厂房高大空间采暖设计方案对比分析

张春光

山东省人民防空建筑设计院有限责任公司 山东济南 250000

随着时代的发展，环境日益恶化，人们对于能源、环保方面的问题重视度加大，如何才能节能降耗、减轻污染是人们考虑的首要问题。高大建筑空间内，冬季采暖是必不可少的组成部分。采暖方式选择中，需要从人们的舒适性、节能、空气质量的角度出发进行考虑。普通散热器采暖，因为热空气上升，导致很多热量存留在高大建筑的顶部空间，下部区域的热量比较少，内部空间存在温度梯度，能源浪费严重，舒适性比较差，所以并不能应用到高大空间采暖使用。当前结合建筑物的形式，高大空间一般会选择辐射采暖、热风采暖等方式。

1 工业厂房高大空间采暖设备概述

辐射采暖具体包含电热辐射采暖、燃气辐射采暖两种。电热辐射采暖就是通过电能辐射的方式满足采暖的要求，燃气辐射采暖是通过燃气作为能源进行辐射采暖，其能源节约量可以达到30%～60%，成本降低明显。虽然燃气辐射采暖方式效率高、成本低，但是日常运行中，要加强管理，否则容易引发严重的泄漏事故。高大建筑物如果选择传统散热器方式进行采暖，大跨度空间布置难度较高，不仅导致空间占用较大，还会导致辐射面积小。而高大空间热风采暖设备通过循环送风的方式，可以快速制冷和制热，温度控制精度较高，内部空间舒适度好。高大空间使用专业空调吊装屋顶的形式，制热时，利用水或者蒸汽实现。设备内通入水或空气，经过热交换器进行空气加热处理，然后将安装到顶部的吸风式高压轴流风机强制将制热空气循环下送，而设备内部的空气泵传输方式将其进行提压处理，然后经过导流叶片导向，经过喷口出来，然后分布到整个内部空间中[1]。

2 工业厂房高大空间采暖设计方案比选

2.1 高大建筑空间辐射采暖方式

高大建筑空间辐射采暖的方法包含低温地板辐射采暖、中温辐射采暖、高温辐射采暖等几种，具体选择哪一种方式，要根据室内的条件来分析选择。①低温地板辐射采暖。该方式应用之后，室内环境温度上升速度较快，工作区域内温度较高，热量分布均匀性好，且人体和热辐射表面距离较小，受到辐射的热量也比较大，人体的舒适性较好。该方式应用的是低温设备，通常为50～70℃之间，通过余热或者地热水可以实现，节能环保性非常好。但是因为地面使用性质限制，导致高大厂房有很多设备的区域难以使用。②中温辐射采暖。该方式的采暖应用之下，室内空间温度上升速度较慢，温度升高比较小，室内温度不高，且人体受到的辐射热比较少，所以舒适性不足。沿着墙壁设置较多的中温辐射板，虽然可以快速吸收地面的辐射热，但是因为传热机理的影响，导致热舒适感不足。③高温辐射采暖。温度在500℃以上，通常会选择应用热气体作为媒介，因为辐射温度较高，所以人体吸收的辐射热也比较多，地面、设备、墙壁等吸收辐射量增多，温度上升明显。从传热机理的角度出发，室内空气温度升高较快，所以热舒适感要明显优于中温辐射采暖，且节能性较好。因为高温辐射采暖中，热媒介的温度较高，所以辐射管背部保温措施的应用可以减少热量流失，需要加强控制。同时燃煤热风炉可以作为热源转换应用，从环保方面出发是不可行的。

2.2 高大建筑空间热风采暖方式

热风采暖是应用暖风机把加热后的空气传输到室内空间，在工作区域内会形成空气环流，保证内部空间热量分布达到均匀性的要求。高大空间采暖机组，通常较为暖风机，是热风供暖系统的重要设备之一。该设备包含高压头风机、高效换热器、旋流送风口等部件，将其安装到厂房顶部，利用风机循环内部空间，然后将换热器内热水的热量以暖风的方式送入到各个采暖空间中，效率高，效果好，可见图1。对流散热可以接近于100%，温度上升的速度比较快，可以保证底部空间的温度满足要求，且经济性好。高大采暖机组的主要优势就是可以把热水内的热量和自然上升的热空气强制均匀、舒缓地传输到人类活动的底部空间，避免出现内部空间热量分布不均匀的情况。该方式的主要优势就是热功率较大，作用高度比较大，覆盖范围比较广，送风灵活性好，可以随时调节送风状态，确保内部舒适度。对于无法安装大型散热器的高大厂房空间，采取该装置效果较好，见图1。

