiáng)管理，否則容易引發(fā)嚴(yán)重的泄漏事故。高大建筑物如果選擇傳統(tǒng)散熱器方式進(jìn)行采暖，大跨度空間布置難度較高，不僅導(dǎo)致空間占用較大，還會導(dǎo)致輻射面積小。而高大空間熱風(fēng)采暖設(shè)備通過循環(huán)送風(fēng)的方式，可以快速制冷和制熱，溫度控制精度較高，內(nèi)部空間舒適度好。高大空間使用專業(yè)空調(diào)吊裝屋頂?shù)男问?，制熱時，利用水或者蒸汽實現(xiàn)。設(shè)備內(nèi)通入水或空氣，經(jīng)過熱交換器進(jìn)行空氣加熱處理，然后將安裝到頂部的吸風(fēng)式高壓軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制將制熱空氣循環(huán)下送，而設(shè)備內(nèi)部的空氣泵傳輸方式將其進(jìn)行提壓處理，然后經(jīng)過導(dǎo)流葉片導(dǎo)向，經(jīng)過噴口出來，然后分布到整個內(nèi)部空間中[1]。

2 工業(yè)廠房高大空間采暖設(shè)計方案比選

2.1 高大建筑空間輻射采暖方式

高大建筑空間輻射采暖的方法包含低溫地板輻射采暖、中溫輻射采暖、高溫輻射采暖等幾種，具體選擇哪一種方式，要根據(jù)室內(nèi)的條件來分析選擇。①低溫地板輻射采暖。該方式應(yīng)用之后，室內(nèi)環(huán)境溫度上升速度較快，工作區(qū)域內(nèi)溫度較高，熱量分布均勻性好，且人體和熱輻射表面距離較小，受到輻射的熱量也比較大，人體的舒適性較好。該方式應(yīng)用的是低溫設(shè)備，通常為50～70℃之間，通過余熱或者地?zé)崴梢詫崿F(xiàn)，節(jié)能環(huán)保性非常好。但是因為地面使用性質(zhì)限制，導(dǎo)致高大廠房有很多設(shè)備的區(qū)域難以使用。②中溫輻射采暖。該方式的采暖應(yīng)用之下，室內(nèi)空間溫度上升速度較慢，溫度升高比較小，室內(nèi)溫度不高，且人體受到的輻射熱比較少，所以舒適性不足。沿著墻壁設(shè)置較多的中溫輻射板，雖然可以快速吸收地面的輻射熱，但是因為傳熱機(jī)理的影響，導(dǎo)致熱舒適感不足。③高溫輻射采暖。溫度在500℃以上，通常會選擇應(yīng)用熱氣體作為媒介，因為輻射溫度較高，所以人體吸收的輻射熱也比較多，地面、設(shè)備、墻壁等吸收輻射量增多，溫度上升明顯。從傳熱機(jī)理的角度出發(fā)，室內(nèi)空氣溫度升高較快，所以熱舒適感要明顯優(yōu)于中溫輻射采暖，且節(jié)能性較好。因為高溫輻射采暖中，熱媒介的溫度較高，所以輻射管背部保溫措施的應(yīng)用可以減少熱量流失，需要加強(qiáng)控制。同時燃煤熱風(fēng)爐可以作為熱源轉(zhuǎn)換應(yīng)用，從環(huán)保方面出發(fā)是不可行的。

2.2 高大建筑空間熱風(fēng)采暖方式

熱風(fēng)采暖是應(yīng)用暖風(fēng)機(jī)把加熱后的空氣傳輸?shù)绞覂?nèi)空間，在工作區(qū)域內(nèi)會形成空氣環(huán)流，保證內(nèi)部空間熱量分布達(dá)到均勻性的要求。高大空間采暖機(jī)組，通常較為暖風(fēng)機(jī)，是熱風(fēng)供暖系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。該設(shè)備包含高壓頭風(fēng)機(jī)、高效換熱器、旋流送風(fēng)口等部件，將其安裝到廠房頂部，利用風(fēng)機(jī)循環(huán)內(nèi)部空間，然后將換熱器內(nèi)熱水的熱量以暖風(fēng)的方式送入到各個采暖空間中，效率高，效果好，可見圖1。對流散熱可以接近于100%，溫度上升的速度比較快，可以保證底部空間的溫度滿足要求，且經(jīng)濟(jì)性好。高大采暖機(jī)組的主要優(yōu)勢就是可以把熱水內(nèi)的熱量和自然上升的熱空氣強(qiáng)制均勻、舒緩地傳輸?shù)饺祟惢顒拥牡撞靠臻g，避免出現(xiàn)內(nèi)部空間熱量分布不均勻的情況。該方式的主要優(yōu)勢就是熱功率較大，作用高度比較大，覆蓋范圍比較廣，送風(fēng)靈活性好，可以隨時調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)，確保內(nèi)部舒適度。對于無法安裝大型散熱器的高大廠房空間，采取該裝置效果較好，見圖1。

