高大厂房不同采暖形式温度场的实测与分析

许远超，王蒙蒙，李苏泷

(1．机械工业第六设计研究院有限公司，河南 郑州，450007;

2．南京理工大学 能源与动力工程学院，江苏 南京，210094)

0 引言

随着我国经济的发展，为满足生产要求，一些规模庞大、功能各异的工业生产厂房不断涌现出来。这类高大空间建筑面积达数万平方米，高度达数十米甚至十几米［1］。这使采暖设计及供暖运行都不同于一般的民用建筑和工业建筑。目前，国内高大厂房仍处于以传统的对流采暖方式供暖，为达到一定的供热效果，必须加热建筑物里所有空气，热空气再将热量传给人或物体，采暖热损失极大。针对这种现状，国内开始引进较先进的燃气红外线辐射采暖系统，来解决高大空间采暖问题［2］，但由于技术尚不够成熟，人们往往对这种采暖形式的安全舒适性和能耗经济性存在质疑。下面通过对采用这两种形式供暖车间温度场的实测展开分析。

1 测试对象介绍和测试方案

1．1 测试对象

选择采用暖风机采暖的沈阳某机床厂和采用红外线辐射采暖的沈阳某重工机械厂为测试对象，室外温度为－7℃左右。

1．2 测试方案

由于室内暖风机和辐射采暖设备下方高度10.5 m 左右，在房间中部设置垂直排列的8 个测点，分别距离地面的位置为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、7 m、8 m、10 m。以5 min 为一个时间点连续测试，每个温度测点共测27 次。以平均值作为该点测量值。

2 测试结果及分析

2．1 测试结果

车间垂直温度场见图1 ～图2。

2．2 测试结果分析

(1)图1 室内温度分布呈现由上往下依次递减，接近线性分布。暖风机下方区域10 m 高度处温度达到最大值18．24℃，温度梯度达到0．97℃/m，而到了地面以上2 m 范围内的工作区，温度递减到14℃，与吊顶以下的温度相差4℃之多，温度梯度较小，为0．5℃/m 以下。

图1 暖风机采暖

图2 红外线辐射采暖

(2)图2 车间温度分布趋于一致，基本维持在9 ～10℃。吊顶下方温度为9．43℃，温度梯度出现负值为－0．09℃/m。工作区范围内温度为9℃左右，与吊顶下方温度仅相差0． 47℃。梯度为0.17℃/m。

2．3 小结

2．3．1 热负荷计算

暖风机对流采暖热舒适性取决于室内空气温度的高低，辐射采暖主要依靠辐射散热供暖，只伴随少量的对流传热。采暖时的热效应以实感温度也即黑球温度作为衡量标准［3］。经测量红外线辐射采暖室内黑球温度平均为12．57℃，高于室内空气温度3℃左右。因此相同热舒适条件下辐射采暖设计温度可低于对流采暖2 ～3℃［4］。从而室内外温差、热压差小，冷风渗透量小，热损失降低。

2．3．2 采暖热效率

暖风机系统以热水或蒸汽为热媒加热空气，再靠风机将加热后的空气强制送至工作区循环供暖。这势必会造成暖风机下方空气温度远高于工作区温度，热量大量积聚在车间上部［5］。当厂房上部设有有害气体排风系统时，热量未被利用便直接散出造成能源的严重浪费，热源从锅炉引出后，沿途也会产生10% ～15%热损失。红外线辐射采暖直接加热人和物体，不以空气为传热介质，车间空气温度均匀一致，燃气输送过程中没有什么损失，同时辐射器燃烧完全，效率可达到95%以上［6］。

2．3．3 采暖热效应

红外辐射采暖利用红外线传热，而红外线又是可见光的一部分，以光速传播，所以辐射面达到一定温度后，即可加热人体或设备，升温迅速，热效应好［7］。

在采暖期间，四周围护结构，地面以及室内设备均吸收辐射热并蓄存一部分，当辐射采暖停止时，这部分蓄存的热量开始向环境放热，还可以保持一定的热环境。对流采暖则是通过与空气二次换热供暖，升温缓慢。

2．3．4 舒适性方面

暖风机采暖时，机组送出的热射流方向与厂房内热空气浮升方向相反，减少了室内垂直方向上的温度梯度，一般为0．5 ～1℃/m［3－6］。辐射采暖车间内温度梯度更小，且围护结构温度较对流采暖温度高，人对外界辐射有效辐射减少。周围空气温度低正好可以加大人体的对流散热，与人体生理要求相吻合，使人感到舒适。

