高大建筑空间采暖方式的选择

高大建筑空间采暖方式的选择

在大型建筑空间中，冬季供暖的选择非常重要。在采暖方式的选择上,主要应考虑以下几个因素:人体舒适感、节能和空气质量等。普通散热器采暖的方式,由于热空气的上升,使热量大量消耗在高大建筑物的上部,下部工作区难以获得足够的热量,且温度分布不均匀,这不但造成能源的浪费,而且热舒适感差,已被证明是一种不适用于高大建筑空间的采暖方式。目前,高大建筑空间的采暖,随着建筑物使用性质的不同,主要有辐射采暖和热风采暖等方式,本文就就这两种采暖方式在高大建筑空间的应用效果进行分析。1采暖高温辐射采暖高大建筑空间辐射采暖主要有低温地板辐射采暖、中温辐射采暖和高温辐射采暖。在辐射采暖过程中,室内空气基本上可视为透明体,不直接吸收辐射热量,只能通过对流换热来提高温度,因此当辐射板安装位置不同时,其换热的机理也有所不同。1.1在采暖过程中,模型设计在最佳条件下,温度分布均匀,受辐射热从带动作用在低温地板辐射采暖系统中,一半以上的散热量以辐射方式传给人体和周围物体(顶棚、四壁内墙和设备等),剩下的则以对流换热的形式直接由地面传给室内空气。因此采用低温地板辐射的采暖方式,室内空气温升快,工作区温度较高,温度分布均匀,且人体与热辐射表面距离近,接受的辐射热也相对较多,热舒适感好。同时由于低温辐射采暖的热媒主要为低温热水(一般为50～70℃),因此有条件时可直接利用余热水或地热水等,达到节能和环保的目的,目前这种采暖方式发展较为迅速。但是低温地板辐射采暖方式的运用受地面使用性质的限制,在高大厂房等有大量设备的场合中,往往不宜采用。1.2辐射源在人体内部随温度上升和辐射放在高大建筑空间、特别是高大厂房内,中温(80～200℃)辐射采暖板可布置在空间顶部,自上向下辐射,也可采用在墙壁上倾斜布置的形式,热媒则多为温度95～130℃的热水或蒸汽。根据实测结果,结构合理的中温辐射板,背面的散热量约占总散热量的5%～10%,正面的散热量主要表现为热辐射的形式,当然会有少量的热量以对流换热的形式传给室内空气,这部分热量几乎都随上升的热气流通过屋顶散失掉。顶部布置的辐射板,由于距地面较远,辐射热仅有一部分落在工作区内,另一部分则落在侧墙上。落在工作区内的辐射热,大部分被地面及室内设备所吸收(当不考虑灰尘颗粒的辐射吸收时),少量热量投射在人体上。当室外气温较低时,落在外墙上的辐射热,基本上通过墙壁散失掉,落在地面上的热量,则大部分经由地面导热损失掉。只有当室内的设备、壁面和地面的温度高于室内空气温度时,热量才可能以对流换热的形式传给室内空气。以上分析表明,采用中温辐射采暖,室内温度的升高将是一个非常缓慢的过程,而且温升不大,室内温度较低,人体所接收的辐射热也很少,因此热舒适感差。沿墙壁倾斜布置的中温辐射板,尽管对地面工作区的辐射热比例有所增加,但受上述传热机理的制约,热舒适感改善不大。特别是当采暖系统间歇工作和工作区有穿堂风的情况下,采用中温辐射采暖的效果则更差。实践证明,在高大建筑空间、特别是高大厂房中采用以热水或蒸汽做为热媒的中温辐射采暖方式,很难达到预期的效果。造成这种情况的原因,除热负荷达不到设计要求(热媒温度低)和辐射板加工工艺及质量存在问题、导致辐射表面平均温度偏低外,更主要的还是受上述传热机理的制约,导致热舒适感差所致。1.3辐射采暖加热系统高温(200℃以上)辐射采暖一般采用热气体做为热媒,由于热辐射温度较高,因而人体所接收的辐射热较多,地面、设备、墙壁等吸收的辐射热也大大增加,温升较明显。基于传热机理,室内空气升温较快,温度也较高,因此热舒适感明显好于中温辐射采暖,并且节能效果也较显著。德国魁伯乐公司开发的KRTHS辐射采暖加热系统在解决高大建筑物采暖方面较为成功。该系统适用于面积2000m2以上,空间高度4～50m的高大建筑物采暖,使用天然气或燃油作为燃料,通过空气加热器将空气温度加热至200～350℃,作为系统的热媒,在辐射管中循环使用。对较小型的高温辐射采暖系统,也可直接采用燃气和空气的混和气体作为热媒。由于高温辐射采暖系统中热媒温度较高,因此辐射管背面的保温措施对于减少自然对流换热量、提高辐射换热量的比例至关重要。由于采用油或天然气做为燃料,且辐射体表面温度较高,因此应特别注意运行过程中的安全性,使用场合受到限制。至于用燃煤热风炉做为热源转换设备的高温辐射采暖系统,从环保角度看是不可取的。2横向热风幕分层采暖热风采暖利用暖风机将热风直接送入室内,在工作区内形成空气环流,以便使工作区形成较为均匀的温度分布。