圖1 高大空間采暖機(jī)組和散熱器的散熱示意圖

值班溫度可以達(dá)到5℃左右，而高大空間采暖機(jī)組運行中，工作環(huán)境中的溫度可以快速從5℃上升到16℃，非工作時間保持關(guān)閉狀態(tài)，防止發(fā)生能源浪費的問題。

一般情況下，熱風(fēng)采暖系統(tǒng)內(nèi)要安裝一臺或者多臺暖風(fēng)機(jī)，通過送風(fēng)口把熱風(fēng)直接傳輸?shù)焦ぷ鲄^(qū)域內(nèi)，因為集中送風(fēng)，所以溫度上升較快，且均勻性好，人體會有強(qiáng)烈的吹風(fēng)感受，且因為熱氣流上升，建筑頂部流失的熱量會比較多。為了能夠解決這一問題，在設(shè)計中應(yīng)用了橫向熱風(fēng)幕分層采暖系統(tǒng)方式，通過橫向噴射熱氣流的方式形成空氣幕，然后在內(nèi)部空間沿著高度方向分隔為下部工作區(qū)、上部非工作區(qū)，因為送風(fēng)溫度要比普通熱風(fēng)采暖低，且送風(fēng)量比較大，所以可以減少工作區(qū)內(nèi)熱氣流向上升，豎直方向并不存在較大的溫度梯度。經(jīng)過設(shè)計方案的仿真模擬，現(xiàn)場調(diào)試檢測，發(fā)現(xiàn)高大建筑內(nèi)部空間應(yīng)用這一采暖方式的舒適性較好，且比傳統(tǒng)采暖方式能源節(jié)約可達(dá)40%以上[2]。高大廠房空間內(nèi)，和高溫輻射采暖方式對比分析，熱風(fēng)幕分層采暖方法的溫度升高速度快，溫度分布比較好，且熱風(fēng)幕具備一定的阻隔效果，降低的熱氣流上升速度，還能夠防止產(chǎn)生嚴(yán)重的熱量損失，節(jié)能、舒適、安全是其主要特性。廠房內(nèi)存在一定的有害性物質(zhì)，或者分布著較多的粉塵等顆粒物，容易導(dǎo)致空氣質(zhì)量變差。要想徹底解決這一問題，可以在廠房內(nèi)布置雙層熱風(fēng)幕的形式，上層熱風(fēng)幕直接抽取室內(nèi)空氣，進(jìn)行凈化性處理，可以加熱噴射。下層熱風(fēng)幕需要從室外抽取新鮮空氣，并且加熱噴射出去，促進(jìn)工作區(qū)域內(nèi)空氣質(zhì)量改善。

3 具體工程應(yīng)用分析

3.1 供熱負(fù)荷計算

某采暖工程項目中，熱負(fù)荷數(shù)據(jù)為供暖系統(tǒng)設(shè)計的主要數(shù)據(jù)，對于供暖方案選擇、管道直徑、末端設(shè)備選擇有著重要的作用，也會給系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。因此，需要準(zhǔn)確計算工廠內(nèi)熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。廠房設(shè)計中，供暖熱負(fù)荷的確定要從下述幾個方面出發(fā)計算分析：①外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量、附加熱耗量，主要指的是外墻、外門、屋面、地面等；②門窗縫隙所產(chǎn)生的冷風(fēng)滲透的熱消耗量；③單層廠房的大門開啟時產(chǎn)生的熱消耗量；④其他方式所產(chǎn)生的散熱量。對于本次工程案例來說，前三種是主要的散熱方式，其他因素給室內(nèi)空間熱量的影響比較小，可以忽略不計。因為工業(yè)廠房建筑內(nèi)部空間高度較高，室內(nèi)外的溫差還是比較大的，冷風(fēng)滲透量也比較大，所以不能應(yīng)用縫隙法計算，可以通過換氣法進(jìn)行計算。車間內(nèi)的大門位置上設(shè)置風(fēng)幕，所以開啟沖入的冷風(fēng)消耗量計算，只是根據(jù)部分小門的冷風(fēng)侵入耗熱量計算。分析該建筑具體情況，熱負(fù)荷計算要從三面外墻、地面、屋面等方面計算，具體結(jié)果可見表1。

