高大廠房散熱器與輻射板采暖的溫度場研究

李云成

摘要：工業(yè)廠房的冬季取暖普遍存在能耗高、熱能利用率低的問題，這主要源于工業(yè)廠房多屬于高大空間且大門無法保持常閉狀態(tài)，因此，采用適宜的采暖方式，提高車間工作區(qū)舒適性的同時，提高熱能利用率對減少工業(yè)廠房的采暖能耗意義重大。現(xiàn)有的以對流散熱方式為主的采暖系統(tǒng)（散熱器為主，熱風為輔），由于廠房跨度大，易造成空間溫度場分布不均勻，中心區(qū)域溫度難達到設計溫度。而獨立的吊頂輻射板采暖方式，可較好地解決該問題，但門窗的冷風滲透會嚴重影響圍護結構附近的溫度分布情況，且圍護結構內(nèi)表面溫度常出現(xiàn)低于空氣露點溫度，而導致內(nèi)壁面結露的現(xiàn)象。本文針對上述特點，在大跨度的高大廠房中對兩種采暖方式的聯(lián)合應用進行了現(xiàn)場實測研究。

關鍵詞：散熱器;吊頂輻射板采暖;溫度梯度;熱舒適

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(yè)企業(yè)的蓬勃發(fā)展的今天，工業(yè)建筑的規(guī)模不斷擴大。如何在滿足生產(chǎn)要求的前提下，提高廠房內(nèi)工作環(huán)境的舒適度，同時降低能源消耗，越來越引起人們的關注。尤其是對我國的高大廠房而言，多年來一直采用熱水供熱系統(tǒng)為主的采暖方式，其能耗水平及工人的工作環(huán)境滿意度都存在較大改進空間。諸多新技術的開發(fā)與應用，為實現(xiàn)這一改進創(chuàng)造了條件，因此本文對兩種典型采暖方式在高大廠房中的應用進行模擬研究現(xiàn)場測試，從提高工作環(huán)境舒適度、降低能耗水平、節(jié)省造價等幾方面對其進行全面評價。

一、研究對象與存在問題

本文以礦區(qū)某輔助車間為研究對象，該車間長180m，寬120m，高16.28m，大門尺寸4.8m×6m，沿寬度方向分5跨，每跨24m，輻射板安裝高度13.6m，如圖1所示。原設計供暖室外計算干球溫度為-18℃，室內(nèi)設計溫度為15℃，采用鋼制高頻翅片管散熱器，散熱器沿外墻布置共52組。運行中發(fā)現(xiàn)室內(nèi)溫度遠低于設計規(guī)范要求，在廠房中部存在結冰現(xiàn)象，嚴重影響煤礦日常生產(chǎn)補給，同時造成設備受凍給煤礦生產(chǎn)帶來了安全隱患。

造成室內(nèi)溫度過低和結冰的主要原因是建筑物空間較大，其高度和寬度會影響散熱器供暖效果。研究表明建筑高度和寬度的增加會增強冷空氣的擴散而限制熱空氣在室內(nèi)的運動。該廠房高達16.28m，隨著高度的增加沿外墻內(nèi)表面下降的冷氣流就越多，再加上開啟大門的冷風侵入，大量冷空氣聚集在地面，最終冷空氣沿地面向室內(nèi)遷移;同時沿外墻內(nèi)表面上升的熱空氣在到達屋頂后沿頂棚表面繼續(xù)向室內(nèi)運動，由于廠房寬120m，跨度大，使得過多的熱量被屋頂消耗，熱氣流溫度降低較快，并在距寬度中心一定距離時提前下降，造成廠房中部區(qū)域空氣未被加熱。最終在沿地面遷移的冷空氣和中部下降的冷空氣共同作用下，在廠房中部形成明顯的低溫區(qū)，當室外溫度過低時就造成室內(nèi)結冰的現(xiàn)象。所以決定在該車間采用散熱器和吊頂輻射采暖相結合的運行方式。

二、研究方法

2.1測試儀器

1）室內(nèi)空氣溫度測定：直徑為0.4mm的K型銅-康銅熱電偶和吉時利2701型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);

2）室內(nèi)地面及墻體內(nèi)表面溫度測定：Raytek紅外線測溫槍，量程范圍-32℃～+450℃，精確度≤±0.5%，響應時間≤0.5s;

