高大厂房散热器与辐射板采暖的温度场研究

2022-03-27李云成

科学与生活 2022年2期

李云成

摘要：工业厂房的冬季取暖普遍存在能耗高、热能利用率低的问题，这主要源于工业厂房多属于高大空间且大门无法保持常闭状态，因此，采用适宜的采暖方式，提高车间工作区舒适性的同时，提高热能利用率对减少工业厂房的采暖能耗意义重大。现有的以对流散热方式为主的采暖系统（散热器为主，热风为辅），由于厂房跨度大，易造成空间温度场分布不均匀，中心区域温度难达到设计温度。而独立的吊顶辐射板采暖方式，可较好地解决该问题，但门窗的冷风渗透会严重影响围护结构附近的温度分布情况，且围护结构内表面温度常出现低于空气露点温度，而导致内壁面结露的现象。本文针对上述特点，在大跨度的高大厂房中对两种采暖方式的联合应用进行了现场实测研究。

关键词：散热器;吊顶辐射板采暖;温度梯度;热舒适

Abstract： The problems of high energy consumption and low utilization rate of heat energy are common in winter heating of industrial plants， which are mainly due to the fact that most industrial plants belong to tall spaces and the doors cannot be kept normally closed. Therefore， it is of great significance to reduce the heating energy consumption of industrial plants by adopting appropriate heating methods to improve the comfort of workshop working areas and improve the utilization rate of heat energy. The existing heating system which mainly uses convection heat dissipation （mainly radiator， supplemented by hot air）， because of the large span of the workshop， is easy to cause uneven distribution of space temperature field， and it is difficult for the central area temperature to reach the design temperature. The independent ceiling radiant panel heating method can better solve this problem， but the cold air infiltration of doors and windows will seriously affect the temperature distribution near the enclosure structure， and the inner surface temperature of the enclosure structure is often lower than the dew point temperature of air， which leads to the phenomenon of dew condensation on the inner wall surface. In view of the above characteristics， this paper makes a field measurement study on the joint application of the two heating methods in a large-span factory building.

Key words： radiator; Radiant ceiling heating; Temperature gradient; Thermal comfort

引言：

在工業企业的蓬勃发展的今天，工业建筑的规模不断扩大。如何在满足生产要求的前提下，提高厂房内工作环境的舒适度，同时降低能源消耗，越来越引起人们的关注。尤其是对我国的高大厂房而言，多年来一直采用热水供热系统为主的采暖方式，其能耗水平及工人的工作环境满意度都存在较大改进空间。诸多新技术的开发与应用，为实现这一改进创造了条件，因此本文对两种典型采暖方式在高大厂房中的应用进行模拟研究现场测试，从提高工作环境舒适度、降低能耗水平、节省造价等几方面对其进行全面评价。

一、研究对象与存在问题

本文以矿区某辅助车间为研究对象，该车间长180m，宽120m，高16.28m，大门尺寸4.8m×6m，沿宽度方向分5跨，每跨24m，辐射板安装高度13.6m，如图1所示。原设计供暖室外计算干球温度为-18℃，室内设计温度为15℃，采用钢制高频翅片管散热器，散热器沿外墙布置共52组。运行中发现室内温度远低于设计规范要求，在厂房中部存在结冰现象，严重影响煤矿日常生产补给，同时造成设备受冻给煤矿生产带来了安全隐患。

造成室内温度过低和结冰的主要原因是建筑物空间较大，其高度和宽度会影响散热器供暖效果。研究表明建筑高度和宽度的增加会增强冷空气的扩散而限制热空气在室内的运动。该厂房高达16.28m，随着高度的增加沿外墙内表面下降的冷气流就越多，再加上开启大门的冷风侵入，大量冷空气聚集在地面，最终冷空气沿地面向室内迁移;同时沿外墙内表面上升的热空气在到达屋顶后沿顶棚表面继续向室内运动，由于厂房宽120m，跨度大，使得过多的热量被屋顶消耗，热气流温度降低较快，并在距宽度中心一定距离时提前下降，造成厂房中部区域空气未被加热。最终在沿地面迁移的冷空气和中部下降的冷空气共同作用下，在厂房中部形成明显的低温区，当室外温度过低时就造成室内结冰的现象。所以决定在该车间采用散热器和吊顶辐射采暖相结合的运行方式。

