大空间建筑燃气红外辐射采暖系统的设计研究

同济大学机械与能源工程学院　林立春　黄思怡　冯　良

大空间建筑燃气红外辐射采暖系统的设计研究

同济大学机械与能源工程学院林立春黄思怡冯良

设计了一套适用于大型实验室的金属纤维红外辐射采暖系统，并搭建了实验测试平台。对该采暖器样机的性能进行了实验测试，研究证明所设计的燃烧系统符合现在大空间采暖的要求，并且具有低污染物排放的特点，为高大空间的燃气红外线辐射采暖系统的设计开发提供了参考。

大空间建筑燃气红外线辐射采暖全预混金属纤维

高大空间建筑与普通建筑相比具有跨度大、层高大、门窗面积大及围护结构传热系数大等特点。若采用传统的对流换热方式采暖，由于热空气上浮，形成室内温度梯度是上热下冷，而室内的人、设备等需热空间基本在地面0~2 m的空间，从而导致所需散热器数量多、占用空间、采暖系统环路难布置、屋顶散热量较大等诸多问题。燃气辐射采暖系统具有使室内温度梯度小、热损失小、布置灵活、可分时分区域采暖和节能高效的特点，因此更适合高大空间建筑物使用。

目前燃气辐射采暖方式，一般可以分为辐射管式辐射采暖和直接燃烧红外式辐射采暖。辐射管式辐射采暖系统的辐射温度较低，辐射管尺寸与辐射功率直接相关，而大尺寸的辐射管严重影响了建筑空间的利用，所以该供暖方式在不超过15 m的高大建筑中应用较为广泛，在高度较高的建筑中的使用受到了限制。直接燃烧红外式辐射采暖辐射温度较高，但缺点是大量烟气将直接排在室内。

本文以某高校的大型实验室为例，在已有的技术和数学模型的指导下，设计了一套适合大型实验室的全预混燃烧金属纤维红外辐射采暖系统，开发了采暖器样机，并对其进行实验测试分析，旨在为高大空间工业建筑的供暖系统设计提供参考。

1　全预混红外辐射采暖系统设计要点

燃气红外辐射采暖样机主要由燃烧系统和燃烧器控制系统组成。以下对系统的几个设计重点进行详述。

1.1强制鼓风式金属纤维燃烧器头部的设计

全预混燃烧易回火、脱火，采用金属纤维的火控形式可以提高全预混燃烧的火焰稳定性。金属纤维燃烧器的头部一般由金属纤维多孔介质、多孔支撑板、气流分配板、壳体、燃气—空气混合物入口等几部分组成。当燃烧器头部面积较小时，不需要气流分配板；燃烧器头部面积较大时，不但需要多孔支撑板或金属支撑网，还需要气流分配板，以保证将燃气—空气混合物均匀地分布在金属纤维多孔介质上，并进行稳定和完全的燃烧，为此要求头部各点压力尽可能均匀并达到一定的数值。

本文所设计的金属纤维红外燃烧系统是针对高大空间工业建筑采暖设计的，其头部结构示意图如图1所示，将燃烧器头部设计成圆筒长条形，在圆筒表面的1/3部分(即120°)覆盖金属纤维，悬挂安装后让表面金属纤维部分面向地面。为了使燃气-空气混合气在金属纤维表面分布均匀，燃烧器头部金属纤维表面下采用分流板，当燃气—空气的混合物在风机的压力下进入辐射管时，均匀通过分流板上的小孔，进而在金属纤维表面燃烧。

图1　燃烧器头部结构示意

1.2燃烧控制系统

全预混燃烧系统的燃烧控制器可以实现燃烧系统的自动点火控制、防爆安全控制等基本燃烧控制的基本功能，还可以接受外部控制信号，实现负荷的手动及自动控制。控制器接线如图2所示。

图2　DFC-1燃烧控制器接线

1.2.1自动点火控制

自动点火控制是燃气燃烧器实现燃烧自动控制的重要组成部分。小型的燃气燃烧器采用的是连续脉冲点火花直接点火，即电火花直接点燃燃烧器。点火器的正常工作需要考虑电火花能量、点火频率和点火位置。

