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高大空间建筑实现节能80% — 燃气辐射供暖案例应用

时间:November 05, 2019 浏览次数:582次

 

 

0 引言

高大空间建筑通常是指民用和工业建筑内空间高度大于 5m,体积大于 10000m3的建筑[1]。传统采暖方式不能更好地解决高大空间建筑需求,随着时代发展,高大空间供暖需要一种方便使用、能耗低的供暖系统,中高温燃气辐射供暖技术逐渐进入高大空间建筑。

1 高大空间建筑供暖现状

高大空间建筑传统的供暖形式一般是利用热源(燃气锅炉、燃煤锅炉等),通过系统管路、散热设备(散热器、暖风机)加热厂房内的空气,依靠空气对流的方式达到供暖目的。

对于这种结构跨度大、建筑高度高的高大空间建筑,由于室内空间高且不同高度存在多种可能的开口(敞开的外门、侧窗和屋顶通风机等),所以造成建筑单位平米的供暖热负荷很大。对于解决高大空间供暖能耗大、供暖效果差的问题,国内外已经做了很多研究,研究表明辐射供暖能够有效解决高大空间建筑供暖的问题,常用于辐射供暖方式主要有三种:热水辐射板供暖、电辐射供暖和燃气辐射供暖,本文着重论述燃气辐射供暖系统的特点和应用。

2 燃气辐射供暖系统特点

2.1 红外辐射介绍

红外辐射是指波长范围介于可见光和微波之间,即波长在0.75-1000μm之间的电磁辐射,从光谱图上看,它正好位于红光之外,因而被称为红外线[2]。

2.2燃气辐射供暖系统介绍

燃气辐射供暖系统,以天然气,液化石油气等燃气为热媒,直接在燃烧器内燃烧产生高温热气流,通过辐射管,反射板直接向各类需热的物体辐射供热。此种供暖方式通过天然气燃烧产生热气流直接加热辐射管,辐射管被加热后释放出红外线。红外线照射到人体和其它物体及地面后被吸收转变为热能,达到供暖的目的。

2.3 燃气辐射供暖系统特点

(1) 燃气辐射供暖方式相对于传统对流式供暖方式,由于不直接加热空气,通过辐射方式进行热量传递,直接作用在工作区域,一般对流换热房间的垂直温度梯度取0.5~1℃/m,而采用燃气辐射供暖时可达到0.25℃/m[3], 所以热量不会大量堆积在屋顶,有效减少屋顶散热损失。

(2) 采用燃气辐射供暖系统,室内设计温度可降低2-3℃[4],较常规供暖系统,热负荷减少10--35%(辐射效率大于50%)[5];

(3) 燃气辐射供暖系统中热源和末端系统一体化,对比常规集中供暖方式,无输送水泵能耗、无二次换热损失、无管路散热损耗,此部分节能量约为常规系统的20-40%;

(4) 燃气辐射供暖系统无冰冻危险,当供暖场所同样无冰冻危险时,辐射供暖可仅在工作时间开启,大幅度节约能源。

(5) 燃气辐射供暖系统可分区域供暖,当只有部分区域需要供暖时,可只开启对应部分采供暖系统,节省能源消耗。

3 燃气辐射供暖系统实际应用

3.1 工程概况

本项目位于黑龙江省哈尔滨市,主要有两个供暖区域:装配车间、制造车间,建筑平均高度12.0m,总供暖面积64819m²,要求合理设计燃气辐射管系统的布置位置及数量,保证室内温度的均匀性。

3.2 设计计算参数

(1) 建筑外围护结构热工参数:

外墙:0.6 W/(m²·K);屋面:1.4 W/(m²·K);外门:3W/(m²·K);外窗及天窗:3.2W/(m²·K)。

(2) 冬季室外气象参数:

供暖计算干球温度:-24.2 ℃,室外平均风速:3.2m/s 。

(3) 冬季室内设计温度:15℃。

3.3 供热负荷主要考虑因素

供暖系统设计中热负荷的计算是供暖设计中基本的一项数据。热负荷的计算直接影响了供暖设备选型及布置,关系到供暖系统的使用与经济性。

国内供暖热负荷的确定,包括以下几个方面:

(1) 围护结构的耗热量。

(2) 加热由外门、窗缝隙深入室内的冷空气耗热量;

(3) 加热由外门开启时经外门进入室内的冷空气的耗热量;

(4) 通风耗热量;

(5) 通过其他途径散失或获得的热量。

国外辐射供暖设计经验通常还会考虑:

(1) 设备安装高度修正,安装高度在12米以内修正系数取1.03~1.21;

(2) 设备日运行时间修正,修正系数取0~1.3;

(3) 建筑体型系数修正,修正系数取0~1.32;

(4) 基于劳动强度和小时换气次数的综合修正,修正系数取0.64~0.9;

(5) 基于冷物料(设备)的加热热负荷,根据冷物料(设备)的质量和比热实际计算,并考虑预热时间周期。

3.4   设备配置和系统设计

3.4.1设备配置

根据热负荷计算,本项目配置26台EUCERK300/240型整体式燃气辐射加热带,总热功率为:7020kW,参考车间内设备的布局,着重人员活动密集(操作)区域的采暖,布置13套EUCERK 300型整体式燃气辐射加热带,单套辐射模块长度140米,布置13套EUCERK 240型整体式燃气辐射加热带,单套辐射模块长度108米,设备布置见图3-1。