二、研究方法

2.1测试仪器

1）室内空气温度测定：直径为0.4mm的K型铜-康铜热电偶和吉时利2701型数据采集系统;

2）室内地面及墙体内表面温度测定：Raytek红外线测温枪，量程范围-32℃～+450℃，精确度≤±0.5%，响应时间≤0.5s;

3）室内黑球温度和风速测定：德图Testo480多功能检测仪携带热辐射黑球探头，量程：0～120℃，以及风速探头，量程为0～+5m/s，精度为±（0.03m/s+4%测量值）。

2.2测试方案

由于厂房面积较大、设备堆放以及人员施工等原因，不能对整个厂房进行测试。所以根据对称性原则选择有代表性的4列，即“A列”靠近内墙;“B列”正对大门;“C列”厂房中部;“D列”靠近外墙，如图1所示。测点沿宽度方向每6m布置1个，每列12个，共48个;竖直方向在每个测点的0.5m、1.5m、2m、3m、6m、9m、12m处布置热电偶，将热电偶探头固定在绳子上，通过厂房上部桥式吊车在各测点间移动。测量时间为每个测点5分钟，最后用数据采集仪将空间各测点温度导入电脑中。测试时间为2014年12月5日～20日。

三、测试结果与分析

3.1沿竖直方向室内空气温度分布及分析

由图2～5知：

1）靠近散热器的测点（A1、C1、D1）温度分别高于测点（A2～A4、C2～C4、D2～D3），实测表明该采暖系统中散热器的对流散热作用明显影响距其表面6～8m的范围，该测试结果与文献[9]基本吻合。

2）第一跨温度场不稳定，工作区部分测点温度小于设计温度。其中图2中（A2～A4）和图4中（C2～C4）测点分别受焊接区开窗通风和作业施工地面积水

的影响。而图3和图5整个工作区则是受外门开启冷风侵入的作用。但随着测点沿宽度方向的深入，温度逐渐升高，在厂房中部第三跨处温度场达到稳定，温度分层均匀（如图2～4）。

3）在第二跨处，温度在图2～4均表现出不同程度的上升趋势，其原因可能是受厂房高度的影响造成冷气流沉降以及外围护结构冷风侵入、渗透的影响，造成第一跨温度低，较低的空气在对流作用下向厂房内部流动，从而引起第二跨温度场的不稳定。特别是图3由于大门开启，在室外平均风速3.6m/s下，造成冷风大量侵入，冷气流不断向室内运动遇到热空气后上升，在室内形成循环流动，在0～3m处形成一个热空气层，所以第一跨B断面上高度为3m处温度较高。

4）由图5可知：在0～3m空间内温度在每一跨都表现为中间低，两边高的规律，是由于该列测点靠近西外墙，每一跨均有外门，透过外门冷风侵入、渗透的缘故。

3.2沿竖直方向室内空气温度分布及分析

由表1可知：

厂房竖直方向梯度介于0.33～0.73℃/m之间，平均温度梯度为0.54℃/m，厂房中部温度梯度较小，靠近外墙的第一跨温度梯度较大，A、B、C列呈现从外到内梯度不断减小的规律，即：第一跨>第二跨>第三垮;只有D列在第二跨为0.68℃/m，第三跨为0.73℃/m，测量结果偏大，其原因可能是门窗冷风渗透影响的缘故。

2）在人员工作区垂直方向的温度梯度介于0.23～1.04℃/m之间，平均温度梯度为0.70℃/m，受冷风渗透影响，越靠近外墙处，垂直方向的温度梯度就越大。我国冬季热舒适空气温差为3℃左右，而该厂房各跨工作区实测最大温差为1.6℃，所以满足热舒适性要求。