通常的热风采暖系统采用一台或多台暖风机,经送风口将热风直接喷射至工作区,由于送风比较集中,因此温度分布的均匀性受到影响,人体有较强的直接吹风感,并且由于热气流的上升,从建筑物顶部散失掉的热量仍占有较大的比例。为了较好解决以上问题,研究设计了横向热风幕分层采暖系统,利用横向喷射的热气流所形成的空气幕,将空间沿高度方向分隔成下部工作区和上部非工作区,由于送风的温度低于普通热风采暖,且送风量较大,因此能有效减少工作区内热气流向上浮升,竖向温度梯度较小。通过对设计方案进行数值模拟计算和现场调试实测,证明在高大建筑空间内采用此种采暖方式不但可获得满意的热舒适性,而且比常规采暖方式节能。此前,国内尚未有类似采暖方式的报道。2.1平面热风幕层的供暖值的模拟结果表明(1)喷口距地面5.0m的大空间为了解热风幕分层采暖下的温度分布情况,以66m×27m×15.5m(长×宽×高)的大空间作为研究对象,设计喷口距地面5.8m,间距2m,分两侧布置,喷口直径0.15m,轴心线下倾25°,出口风速8m/s,回风口距地面1.5m,每侧5个均布。(2)浮的物理模型①相邻喷口喷出的射流会合后趋于均匀,近似视为二维流动。回流速度分布符合吸风口汇流流动规律,速度衰减快,分布均匀,大部分回流区可作为二维流动处理。②根据热气流喷射实验结果,将每一个喷口对应的射流交汇处视为一距壁面约4.8m,距地面高度为3.75m,截面为2m×2m的方形喷口,该截面的气流速度为0.74m/s,受热气流上浮的影响,交汇处射流轴线下倾角度变为6.5°。简化物理模型见图1。计算中采用数学模型是Launder和Spalding提出k-ε方程紊流模型,微分方程组可表示为统一形式∂∂x(ρ∪ϕ)+∂∂y(ρ∨ϕ)=∂∂x(Γ∂ϕ∂y)+Sϕ(1)∂∂x(ρ∪ϕ)+∂∂y(ρ∨ϕ)=∂∂x(Γ∂ϕ∂y)+Sϕ(1)式(1)中:ϕ为任何一个控制变量;Γ为扩散系数;Sϕ为源项。对连续方程,ϕ为1,Γ和Sϕ为0。采用控制容积法离散偏微分方程组,结点位于子域的中心,离散后的最终结果为aPϕP=aEϕE+aWϕW+aNϕN+aSϕS+SCΔxΔy(2)aΡϕΡ=aEϕE+aWϕW+aΝϕΝ+aSϕS+SCΔxΔy(2)式(2)中aP=aE+aW+aN+aS−SPΔxΔyaΡ=aE+aW+aΝ+aS-SΡΔxΔyaE,aW,aN,aS为与节点P相邻的各节点系数;ϕP,ϕE,ϕW,ϕN,ϕS为节点P及相邻节点的ϕ值;SP,SC为控制方程中所包含的源项线性化后的部分。根据简化物理模型设立边界条件,采用压力耦合方程的半隐式方法(SIMPLE)求解,按计算结果整理绘制的温度分布曲线(不同高度的水平面上),见图2。2.2热风窗帘层的设计参数和测试结果通过把热气流喷射实验和数值模拟的研究成果应用于某高大厂房采暖系统的设计实践,证明在高大建筑空间内采用热风幕采暖方式是可行的。2.2.1参数和系统组成设计对象为66m,宽27m,拱型屋顶高12.6～17.0m的厂房。(1)射流末温度t计算热负荷:根据文献中提供的计算方法,采用散热器采暖方式时,计算热负荷为447kW;采用横向热风幕采暖方式时,热风幕对上升热气流的阻断作用降低了竖向温度梯度,当从热风幕射流区逸出上浮的热空气的温度控制在17℃以内时,计算热负荷为360kW,其中热风机提供277kW,其余热负荷由厂房内原有的散热器承担。室内工作区设计温度:tn=13℃。送风温度:t0=34℃。在满足室内热负荷需求和射流末端温度高于工作区设计温度的前提下,应选择较低的送风温度。送风量:Qv≥60000m3/h。风口尺寸及安装位置:d0=150mm,间距2m,受厂房内动力线和高大设备的限制,取风口安装高度4.52m,向下倾角20°。(2)系统的组成风系统:10台热风机,每侧各5台,每侧均布30个风口。水系统:管道泵、供回水支管、旁通支管。2.2.2动1.5hpa测量结果在室外温度为-6℃条件下,热风机启动1.5h后开始测量,测量结果见测试结果汇总表(表1)。实测数据说明该横向热风幕分层采暖效果完全达到设计要求。3采暖方式热风幕法(1)高大建筑空间采暖方式中,低温地板辐射采暖、高温辐射采暖和热风幕分层采暖等方式效果较好。采用何种方式,应视建筑物使用性质和其它相关条件而定。(2)在高大厂房中,与高温辐射采暖方式相比较,热风幕分层采暖方式升温速度快、温度分布更理想,而且由于热风幕的阻隔作用,减缓了热气流的上升速度,从而减少了通过建筑物上部的热损失,是一种安全、节能和热舒适性也比较高的采暖方式。(3)由于热风幕采暖系统中,既有热风幕的阻隔