摘要：介紹我國北方高大廠房典型的供暖方式，包括：散熱器供暖、暖風(fēng)機(jī)供暖、燃?xì)饧t外線輻射供暖。結(jié)合工程實(shí)例，對分別采用這3種供暖方式下的廠房內(nèi)溫度場進(jìn)行模擬，比較了系統(tǒng)造價(jià)及供暖期運(yùn)行費(fèi)。采用燃?xì)饧t外線輻射供暖方式時(shí)，廠房內(nèi)工作高度范圍內(nèi)的溫度較高，垂直高度溫度梯度小，水平方向溫度分布均勻。在3種供暖方式中，燃?xì)饧t外線輻射供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)、供暖期運(yùn)行費(fèi)最低。

關(guān)鍵詞：高大空間供暖；散熱器；  暖風(fēng)機(jī)；  燃?xì)饧t外線輻射供暖；  高大廠房供暖

Temperature Distribution and Economic Comparison of Different Heating Modes in Lofty Factory Buildings

Abstract: The typical heating modes including radiator heating，unit heater and gas-fired infrared radiant heating in lofty factory buildings in Northeast China are introduced．The temperature fields in factory buildings using three heating modes respectively are simulated with a project example，and the initial investment and operation cost of the heating system in heating period are compared with each other．The temperature in the range of working height in the factory building is higher，the vertical temperature gradient is smaller，and the horizontal temperature distribution is more uniform in the gas-fired infrared radiant heating mode. Among the three heating modes，the gas-fired infrared radiant heating mode is the minimum in the initial investment and operation cost of the heating system in heating period．

Key words: lofty space heating；radiator；unit heater；gas-fired infrared radiant heating；heating in lofty factory building

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，工業(yè)項(xiàng)目的發(fā)展保持著強(qiáng)勁的上升勢頭，工業(yè)廠房的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。如何在滿足生產(chǎn)要求的前提下，提高工業(yè)廠房內(nèi)工作環(huán)境的舒適度，并降低能源消耗，越來越引起人們的關(guān)注。尤其對于我國北方地區(qū)的高大工業(yè)廠房，多年來一直采用熱水供熱系統(tǒng)為主的供暖方式，往往存在能耗高、工作環(huán)境舒適度差的問題，諸多新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，為解決以上問題創(chuàng)造了條件^[1-5]。本文對高大廠房不同供暖方式溫度分布及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較。

1 高大廠房典型供暖方式

①散熱器供暖方式

對于我國北方既有高大廠房，絕大多數(shù)采用散熱器供暖形式。高大廠房的特殊性，例如體積龐大、較大的外門窗，造成單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)極高。根據(jù)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，北方機(jī)械加工廠房的單位面積熱負(fù)荷指標(biāo)為120～170 W／m²，焊接廠房更是高達(dá)250 W／m²，甚至更高。這造成了散熱器布置困難，即使外窗下、廠房內(nèi)各立柱兩側(cè)布滿散熱器，有時(shí)也難以滿足負(fù)荷要求，室內(nèi)熱環(huán)境較差。此外，由于廠房內(nèi)散熱器布置數(shù)量很多，造成室內(nèi)供暖系統(tǒng)復(fù)雜，并聯(lián)環(huán)路較多(同程系統(tǒng))，且并聯(lián)環(huán)路之間的計(jì)算阻力相差較大，易造成水力失調(diào)，增加了供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)試難度。

