高大建筑空間采暖方式的選擇

高大建筑空間采暖方式的選擇

在大型建筑空間中，冬季供暖的選擇非常重要。在采暖方式的選擇上,主要應考慮以下幾個因素:人體舒適感、節(jié)能和空氣質量等。普通散熱器采暖的方式,由于熱空氣的上升,使熱量大量消耗在高大建筑物的上部,下部工作區(qū)難以獲得足夠的熱量,且溫度分布不均勻,這不但造成能源的浪費,而且熱舒適感差,已被證明是一種不適用于高大建筑空間的采暖方式。目前,高大建筑空間的采暖,隨著建筑物使用性質的不同,主要有輻射采暖和熱風采暖等方式,本文就就這兩種采暖方式在高大建筑空間的應用效果進行分析。1采暖高溫輻射采暖高大建筑空間輻射采暖主要有低溫地板輻射采暖、中溫輻射采暖和高溫輻射采暖。在輻射采暖過程中,室內空氣基本上可視為透明體,不直接吸收輻射熱量,只能通過對流換熱來提高溫度,因此當輻射板安裝位置不同時,其換熱的機理也有所不同。1.1在采暖過程中,模型設計在最佳條件下,溫度分布均勻,受輻射熱從帶動作用在低溫地板輻射采暖系統(tǒng)中,一半以上的散熱量以輻射方式傳給人體和周圍物體(頂棚、四壁內墻和設備等),剩下的則以對流換熱的形式直接由地面?zhèn)鹘o室內空氣。因此采用低溫地板輻射的采暖方式,室內空氣溫升快,工作區(qū)溫度較高,溫度分布均勻,且人體與熱輻射表面距離近,接受的輻射熱也相對較多,熱舒適感好。同時由于低溫輻射采暖的熱媒主要為低溫熱水(一般為50～70℃),因此有條件時可直接利用余熱水或地熱水等,達到節(jié)能和環(huán)保的目的,目前這種采暖方式發(fā)展較為迅速。但是低溫地板輻射采暖方式的運用受地面使用性質的限制,在高大廠房等有大量設備的場合中,往往不宜采用。1.2輻射源在人體內部隨溫度上升和輻射放在高大建筑空間、特別是高大廠房內,中溫(80～200℃)輻射采暖板可布置在空間頂部,自上向下輻射,也可采用在墻壁上傾斜布置的形式,熱媒則多為溫度95～130℃的熱水或蒸汽。根據實測結果,結構合理的中溫輻射板,背面的散熱量約占總散熱量的5%～10%,正面的散熱量主要表現為熱輻射的形式,當然會有少量的熱量以對流換熱的形式傳給室內空氣,這部分熱量幾乎都隨上升的熱氣流通過屋頂散失掉。頂部布置的輻射板,由于距地面較遠,輻射熱僅有一部分落在工作區(qū)內,另一部分則落在側墻上。落在工作區(qū)內的輻射熱,大部分被地面及室內設備所吸收(當不考慮灰塵顆粒的輻射吸收時),少量熱量投射在人體上。當室外氣溫較低時,落在外墻上的輻射熱,基本上通過墻壁散失掉,落在地面上的熱量,則大部分經由地面導熱損失掉。只有當室內的設備、壁面和地面的溫度高于室內空氣溫度時,熱量才可能以對流換熱的形式傳給室內空氣。以上分析表明,采用中溫輻射采暖,室內溫度的升高將是一個非常緩慢的過程,而且溫升不大,室內溫度較低,人體所接收的輻射熱也很少,因此熱舒適感差。沿墻壁傾斜布置的中溫輻射板,盡管對地面工作區(qū)的輻射熱比例有所增加,但受上述傳熱機理的制約,熱舒適感改善不大。特別是當采暖系統(tǒng)間歇工作和工作區(qū)有穿堂風的情況下,采用中溫輻射采暖的效果則更差。實踐證明,在高大建筑空間、特別是高大廠房中采用以熱水或蒸汽做為熱媒的中溫輻射采暖方式,很難達到預期的效果。