燃气辐射供暖在高大空间建筑物供暖中的应用

                           概述

　　我国目前采暖系统绝大部分采用蒸汽或热水作为介质，通过空气对流传热形式来取暖。采用这种方式采暖能耗相对较大，而热空气又总是在房间的上半部分，实际需要用热的人和物体都在温度相对较低的房间下部，人体舒适感较差。对于具有跨度大、落空高等特点的非居住高大空间建筑，由于门窗面积大，隔热性能差，高度每增加1 m，采暖负荷就要增加2％(对4m以上高度的建筑)，所以单位面积的采暖热负荷很大。对解决高大建筑的采暖能耗大、效果差的问题，国内外已经作了很多研究，目前比较常用主要有热风采暖和辐射采暖等方式。热风采暖是利用暖风机、风道等将热风直接送人室内的采暖方式，送风比较集中，温度分布的均匀性较差，人体有较强的直接吹风感，垂直方向有较大的温度梯度。尽管国内研究设计了横向热风幕分层采暖系统，但热能损失及风机的能耗还是很大，致使应用范围局限于部分工业厂房。辐射采暖是通过安装在建筑物顶棚下面、墙壁上的或地板下的辐射采暖设备，以辐射形式将热量直接辐射在需要采暖的人体和物体上的采暖方式。辐射采暖中比较常用的是陶瓷板和双金属网辐射采暖器，其中陶瓷板辐射采暖器包括1个附着在混合燃烧室上的多孔陶瓷板，燃烧室为陶瓷板的表面提供了燃气和空气的混合气。气体在陶瓷板表面燃烧，使陶瓷板加热变红，温度达800℃，从而释放出大量红外线辐射。但双金属网或陶瓷板辐射采暖器的缺点是将烟气排到室内，因此限制了其使用范围。
　　

    目前国外高大空间建筑采暖广泛使用一种负压运行、低强度的红外辐射采暖系统——燃气红外柔强辐射采暖系统，我国国内也有许多高大建筑采暖工程使用。本文主要对燃气红外柔强辐射采暖的特点进行分析。

　　1、 燃气红外柔强辐射采暖技术可行性
　　1．1 燃气红外柔强辐射采暖的基本原理
　　燃气红外柔强辐射采暖是以辐射为热量传递方式，以天然气、液化石油气、人工煤气等作为热源。由于空气是一种可通过热辐射的物质，因此辐射热在空气中基本上不会被吸收，也不会被反射。当辐射系统的强红外射线(波长2．5-1 000μm)接触地面、人和物体时，所发出的能量被实物表面所吸收，并使之变热。受热表面通过这些物体进行二次辐射又使附近空气温度升高，从而把热量释放到工作空间。
　　1．2 燃气红外柔强辐射采暖系统的组成
　　燃气红外柔强辐射采暖设备由燃烧器、辐射管路及反射板、风机(正压)或真空泵(负压)、废气排放装置和温度控制器等组成(见图1)。

燃气辐射采暖用真空泵(风机)驱动，使热流体在系统的辐射管路内流动，并将尾气排放到室外。系统在采暖空间内将辐射管路悬挂在天花板或屋顶网架的下方，与辐射管路上方的反射板一同向下方空间辐射热量。
　　靠近燃烧器管路的辐射热交换强度较高，称之为辐射管，一般布置在建筑内热负荷最大区域的上方；其余部分管路的辐射热交换强度较低，称之为尾管，一般布置在建筑热负荷相对较小区域的上方。辐射管的长度由燃烧器的热负荷决定，而尾管的长度是能够将流动的高温余气冷却至适合真空泵运行的温度的最小长度。
　　辐射加热系统设计的关键是将辐射管和尾管布置在建筑内热损失较大区域的上方，如建筑的边缘地区，一般无需考虑将热量直接辐射至建筑内的整个区域。如果系统的设计热量通过计算能够满足整个建筑的需要，则建筑的中心区域及其他热损失较小的区域无须直接辐射加热即可达到设计要求，因此整个系统的费用显著降低。另外根据需要同一条热辐射管路上多个燃烧器可以串联工作，具有灵活的系统配置，正确的设计施工可保证系统具有最高的热效率和辐射效率。
　　1．3 红外柔强辐射加热系统的优点
　　(1)安全保证
　　只有在负压状态下管路内的气体才能流动，避免了泄漏问题。系统在正常运行的负压范围内燃气和空气的流量比基本是常数。系统辅以自控系统，装设燃气泄漏报警系统对系统的运行随时设定和监控，火灾报警系统与燃气泄漏报警系统联锁，如发生火灾报警，燃气总管上的电磁阀同时关闭。红外线辐射采暖可以分成多个系统，按照建筑物防火分区独立设置，不穿越防火墙，防火问题得以解决。
　　(2)节能与舒适
　　使用此辐射采暖系统时，由于实际受辐射物体温度比空气高3—5℃，与传统对流采暖系统相比，达到相同热效果时室内气温较低；同时由于空气分层的减弱，导致建筑物墙壁和天花板温度降低，传热损失相应减少，系统节能效果显著。
　　(3)消毒杀菌作用
　　红外线的消毒杀菌的作用还可以使不太流通的室内空气清新，同时对于慢性痛疼和炎症性疾病有一定的疗效。
　　1．4 红外柔强辐射加热系统的缺点
　　(1)采用燃气红外辐射采暖时，系统必须配备相应的防火、防爆和通风换气等安全措施。设备初投资相对较大。
　　(2)红外线辐照度不能太大(一般人体能承受的最大辐照度为0．1W／cm²左右)，以免过量的红外幅射“烤”伤皮肤，这就限制了辐射装置的安装高度不能过低(≥5．8m)。
　　(3)燃气辐射采暖系统的温度场的研究、高温燃气辐射供暖方式下人体舒适感的研究还比较少，其效果还缺乏定量的分析。

　　2、辐射采暖的实际节能效果
　　某工程拟采用辐射采暖情况如下：一期厂房供热面积23 000m²，考虑车间内工艺条件以及空间高度(6 m)，面积热指标取75 W／m²，总热负荷为1 725kW。二期厂房供热面积21 000m²，面积热指标取75W／m²，总热负荷为1575kW。
　　2．1 两种热源方案比较
　　(1)方案1：厂房采用散热器系统供热(由于厂房对风速和噪声的限制，不宜采用热风采暖)，热源采用燃气热水锅炉。
　　(2)方案2：厂房采用燃气红外辐射采暖系统。
　　2．2 主要设备初投资及运行费用比较
　　主要设备初投资由设备费、增容费、土建费用构成。其中电增容费900元／kW，燃气增容费1 600元／(m³·h^-1)。
　　运行费主要为能耗费(电费、燃气费)，电价按0．6元／(kW·，h)计，燃气价格按2．1元／m³计。
　　(1)方案1与方案2的设备费见表1，2。
　　(2)土建费
　　方案1：需要建采暖锅炉房，面积约为150m²，土建投资1 100元／m²，总土建投资约为16．5万元。
　　方案2：燃气辐射采暖由于只需要很少的一部分建设费用，所以土建费包含在增容费里进行核算。
　　(3)增容费：方案1为64．4万元，方案2为52．45万元。
　　(4)方案1的初投资为213．86万元，方案2的初投资为375．05万元。
　　(5)运行费用见表3，计算条件如下。