表1 車間的熱負(fù)荷計算數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

熱負(fù)荷計算完成后，還要選擇供暖系統(tǒng)形式。廠房鍋爐房的作用就是提供熱水完成供暖，供回水溫度為85℃/60℃，因此，應(yīng)用的是散熱器采暖系統(tǒng)聯(lián)合高大空間采暖機(jī)組以達(dá)到供暖要求。分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，該廠房內(nèi)跨度尺寸較大、空間大、隔墻少，并未有可以設(shè)置散熱器的空間。供暖系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)，散熱器應(yīng)用的是散熱量很大的高頻焊管螺旋翅片管散熱器，南北墻的柱間都設(shè)置了散熱器，數(shù)量比較多，東外墻外門比較多，并不能設(shè)置散熱器，大門位置上設(shè)置落地式側(cè)吹風(fēng)幕[3]。計算確定，散熱器總散熱量為1284kW。因此，散熱器承擔(dān)總熱負(fù)荷的34.6%，其他的65.4%是高大空間采暖機(jī)組提供，散熱量為2428kW。按照國家標(biāo)準(zhǔn)，考慮到設(shè)備間距、散熱環(huán)境、安裝高度等要素，最終確定高大采暖機(jī)組數(shù)量為39臺，可見圖2，具體設(shè)備見表2。

表2 高大空間采暖機(jī)組選型參數(shù)

圖2 某廠房散熱器與高大采暖機(jī)組布置剖面圖

因為散熱器與高大空間采暖機(jī)組設(shè)備壓差較大，所以分開設(shè)置兩套水系統(tǒng)，讓兩個系統(tǒng)實現(xiàn)獨立運行。散熱器熱水系統(tǒng)可以保證非工作時間內(nèi)的環(huán)境溫度，打開高大空間采暖機(jī)組，水系統(tǒng)可以保持室內(nèi)空間的舒適度，且可以分區(qū)域進(jìn)行控制，避免無人區(qū)域存在能源浪費[4]。此時要注意，高大空間采暖機(jī)組的供暖水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)盤管制熱運行中，和水系統(tǒng)原理是相似的，管徑按照空調(diào)水系統(tǒng)制熱條件下的公式計算確定，所以管路水系統(tǒng)比摩阻不能超過100～300Pa/m。該系統(tǒng)和以往的空調(diào)水系統(tǒng)有差異，即只完成供熱，并不需要布置冷凝水管道。

4 結(jié)語

經(jīng)過上文的分析，結(jié)合相同類型廠房經(jīng)驗，總結(jié)出如下結(jié)論：①高大廠房熱負(fù)荷計算環(huán)節(jié)，重點分析冷風(fēng)滲透影響，該部分熱量占比較大。準(zhǔn)確計算熱負(fù)荷，對廠房舒適度影響較大。②對于高大空間采暖來說，選擇合適散熱器裝置和高大空間采暖機(jī)組聯(lián)合，供暖效果比較好，設(shè)計施工也非常得方便，且可以達(dá)到區(qū)域化管理的要求。③散熱器與高大空間采暖機(jī)組設(shè)備末端阻力差距大，所以系統(tǒng)分開設(shè)置，在高大空間采暖機(jī)組管徑設(shè)計環(huán)節(jié)，根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)制熱公式展開計算。此外，在高大空間采暖機(jī)組選擇環(huán)節(jié)，對比市場供應(yīng)產(chǎn)品，確定合適的設(shè)計方案，如果設(shè)備選擇不當(dāng)，必然會導(dǎo)致熱風(fēng)供應(yīng)不足，影響供暖效果。因此，在廠房高大空間采暖設(shè)計環(huán)節(jié)，要做好方案對比，綜合考慮各個要素，以促進(jìn)采暖效果的提升，滿足當(dāng)前廠房供暖需要。