3）室內(nèi)黑球溫度和風速測定：德圖Testo480多功能檢測儀攜帶熱輻射黑球探頭，量程：0～120℃，以及風速探頭，量程為0～+5m/s，精度為±（0.03m/s+4%測量值）。

2.2測試方案

由于廠房面積較大、設備堆放以及人員施工等原因，不能對整個廠房進行測試。所以根據(jù)對稱性原則選擇有代表性的4列，即“A列”靠近內(nèi)墻;“B列”正對大門;“C列”廠房中部;“D列”靠近外墻，如圖1所示。測點沿寬度方向每6m布置1個，每列12個，共48個;豎直方向在每個測點的0.5m、1.5m、2m、3m、6m、9m、12m處布置熱電偶，將熱電偶探頭固定在繩子上，通過廠房上部橋式吊車在各測點間移動。測量時間為每個測點5分鐘，最后用數(shù)據(jù)采集儀將空間各測點溫度導入電腦中。測試時間為2014年12月5日～20日。

三、測試結果與分析

3.1沿豎直方向室內(nèi)空氣溫度分布及分析

由圖2～5知：

1）靠近散熱器的測點（A1、C1、D1）溫度分別高于測點（A2～A4、C2～C4、D2～D3），實測表明該采暖系統(tǒng)中散熱器的對流散熱作用明顯影響距其表面6～8m的范圍，該測試結果與文獻[9]基本吻合。

2）第一跨溫度場不穩(wěn)定，工作區(qū)部分測點溫度小于設計溫度。其中圖2中（A2～A4）和圖4中（C2～C4）測點分別受焊接區(qū)開窗通風和作業(yè)施工地面積水

的影響。而圖3和圖5整個工作區(qū)則是受外門開啟冷風侵入的作用。但隨著測點沿寬度方向的深入，溫度逐漸升高，在廠房中部第三跨處溫度場達到穩(wěn)定，溫度分層均勻（如圖2～4）。

3）在第二跨處，溫度在圖2～4均表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢，其原因可能是受廠房高度的影響造成冷氣流沉降以及外圍護結構冷風侵入、滲透的影響，造成第一跨溫度低，較低的空氣在對流作用下向廠房內(nèi)部流動，從而引起第二跨溫度場的不穩(wěn)定。特別是圖3由于大門開啟，在室外平均風速3.6m/s下，造成冷風大量侵入，冷氣流不斷向室內(nèi)運動遇到熱空氣后上升，在室內(nèi)形成循環(huán)流動，在0～3m處形成一個熱空氣層，所以第一跨B斷面上高度為3m處溫度較高。

4）由圖5可知：在0～3m空間內(nèi)溫度在每一跨都表現(xiàn)為中間低，兩邊高的規(guī)律，是由于該列測點靠近西外墻，每一跨均有外門，透過外門冷風侵入、滲透的緣故。

3.2沿豎直方向室內(nèi)空氣溫度分布及分析

由表1可知：

廠房豎直方向梯度介于0.33～0.73℃/m之間，平均溫度梯度為0.54℃/m，廠房中部溫度梯度較小，靠近外墻的第一跨溫度梯度較大，A、B、C列呈現(xiàn)從外到內(nèi)梯度不斷減小的規(guī)律，即：第一跨>第二跨>第三垮;只有D列在第二跨為0.68℃/m，第三跨為0.73℃/m，測量結果偏大，其原因可能是門窗冷風滲透影響的緣故。

2）在人員工作區(qū)垂直方向的溫度梯度介于0.23～1.04℃/m之間，平均溫度梯度為0.70℃/m，受冷風滲透影響，越靠近外墻處，垂直方向的溫度梯度就越大。我國冬季熱舒適空氣溫差為3℃左右，而該廠房各跨工作區(qū)實測最大溫差為1.6℃，所以滿足熱舒適性要求。

3.3黑球溫度與地面溫度分布

通過對上述測點1.5m處空氣黑球溫度的測量得到平均黑球溫度為18.3℃，對應1.5m高空氣平均溫度為16.0℃，在人員呼吸區(qū)黑球溫度要比對應的空氣溫度約高出1.8～2.7℃，所以能在較低的室溫下達到同樣的舒適感，減小了傳熱溫差。通過對所有測點地面溫度的測量，求得平均值為19.1℃，地面溫度較高，所以不存在結冰現(xiàn)象，同時也符合人體生理要求。