3.3黑球温度与地面温度分布

通过对上述测点1.5m处空气黑球温度的测量得到平均黑球温度为18.3℃，对应1.5m高空气平均温度为16.0℃，在人员呼吸区黑球温度要比对应的空气温度约高出1.8～2.7℃，所以能在较低的室温下达到同样的舒适感，减小了传热温差。通过对所有测点地面温度的测量，求得平均值為19.1℃，地面温度较高，所以不存在结冰现象，同时也符合人体生理要求。

3.4节能性分析

在联合采暖方式中，由于工作区人体体感温度（黑球温度）较相应的空气温度约高出1.8～2.7℃，因此在维持相同的舒适度条件下，采用联合采暖方式，室内空气设计温度可适当降低1.8～2.7℃，从而可节约5.5%～8.2%的采暖热负荷，同时热媒流量降低，即可降低热媒输送能耗，又可减少热媒在输送过程中的热损失。其次，散热器与吊顶辐射采暖方式可采用较低的热媒参数（60/50℃），因此，可充分利用工业厂区的低品位热源，实现热能的梯级利用。

四、采暖方式现状讨论

4.1 采暖热源的选择

从项目经验看，需采暖的仓库一般位于我国北方严寒寒冷地区，常见热源一般有市政热源、自建燃气锅炉房、燃气辐射采暖及电储能锅炉等。燃气辐射是比较经济、效果较好的采暖方式，但消防要求较高，丁类厂房采用较多，对于丙二类仓储建筑消防限制较多;电储能锅炉在北方工业建筑中也有采用，但需有地方政府政策支撑，节能审查较为严格;市政热源和自建燃气锅炉房作为热源是最常见的采暖方式，采暖效果也比较稳定，两种方式皆可，主要考虑因素是两者的经济性和具体项目的周围环境确定，本项目经比较分析采用自建燃气锅炉房。

4.2 分拣区采暖

分拣区是智能高架仓库的装卸货通道，是必不可少的功能区，其层高与一般仓库相当，吊装暖风机安装方便，有一定气流组织效果，且价格便宜，是仓储比较青睐的采暖方式，本项目分拣区采用吊装暖风机采暖，但对于高大空间的物流仓库，其大门无法保持常闭状态，因此选两个提升门上补充设置热水型热风幕隔断室外冷气流。

4.3 高架储存区采暖

智能高架储存区采暖形式的设计时，可供参考的相似项目经验较少，只能根据现有项目情况及已有普通仓库采暖形式去探索。

五、结论

传统对流型散热器的主要作用范围大致距墙6～8m，所以单独作用不能满足大跨距厂房的采暖要求。在高大厂房内使用散热器采暖需要根据建筑的高度和宽度合理进行设计计算。

高大厂房中采用传统散热器和吊顶式辐射板联合采暖，室内距外墙附近空间温度场虽然有所改善，但仍然会受到冷风渗透影响，温度场不稳定，越向内温度场越稳定。厂房竖向平均温度梯度为0.54℃/m，其中工作区竖向的平均温度梯度较大，约为0.70℃/m。厂房竖向温度梯度的变化规律为：第一跨>第二跨>第三跨。

3）采用联合采暖方式，室内空气设计温度可适当降低1.8～2.7℃，从而可节约5.5%～8.2%的采暖热负荷，同时可节约热媒输送能耗。

4）温度是影响热舒适的主要因素，实测表明：辐射板采暖室内各跨工作区温度满足热舒适性要求;但上部空间仍存在热量集中问题，可以考虑增加引风机将上部热空气疏导到工作区，进一步减小温差，提升室内空气温度，实现车间热量的优化利用。

参考文献：

[1]高大空间采暖循环机组节能的应用[J].王春武，蔡鑫.宁夏工程技术.2013（04）

[2]辐射采暖在工矿厂房应用的优越性[J].尹瑞生.科技风.2009（14）