造成這種情況的原因,除熱負荷達不到設計要求(熱媒溫度低)和輻射板加工工藝及質量存在問題、導致輻射表面平均溫度偏低外,更主要的還是受上述傳熱機理的制約,導致熱舒適感差所致。1.3輻射采暖加熱系統(tǒng)高溫(200℃以上)輻射采暖一般采用熱氣體做為熱媒,由于熱輻射溫度較高,因而人體所接收的輻射熱較多,地面、設備、墻壁等吸收的輻射熱也大大增加,溫升較明顯?；趥鳠釞C理,室內空氣升溫較快,溫度也較高,因此熱舒適感明顯好于中溫輻射采暖,并且節(jié)能效果也較顯著。德國魁伯樂公司開發(fā)的KRTHS輻射采暖加熱系統(tǒng)在解決高大建筑物采暖方面較為成功。該系統(tǒng)適用于面積2000m2以上,空間高度4～50m的高大建筑物采暖,使用天然氣或燃油作為燃料,通過空氣加熱器將空氣溫度加熱至200～350℃,作為系統(tǒng)的熱媒,在輻射管中循環(huán)使用。對較小型的高溫輻射采暖系統(tǒng),也可直接采用燃氣和空氣的混和氣體作為熱媒。由于高溫輻射采暖系統(tǒng)中熱媒溫度較高,因此輻射管背面的保溫措施對于減少自然對流換熱量、提高輻射換熱量的比例至關重要。由于采用油或天然氣做為燃料,且輻射體表面溫度較高,因此應特別注意運行過程中的安全性,使用場合受到限制。至于用燃煤熱風爐做為熱源轉換設備的高溫輻射采暖系統(tǒng),從環(huán)保角度看是不可取的。2橫向熱風幕分層采暖熱風采暖利用暖風機將熱風直接送入室內,在工作區(qū)內形成空氣環(huán)流,以便使工作區(qū)形成較為均勻的溫度分布。通常的熱風采暖系統(tǒng)采用一臺或多臺暖風機,經送風口將熱風直接噴射至工作區(qū),由于送風比較集中,因此溫度分布的均勻性受到影響,人體有較強的直接吹風感,并且由于熱氣流的上升,從建筑物頂部散失掉的熱量仍占有較大的比例。為了較好解決以上問題,研究設計了橫向熱風幕分層采暖系統(tǒng),利用橫向噴射的熱氣流所形成的空氣幕,將空間沿高度方向分隔成下部工作區(qū)和上部非工作區(qū),由于送風的溫度低于普通熱風采暖,且送風量較大,因此能有效減少工作區(qū)內熱氣流向上浮升,豎向溫度梯度較小。通過對設計方案進行數值模擬計算和現場調試實測,證明在高大建筑空間內采用此種采暖方式不但可獲得滿意的熱舒適性,而且比常規(guī)采暖方式節(jié)能。此前,國內尚未有類似采暖方式的報道。2.1平面熱風幕層的供暖值的模擬結果表明(1)噴口距地面5.0m的大空間為了解熱風幕分層采暖下的溫度分布情況,以66m×27m×15.5m(長×寬×高)的大空間作為研究對象,設計噴口距地面5.8m,間距2m,分兩側布置,噴口直徑0.15m,軸心線下傾25°,出口風速8m/s,回風口距地面1.5m,每側5個均布。(2)浮的物理模型①相鄰噴口噴出的射流會合后趨于均勻,近似視為二維流動。回流速度分布符合吸風口匯流流動規(guī)律,速度衰減快,分布均勻,大部分回流區(qū)可作為二維流動處理。②根據熱氣流噴射實驗結果,將每一個噴口對應的射流交匯處視為一距壁面約4.8m,距地面高度為3.75m,截面為2m×2m的方形噴口,該截面的氣流速度為0.74m/s,受熱氣流上浮的影響,交匯處射流軸線下傾角度變?yōu)?.5°。