本课题采用的点火器为丹佛斯点火变压器052F0040，外形如下图3所示。

图3　高压点火器

技术参数如下表1所示。

表1　高压点火器技术参数

其中采用电子脉冲工作原理的点火变压器允许的点火时间以3分钟内的点火百分比表示(ED)。

1.2.2防爆安全控制

为了防止爆炸，确保燃烧器的安全运行和操作人员的安全，需要在燃烧自动控制系统中设置“前吹扫”和“后吹扫”以及熄火保护措施等安全控制环节。“前吹扫”是指向燃烧室供给燃气并在点火器点火前，先启动风机，将燃烧室内可能残存的燃气驱走。“后吹扫”是指在燃烧器每次燃烧结束后，风机继续运转，使残留的可燃气体全部排出燃烧室。同时设置火焰熄火保护装置，一旦燃烧器火焰熄灭，马上切断燃气供应，并采取吹扫措施消除爆炸或者燃气泄露的隐患。

2　燃气红外辐射采暖样机设计

2.1燃气红外辐射采暖样机

本课题以某高校大型实验室为设计对象，该实验室长7.2 m，宽4.2 m，高度4 m，墙壁均是普通的24墙(双面抹灰)，地面和天花板均是普通的水泥混凝土地面，外窗为单层钢窗，门为普通单层木门。通过负荷计算，燃烧器样机设计热负荷取为12 kW。

燃气红外辐射采暖样机主要由燃烧器头部、混合器、燃气调节阀、燃气电磁阀、助燃风机(可调风门大小)、燃烧器控制器等组成。燃气辐射采暖器样机整套结构示意图如图4所示。

图4　高强度燃气辐射采暖器整套结构示意

(1)辐射采暖器的燃烧器头部为带状金属纤维网，金属纤维材料采用美国MFT公司制造的新型Fe、Cr、Al、M合金材料，样机用金属纤维网面的设计尺寸为500×8 mm。

(2)助燃风机，样机中采用瓦斯炉用鼓风机，型号为WGFJ-G006，额定功率为25 W，额定风量为138 m3/h。

(3)燃气-空气混合器，样机选用上海梅帝燃气设备技术有限公司的生产的M25型混合器。

(4)燃烧控制器，样机选用上海梅帝燃气设备技术有限公司生产的DFC-1控制器，燃烧控制器主要有高压点火器和电路控制板组成。

(5)燃气电磁阀，采用双24 V燃气电磁阀。

2.2工作原理

采暖器开始工作时，按下燃烧控制器8的开关，风机7开始启动，风机先进行预吹扫，排尽燃烧器里面可能残留的可燃气体，防止发生爆燃现象。然后燃烧控制器8打开高压点火器，点火针3上产生高压电火花，同时燃气电磁阀6自动开启，燃气从外部燃气接入管9中进入，燃气和空气在燃气—空气混合器4中进行预混，在风机压力下进入燃烧器头部1中并被点燃，混合气体开始在金属纤维网2表面上燃烧，随后点火针切换功能进入火焰探测模式。调节燃气调节阀5，直到燃烧进入红外辐射状态。如果需要调节燃烧器的功率，可以按刻度先慢慢调节风机7的风门，再调节燃气调节阀5，直至燃烧进入红外辐射状态。

该红外燃烧器样机中采用的是通过调节助燃风机的风门和燃气调节阀的开度大小实现燃烧负荷的控制。一旦燃烧器不能正常工作(没有点燃或者燃烧过程中发生熄火等异常现象)，燃烧控制器8会自动启动熄火保护功能，燃气电磁阀6会立刻切断燃气供应，风机继续运转进行后吹扫，红灯闪烁报警，保证安全。

2.3红外辐射采暖器悬挂高度分析

使用燃气红外辐射采暖时，金属纤维红外燃烧器发出的红外辐射线首先到达人体的头部。由于金属纤维燃烧器表面的温度很高(经常高达1 000℃)，辐射能力很强，为保证人体安全，在燃气红外辐射采暖系统设计时必须使燃烧器和人体之间有一定的距离(安全高度)。

因此在对房间进行红外辐射采暖系统设计时，必须对红外辐射采暖器悬挂的高度问题进行分析。本文以人体头部所能忍受的辐射强度(70 W/m2)为上限进行计算。

不同红外燃烧辐射负荷下采暖器悬挂的最低高度h，如表2中所示:

表2　红外燃烧器安装的最低高度

3　性能测试及分析

3.1实验系统与主要实验设备

在该大型实验室内，搭建实验平台，实验系统如图5所示，实验设备装置实物图如图6所示。

图5　主要实验设备连接示意

图6　实验装置

3.2性能分析

3.2.1采暖效果分析

测试前实验室房间温度场分布情况如图7所示，实验室平均温度为10.9 ℃。

图7　第120分钟房间温度场分布

室房间开启金属纤维红外辐射采暖器，室内物体温度上升很快，距离采暖器中心下方较近的某典型测点在采暖燃烧器工作20 min后，物体表面温度上升10.3 ℃，改测点处空气温度上升6.2 ℃。燃烧采暖器工作120 min后，各测点温度如图8所示，房间内温度比较均匀，平均温度达到20 ℃，满足采暖设计要求。

图8　第120分钟房间温度场分布

3.2.2全预混红外燃烧器的燃烧特性测试及分析

过剩空气系数和表面热强度对烟气中污染物浓度的排放有较大的影响。在已有的金属纤维燃烧器研究中发现在红外燃烧工况下，过剩空气系数在1.35~1.55之间时，烟气中CO浓度最小。当过剩空气系数小于1.35时，随着过剩空气系数a的减小，烟气中CO的浓度迅速升高。当过剩空气系数大于1.56时，CO浓度随着过剩空气系数a的增大也迅速提高，即烟气中污染物CO的浓度随着过剩空气系数a的变化呈现出的变化曲线为“U”型。而在实际应用过程中，过大的过剩空气系数会降低烟气的温度，导致燃烧热效率降低，所以过剩空气系数a一般取值1.25~1.5。因此，本课题研究在过剩空气系数a=1.1~1.5范围变化时烟气中CO和NOx的排放情况以找出合适的过剩空气系数，保证在稳定燃烧的基础上实现降低烟气中CO和NOx的排放要求。不同过剩空气系数下污染物排放情况见图9。

由图9可以看出，全预混红外燃烧过程中CO、NOx的排放量都很低，在过剩空气系数a在1.1~1.51之间变化时，浓度都在50×10-6以下。在一定的表面热强度下，过剩空气系数a=1.1~1.5时，随着a的增大，烟气中CO和NOx的浓度逐渐减少。当过剩空气系数a=1.51时，CO和NOx的浓度都最低，其中CO的浓度为14×10-6，NOx的浓度为6×10-6。

图9　烟气中的CO、NOx随过剩空气系数变化趋势

固定过剩空气系数a=1.5，调节风机的风量大小，以获得不同燃烧热强度下的污染物排放规律。实验结果如图10所示。

图10　不同表面热强度下烟气中CO、NOx的浓度

在一定空气系数的情况下，随着表面热强度的增大，CO、NOx的排放量会略有增加，但变化不明显。金属纤维在红外燃烧工况下，辐射表面温度的范围是700~1 000 ℃，优越性明显。

4　结语

本课题设计的金属纤维红外采暖系统在运行过程中，大空间内温度梯度小，温度场分布比较均匀，房间内的物体温度比其周边的空气温度上升更快，可以满足工业建筑采暖的要求。

该燃气红外线采暖系统中的全预混金属纤维燃烧器燃烧状态良好，火焰稳定，没有出现脱火、回火、熄火等异常现象，具有污染物排放低、燃烧效率高、抗热冲击性能高、燃烧功率调节范围宽等优点。当过剩空气系数a=1.51时，CO和NOx的浓度达到最低。

Research on the Design of Gas-fired Infrared Radiant Heating System in Large Space Buildings Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Lin LichunHuang SiyiFeng Liang

Based on the engineering application, a metal fiber infrared radiant heating system is suitable for the large-scale laboratory. An experimental test platform was built to test the performance of the heating device prototype. The study shows that the designed combustion system meets the heating demand for large space with the characteristics of low pollutant emissions, and provides large space buildings a reference for the design and development of the gas-fired infrared radiant heating system.

large space buildings, gas-fired infrared radiant heating, full premix combustion metal fiber