3.4節(jié)能性分析

在聯(lián)合采暖方式中，由于工作區(qū)人體體感溫度（黑球溫度）較相應的空氣溫度約高出1.8～2.7℃，因此在維持相同的舒適度條件下，采用聯(lián)合采暖方式，室內(nèi)空氣設計溫度可適當降低1.8～2.7℃，從而可節(jié)約5.5%～8.2%的采暖熱負荷，同時熱媒流量降低，即可降低熱媒輸送能耗，又可減少熱媒在輸送過程中的熱損失。其次，散熱器與吊頂輻射采暖方式可采用較低的熱媒參數(shù)（60/50℃），因此，可充分利用工業(yè)廠區(qū)的低品位熱源，實現(xiàn)熱能的梯級利用。

四、采暖方式現(xiàn)狀討論

4.1 采暖熱源的選擇

從項目經(jīng)驗看，需采暖的倉庫一般位于我國北方嚴寒寒冷地區(qū)，常見熱源一般有市政熱源、自建燃氣鍋爐房、燃氣輻射采暖及電儲能鍋爐等。燃氣輻射是比較經(jīng)濟、效果較好的采暖方式，但消防要求較高，丁類廠房采用較多，對于丙二類倉儲建筑消防限制較多;電儲能鍋爐在北方工業(yè)建筑中也有采用，但需有地方政府政策支撐，節(jié)能審查較為嚴格;市政熱源和自建燃氣鍋爐房作為熱源是最常見的采暖方式，采暖效果也比較穩(wěn)定，兩種方式皆可，主要考慮因素是兩者的經(jīng)濟性和具體項目的周圍環(huán)境確定，本項目經(jīng)比較分析采用自建燃氣鍋爐房。

4.2 分揀區(qū)采暖

分揀區(qū)是智能高架倉庫的裝卸貨通道，是必不可少的功能區(qū)，其層高與一般倉庫相當，吊裝暖風機安裝方便，有一定氣流組織效果，且價格便宜，是倉儲比較青睞的采暖方式，本項目分揀區(qū)采用吊裝暖風機采暖，但對于高大空間的物流倉庫，其大門無法保持常閉狀態(tài)，因此選兩個提升門上補充設置熱水型熱風幕隔斷室外冷氣流。

4.3 高架儲存區(qū)采暖

智能高架儲存區(qū)采暖形式的設計時，可供參考的相似項目經(jīng)驗較少，只能根據(jù)現(xiàn)有項目情況及已有普通倉庫采暖形式去探索。

五、結論

傳統(tǒng)對流型散熱器的主要作用范圍大致距墻6～8m，所以單獨作用不能滿足大跨距廠房的采暖要求。在高大廠房內(nèi)使用散熱器采暖需要根據(jù)建筑的高度和寬度合理進行設計計算。

高大廠房中采用傳統(tǒng)散熱器和吊頂式輻射板聯(lián)合采暖，室內(nèi)距外墻附近空間溫度場雖然有所改善，但仍然會受到冷風滲透影響，溫度場不穩(wěn)定，越向內(nèi)溫度場越穩(wěn)定。廠房豎向平均溫度梯度為0.54℃/m，其中工作區(qū)豎向的平均溫度梯度較大，約為0.70℃/m。廠房豎向溫度梯度的變化規(guī)律為：第一跨>第二跨>第三跨。

3）采用聯(lián)合采暖方式，室內(nèi)空氣設計溫度可適當降低1.8～2.7℃，從而可節(jié)約5.5%～8.2%的采暖熱負荷，同時可節(jié)約熱媒輸送能耗。

4）溫度是影響熱舒適的主要因素，實測表明：輻射板采暖室內(nèi)各跨工作區(qū)溫度滿足熱舒適性要求;但上部空間仍存在熱量集中問題，可以考慮增加引風機將上部熱空氣疏導到工作區(qū)，進一步減小溫差，提升室內(nèi)空氣溫度，實現(xiàn)車間熱量的優(yōu)化利用。

參考文獻：

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