②暖風(fēng)機(jī)供暖方式

采用安裝在廠房高空的暖風(fēng)機(jī)，將熱風(fēng)送至工區(qū)，改善工作區(qū)的熱環(huán)境。暖風(fēng)機(jī)的安裝高度范圍為4～30 m，單機(jī)額定供熱量范圍為20～120 kW．單機(jī)輻射面積范圍為500～1 100 m²。暖風(fēng)機(jī)安裝在廠房高處，布置更加靈活，有利于控制工作區(qū)的熱環(huán)境。由于單臺暖風(fēng)機(jī)額定供熱量較大，可減少設(shè)備的數(shù)量，熱水系統(tǒng)也相對簡單。但是在冬季供暖時(shí)，暖風(fēng)機(jī)實(shí)際供熱能力下降比較嚴(yán)重。若降低暖風(fēng)機(jī)的安裝高度(例如安裝在5～8 m)，就只能安裝在廠房立柱的兩側(cè)，否則將影響吊車的正常工作，甚至造成事故。

③燃?xì)饧t外線輻射供暖方式

近年來，燃?xì)饧t外線輻射供暖方式越來越多地應(yīng)用于高大廠房，其主要優(yōu)點(diǎn)是安裝方便、可調(diào)節(jié)性好、輻射熱可更有效地提高工作區(qū)的熱舒適度。當(dāng)然，燃?xì)饧t外線輻射供暖也存在隨著安裝高度的增加，實(shí)際供熱能力下降的問題。值得注意的是，當(dāng)發(fā)生器設(shè)置在室內(nèi)時(shí)，應(yīng)對燃燒所消耗的空氣量進(jìn)行校核計(jì)算，由此判斷是否需要從室外供應(yīng)空氣。此外，煙氣管道盡量不要穿過屋面彩鋼板，以防屋面漏水造成工藝設(shè)備的損壞。

2 工程概況

分別采用以上3種供暖方式，針對某實(shí)際工程，采用CFD模擬軟件對廠房內(nèi)溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)GB 50019--2003《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，天津地區(qū)供暖室外計(jì)算干球溫度為-7℃，冬季通風(fēng)室外計(jì)算干球溫度為-6．5℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為l6℃。

項(xiàng)目位于天津市北辰科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)內(nèi)，主要承擔(dān)各種規(guī)格減速機(jī)齒輪的生產(chǎn)。齒輪加工車間主要包括齒輪加工區(qū)及檢測室，平面布置見圖l。

車間總建筑面積為6 912 m²，東西長96 m，南北(分3跨，跨距均為24 m)寬72 m，建筑高度10．6m。經(jīng)計(jì)算，供暖通風(fēng)設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為850 kW，選擇1臺熱功率為1 085 kW的燃?xì)鉄崴仩t作為熱源。廠房為全鋼結(jié)構(gòu)，主要墻體采用鍍鋁鋅壓型鋼板。

3 廠房內(nèi)溫度場模擬結(jié)果及分析

①散熱器供暖方式

散熱器供暖系統(tǒng)布置為上供上回同程式。在設(shè)計(jì)時(shí)已盡量利用廠房空間充分布置散熱器，但仍未滿足設(shè)計(jì)熱負(fù)荷要求。南北兩側(cè)靠外墻共布置l04組鋼質(zhì)橢圓二柱散熱器(散熱器中心距為600 mm，每組25片，每組熱流量為2．9 kW)。立柱兩側(cè)共布置48組鋼質(zhì)橢圓二柱散熱器(散熱器中心距為1 800 mm，每組25片，每組熱流量為7 kW)。室內(nèi)供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)供回水溫度為95、70℃。由模擬結(jié)果可知，工作高度(距地面1．2 m)范圍內(nèi)大部分區(qū)域的空氣溫度僅為5℃左右。由于廠房的跨度較大，單純依靠局部區(qū)域設(shè)置的散熱器，難以實(shí)現(xiàn)均勻一致的溫度場。加之散熱器的傳熱形式以對流傳熱為主，雖然散熱器表面溫度較高，但隨著距離散熱器位置越來越遠(yuǎn)，溫度衰減很快。