图1 高大空间采暖机组和散热器的散热示意图

值班温度可以达到5℃左右，而高大空间采暖机组运行中，工作环境中的温度可以快速从5℃上升到16℃，非工作时间保持关闭状态，防止发生能源浪费的问题。

一般情况下，热风采暖系统内要安装一台或者多台暖风机，通过送风口把热风直接传输到工作区域内，因为集中送风，所以温度上升较快，且均匀性好，人体会有强烈的吹风感受，且因为热气流上升，建筑顶部流失的热量会比较多。为了能够解决这一问题，在设计中应用了横向热风幕分层采暖系统方式，通过横向喷射热气流的方式形成空气幕，然后在内部空间沿着高度方向分隔为下部工作区、上部非工作区，因为送风温度要比普通热风采暖低，且送风量比较大，所以可以减少工作区内热气流向上升，竖直方向并不存在较大的温度梯度。经过设计方案的仿真模拟，现场调试检测，发现高大建筑内部空间应用这一采暖方式的舒适性较好，且比传统采暖方式能源节约可达40%以上[2]。高大厂房空间内，和高温辐射采暖方式对比分析，热风幕分层采暖方法的温度升高速度快，温度分布比较好，且热风幕具备一定的阻隔效果，降低的热气流上升速度，还能够防止产生严重的热量损失，节能、舒适、安全是其主要特性。厂房内存在一定的有害性物质，或者分布着较多的粉尘等颗粒物，容易导致空气质量变差。要想彻底解决这一问题，可以在厂房内布置双层热风幕的形式，上层热风幕直接抽取室内空气，进行净化性处理，可以加热喷射。下层热风幕需要从室外抽取新鲜空气，并且加热喷射出去，促进工作区域内空气质量改善。

3 具体工程应用分析

3.1 供热负荷计算

某采暖工程项目中，热负荷数据为供暖系统设计的主要数据，对于供暖方案选择、管道直径、末端设备选择有着重要的作用，也会给系统经济性产生影响。因此，需要准确计算工厂内热负荷数据。厂房设计中，供暖热负荷的确定要从下述几个方面出发计算分析：①外围护结构的基本耗热量、附加热耗量，主要指的是外墙、外门、屋面、地面等；②门窗缝隙所产生的冷风渗透的热消耗量；③单层厂房的大门开启时产生的热消耗量；④其他方式所产生的散热量。对于本次工程案例来说，前三种是主要的散热方式，其他因素给室内空间热量的影响比较小，可以忽略不计。因为工业厂房建筑内部空间高度较高，室内外的温差还是比较大的，冷风渗透量也比较大，所以不能应用缝隙法计算，可以通过换气法进行计算。车间内的大门位置上设置风幕，所以开启冲入的冷风消耗量计算，只是根据部分小门的冷风侵入耗热量计算。分析该建筑具体情况，热负荷计算要从三面外墙、地面、屋面等方面计算，具体结果可见表1。

表1 车间的热负荷计算数据

3.2 系统设计

热负荷计算完成后，还要选择供暖系统形式。厂房锅炉房的作用就是提供热水完成供暖，供回水温度为85℃/60℃，因此，应用的是散热器采暖系统联合高大空间采暖机组以达到供暖要求。分析图2可以发现，该厂房内跨度尺寸较大、空间大、隔墙少，并未有可以设置散热器的空间。供暖系统设计环节，散热器应用的是散热量很大的高频焊管螺旋翅片管散热器，南北墙的柱间都设置了散热器，数量比较多，东外墙外门比较多，并不能设置散热器，大门位置上设置落地式侧吹风幕[3]。计算确定，散热器总散热量为1284kW。因此，散热器承担总热负荷的34.6%，其他的65.4%是高大空间采暖机组提供，散热量为2428kW。按照国家标准，考虑到设备间距、散热环境、安装高度等要素，最终确定高大采暖机组数量为39台，可见图2，具体设备见表2。

表2 高大空间采暖机组选型参数

图2 某厂房散热器与高大采暖机组布置剖面图

因为散热器与高大空间采暖机组设备压差较大，所以分开设置两套水系统，让两个系统实现独立运行。散热器热水系统可以保证非工作时间内的环境温度，打开高大空间采暖机组，水系统可以保持室内空间的舒适度，且可以分区域进行控制，避免无人区域存在能源浪费[4]。此时要注意，高大空间采暖机组的供暖水系统和风机盘管制热运行中，和水系统原理是相似的，管径按照空调水系统制热条件下的公式计算确定，所以管路水系统比摩阻不能超过100～300Pa/m。该系统和以往的空调水系统有差异，即只完成供热，并不需要布置冷凝水管道。

4 结语

经过上文的分析，结合相同类型厂房经验，总结出如下结论：①高大厂房热负荷计算环节，重点分析冷风渗透影响，该部分热量占比较大。准确计算热负荷，对厂房舒适度影响较大。②对于高大空间采暖来说，选择合适散热器装置和高大空间采暖机组联合，供暖效果比较好，设计施工也非常得方便，且可以达到区域化管理的要求。③散热器与高大空间采暖机组设备末端阻力差距大，所以系统分开设置，在高大空间采暖机组管径设计环节，根据空调水系统制热公式展开计算。此外，在高大空间采暖机组选择环节，对比市场供应产品，确定合适的设计方案，如果设备选择不当，必然会导致热风供应不足，影响供暖效果。因此，在厂房高大空间采暖设计环节，要做好方案对比，综合考虑各个要素，以促进采暖效果的提升，满足当前厂房供暖需要。