簡化物理模型見圖1。計算中采用數學模型是Launder和Spalding提出k-ε方程紊流模型,微分方程組可表示為統(tǒng)一形式??x(ρ∪?)+??y(ρ∨?)=??x(Γ???y)+S?(1)??x(ρ∪?)+??y(ρ∨?)=??x(Γ???y)+S?(1)式(1)中:?為任何一個控制變量;Γ為擴散系數;S?為源項。對連續(xù)方程,?為1,Γ和S?為0。采用控制容積法離散偏微分方程組,結點位于子域的中心,離散后的最終結果為aP?P=aE?E+aW?W+aN?N+aS?S+SCΔxΔy(2)aΡ?Ρ=aE?E+aW?W+aΝ?Ν+aS?S+SCΔxΔy(2)式(2)中aP=aE+aW+aN+aS?SPΔxΔyaΡ=aE+aW+aΝ+aS-SΡΔxΔyaE,aW,aN,aS為與節(jié)點P相鄰的各節(jié)點系數;?P,?E,?W,?N,?S為節(jié)點P及相鄰節(jié)點的?值;SP,SC為控制方程中所包含的源項線性化后的部分。根據簡化物理模型設立邊界條件,采用壓力耦合方程的半隱式方法(SIMPLE)求解,按計算結果整理繪制的溫度分布曲線(不同高度的水平面上),見圖2。2.2熱風窗簾層的設計參數和測試結果通過把熱氣流噴射實驗和數值模擬的研究成果應用于某高大廠房采暖系統(tǒng)的設計實踐,證明在高大建筑空間內采用熱風幕采暖方式是可行的。2.2.1參數和系統(tǒng)組成設計對象為66m,寬27m,拱型屋頂高12.6～17.0m的廠房。(1)射流末溫度t計算熱負荷:根據文獻中提供的計算方法,采用散熱器采暖方式時,計算熱負荷為447kW;采用橫向熱風幕采暖方式時,熱風幕對上升熱氣流的阻斷作用降低了豎向溫度梯度,當從熱風幕射流區(qū)逸出上浮的熱空氣的溫度控制在17℃以內時,計算熱負荷為360kW,其中熱風機提供277kW,其余熱負荷由廠房內原有的散熱器承擔。室內工作區(qū)設計溫度:tn=13℃。送風溫度:t0=34℃。在滿足室內熱負荷需求和射流末端溫度高于工作區(qū)設計溫度的前提下,應選擇較低的送風溫度。送風量:Qv≥60000m3/h。風口尺寸及安裝位置:d0=150mm,間距2m,受廠房內動力線和高大設備的限制,取風口安裝高度4.52m,向下傾角20°。(2)系統(tǒng)的組成風系統(tǒng):10臺熱風機,每側各5臺,每側均布30個風口。水系統(tǒng):管道泵、供回水支管、旁通支管。2.2.2動1.5hpa測量結果在室外溫度為-6℃條件下,熱風機啟動1.5h后開始測量,測量結果見測試結果匯總表(表1)。實測數據說明該橫向熱風幕分層采暖效果完全達到設計要求。3采暖方式熱風幕法(1)高大建筑空間采暖方式中,低溫地板輻射采暖、高溫輻射采暖和熱風幕分層采暖等方式效果較好。采用何種方式,應視建筑物使用性質和其它相關條件而定。(2)在高大廠房中,與高溫輻射采暖方式相比較,熱風幕分層采暖方式升溫速度快、溫度分布更理想,而且由于熱風幕的阻隔作用,減緩了熱氣流的上升速度,從而減少了通過建筑物上部的熱損失,是一種安全、節(jié)能和熱舒適性也比較高的采暖方式。(3)由于熱風幕采暖系統(tǒng)中,既有熱風幕的阻隔