②暖風(fēng)機(jī)供暖方式

暖風(fēng)機(jī)安裝高度為6 m，掛裝在立柱一側(cè)，平面布置見圖2。單臺額定供熱量為85 kW，共l2臺，設(shè)計(jì)供、回水溫度為80、60℃，熱水管道設(shè)計(jì)為上供上回同程式系統(tǒng)。暖風(fēng)機(jī)供暖方式下，廠房A-A、B-B剖面的溫度場分布分別見圖3、4。由模擬結(jié)果可知，工作高度范圍內(nèi)大部分區(qū)域的空氣溫度僅為9℃左右。熱氣流在羽流的作用下，使得廠房上部空間溫度較高。而且水平方向的溫度分布非常不均勻，在暖風(fēng)機(jī)正下方及周圍環(huán)境溫度較高，其他位置則相對較低。

③燃?xì)饧t外線輻射供暖方式

輻射器安裝高度為8．55 m，單臺輻射器額定供熱量為59 kW，共設(shè)18臺，平面布置見圖5。燃?xì)饧t外線輻射供暖方式下，廠房A-A、B-B剖面的溫度場分布分別見圖6、7。由模擬結(jié)果可知，工作高度大部分范圍內(nèi)空氣溫度為l2℃左右，垂直高度溫度梯度小，水平方向溫度分布均勻，供暖效果優(yōu)于上述兩種供暖方式。

4 供暖方式經(jīng)濟(jì)性比較

①系統(tǒng)造價(jià)

系統(tǒng)造價(jià)主要包括設(shè)備費(fèi)、材料費(fèi)、各項(xiàng)增容費(fèi)，由于廠區(qū)內(nèi)已具備各類條件，故不考慮增容費(fèi)。3種供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)分別見表l～3。散熱器供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)為54．72×10⁴元，暖風(fēng)機(jī)供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)為37．9×10⁴元，燃?xì)饧t外線輻射供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)為34×10⁴元。

②供暖期運(yùn)行費(fèi)

散熱器供暖方式：供暖時(shí)間按118 d計(jì)算，每天運(yùn)行24 h，總運(yùn)行時(shí)間為2 832 h?？紤]室外溫度的變化，燃?xì)忮仩t額定負(fù)荷當(dāng)量運(yùn)行時(shí)間為2 000 h，其他設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間不變。

暖風(fēng)機(jī)供暖方式：同散熱器供暖方式。

燃?xì)饧t外線輻射供暖方式：供暖時(shí)間為118 d，每天運(yùn)行8 h，總運(yùn)行時(shí)間為944 h。由于燃?xì)饧t外線輻射器起停靈活，且主要以輻射形式供暖，供暖區(qū)域升溫快，因此不像熱水系統(tǒng)受鍋爐的限制必須24h連續(xù)工作，只需在工作時(shí)間開啟。

運(yùn)行費(fèi)主要包括燃電費(fèi)、氣費(fèi)，電價(jià)按0．65元/(kW·h)計(jì)算，燃?xì)鈨r(jià)格按2．7元／m³計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，3種供暖方式的供暖期運(yùn)行費(fèi)分別為61．34×10⁴、62．50×10⁴、27．44×10⁴元。

③經(jīng)濟(jì)性分析

由以上分析可知，在3種供暖方式中，燃?xì)饧t外線輻射供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)及供暖期運(yùn)行費(fèi)最低。

5 結(jié)論

①采用CFD模擬軟件對3種供暖方式下廠房內(nèi)溫度場進(jìn)行模擬，由模擬結(jié)果可知，在采用燃?xì)饧t外線輻射供暖方式時(shí)，工作高度范圍內(nèi)大部分區(qū)域的空氣溫度為12℃左右，垂直高度溫度梯度小，水平方向溫度分布均勻，供暖效果優(yōu)于散熱器供暖方式、暖風(fēng)機(jī)供暖方式。

②在3種高大廠房供暖方式中，燃?xì)饧t外線輻射供暖方式的系統(tǒng)造價(jià)及供暖期運(yùn)行費(fèi)最低。

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本文作者：周權(quán)楊靈艷 李侃 劉培源