2．3．5 使用方面

燃气红外线辐射能够实现室温定时、定向、定区域供热。操作简单，可以设置成温度或时间进行自控，也可由工作人员手动控制。整个系统采用负压运行方式，发生器装有自动点火装置，无爆燃点火现象，尾气由真空风机排往室外，安全环保［8］。

3 能耗经济性比较

(1)方案设计

以某联合厂房为例:

方案A:采用集中热源+暖风机系统供暖;方案B:燃气红外线辐射采暖系统供暖。

(2)基础数据

厂房面积为26 632 m2，高度为14．4 m，根据建筑专业施工图以及当地气象参数，室内设计温度为15℃，采暖热负荷为3 320 kW·h。工厂工作时间为三班制，供暖天数155 d，天然气价格为2．67 元/m3。

(3)耗热量计算

供暖全年的耗热量为［9］

Qq= 0．001KF(tn－ twp)(H × Z)

式中 Qq——全年耗热量/kW;

K——围护结构传热系数/W·m－2·℃－1;

F——围护结构面积/m2;

tn——室内温度/℃;热水采暖取15℃;

twp——供暖期室外平均温度/℃;取－4．6℃;H——每天供暖时间/h。由于集中供热连续运行，取24 h;燃气辐射采暖取20 h(其中一天内16 h 为全负荷运行，8 h 为半负荷运转，折为4 h 全负荷运行)。

Z——供暖期天数/d。取155 d。

由于Qq=0．001KF(tn－twp)=3 320 kW，则

KF=3320 kW×1000/［15 －(－4．6)］=169387

按暖风机对流采暖计算，则

使用辐射采暖系统时，tn取15 －3 =12℃，《采暖通风与空气调节设计规范》中明确规定燃气红外线辐射采暖时的设计温度可比对流采暖低2 ～3℃，计算时可不进行高度附加。则

节能率计算

(4)运行费用的计算方案A:

算法一:按耗热量收费计算，1 GJ 热量收费65.5 元(注:供热费按65．5 元/GJ 收取，数据来自天津开发区)。

算法二:按面积收费计算，集中供热收费标准:3．8 m 以上的建筑物为:6．92 AH/3．8 元/(m2·月)。(A 为采暖面积，H 为厂房高度)算法一

Ia1=44461．04 GJ×65．5 =291．2 万元算法二

Ia2=6．92 ×26632 ×5 ×14．4/3．8 =349．2 万元方案B:

I=QqB/Cη

式中 Qq——全年耗热量/kW;B——天然气价格;C——燃料热值/kJ·m－3，取3．6425 ×104kJ/m3;

η——运行效率，取0．9。

代入数据

I2=8716654 ×3600 ×2．67/(3．6425 ×104×0．9)=255．5 万元

4 结语

燃气红外线辐射采暖是近几年发展的先进技术，本文从多方面介绍了燃气红外线采暖相比于对流采暖具有高效节能、热舒适性好、环保等一系列优良特性，并通过能耗经济性分析，得出燃气红外线辐射采暖相比于对流采暖可节能30%和年运行成本低的结论。笔者认为红外线辐射采暖是目前高大厂房最经济、最有效的供暖方式，应该积极采用。

［1］ 赵宇，高扬．高大厂房采暖设计形式探讨［N］．科技创新导报，2012 －01 －11(2)．

［2］ 腾羽．浅谈燃气红外线辐射采暖［J］．黑龙江科技信息，2009，24(22):294．

［3］ 宁涛．燃气红外线辐射供暖在高大厂房中的应用［J］．铁道标准设计，2009(7):107 －110．

［4］ 陆耀庆．实用供热空调设计手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，2002．

［5］ 李永刚．高大厂房射流式暖风机的采暖及节能效果［J］．钢铁技术，1999(1):50 －51．

［6］ 邬艳华．红外线辐射采暖原理及特点［J］．中小企业管理与科技，2008，12(6):208．

［7］ 韩彦恒．红外线辐射采暖方式的特点分析［J］．民营科技，2013(5):150．

［8］ 薄迎．大空间建筑燃气红外线辐射供暖系统的探讨［J］．煤气与热力，2005，25(9):41 －44．

［9］ 中国建筑科学研究院． 采暖通风与设计调节规范:GB50019 －2003［S］．2004．