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3.4.2系统设计原则

(1)均匀性和安全性

燃气辐射供暖设备在布置时,既要考虑供暖区域温度场分布的均匀性,同时也要保证设备不会影响到工厂的正常生产。在本项目中,根据燃气辐射设备的安装高度和照射面积,在工厂内采取均匀布置,设备的辐射管靠近工人日常工作区域,辐射管间距布置原则见图3-1,考虑实际安装过程中,辐射管可能会与其他管线交叉,需根据辐射管与交叉管线的相对距离对辐射管或其他管线做保护处理,辐射管下方温度场见图3-3。111.jpg

 

(2)分区域控制

为方便管理,实现不同区域温度不同温度控制,本系统共分26个温度控制区(每台设备一个温控区),每个区域可单独设置供暖温度和启停时段,同时也可根据生产任务选择部分区域关闭设备,实现zui大程度的节能运行。

(3)远程控制系统

本项目采用远程PC控制方式,可以实时监控所有区域加热器的运行情况及温度情况,精确反映出工作区域的实际温度。控制器采用智能控制系统,可实现采暖季节无人控制,并配有微电脑程序,液晶显示功能,可使车间按日期,设定系统的启停的时间,转化温度(高低温),设定工作温度和保温温度,并设有人工强制开关,在紧急情况下可采用手动控制。

(4)厂区内其他水系统电伴热及保温

燃气辐射供暖设备可以在无需采暖的条件下关闭,但考虑到厂区内有水系统,防止设备停止运行时,水系统发生冰冻,故建设方对厂区内管道进行了电伴热和保温处理。

3.4.3燃气辐射供暖系统体感温度模拟

为保证燃气辐射供暖系统使用效果,本项目采用专用软件对燃气红外供暖系统进行体感温度模拟,见图3-3,从模拟图中可以看出,整个厂区的体感温度基本满足15℃供暖要求,局部靠近外墙边角部分温度较低,实际运行过程中应重点考虑边角地区的应用条件,尽量不安排生产人员在此部位工作。

 

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3.4.4 Revit 建模技术和实际安装效果

为保证项目安装顺利,减少安装过程中的碰撞,本项目采用Revit BIM技术,对整体是燃气辐射加热带施工范围内进行了三维建模,有效指导了安装工程进行,建模图及实际安装效果图具体见图3-5至3-7。

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4 燃气辐射供暖系统能耗及费用

4.1能耗分析

自2014年投产后,一直采用燃气辐射供暖系统满足厂房冬季供暖需求,室内温度在15℃左右,供暖期从10月20日开始至次年4月20日,合计182天,燃气费用单价为3.8元/Nm3,建设方对燃气辐射系统进行单独的燃气用量计量,具体见图4-1至4-4。

从图4-1至4-2可以看出,2014年10月至2019年4月,冷月为12月、1月,冷月燃气耗量占总燃气耗量的50%以上,进一步节能运行可着重考虑冷月的节能运行。

 

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从4-3可以看出,厂房年总燃气耗量在29.34至51.06万Nm3,五年平均燃气耗量为43.16万Nm3,其中2018年至2019年度年燃气耗量29.34万Nm3为历年低,其主要原因为该年度室外温度偏高,同时该年度工厂生产任务低,部分设备在非生产时段处于关闭状态,大幅度节约了燃气耗量,这也证明燃气红外供暖设备可以随生产任务情况启停的优势。

从图4-4可以看出,厂房供暖燃气能耗为4.53至7.88 Nm3/(m2·a),五年平均燃气耗量为6.66Nm3/(m2·a),由于我国暂无高大空间供暖能耗标准,根据《民用建筑能耗标准》[6]中哈尔滨市民用建筑能耗指标,并结合《哈尔滨市城市供热办法》人民政府令第235号[7]推算,本项目供暖燃气能耗指标为39.68 Nm3/(m2·a),实际运行节能量为33.02 Nm3/(m2·a),节能率为83.2%,节能效果显著。

 

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4.2费用对比分析

(1) 市政收费标准

根据《哈尔滨市人民政府关于城市供热价格的通知》哈政发【2015】9号文[8]规定,哈尔滨市非居民供热价格为43.3元/m2,并结合《哈尔滨市城市供热办法》 [7],本厂房市政供暖每年单位面积收费为:157.61元,年总运收费为1021.61万元。

(2) 燃气辐射供暖系统费用

哈尔滨市燃气价格为3.8元/Nm3,从图4-5、4-6中可以看出,2014年至2019年,年总运行费用为111.50至194.03万元,五年平均运行费用为164.01万元/年,单位面积运行费用为17.20至29.93元,五年平均运行费用为25.30元/(m2·a)。777.jpg

(3) 燃气辐射供暖系统运行费用节省量

相对哈尔滨市政收费标准,从图4-7、4-8中可以看出, 2014年至2019年,采用燃气辐射供暖系统相对市政收费标准,年总节省费用为827.58至910.11万元,平均节省857.6万元/年,单位面积运行费用节省为127.68至140.41元,平均节省132.31元/年,费用节约率为83.95%,费用节省明显。

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5 结论

燃气辐射供暖系统适用于高大空间建筑的供暖,它具有高效节能、舒适卫生、运行费用低等诸多优点,从哈尔滨项目实测数据分析,能源节约率为83.2%,运行费用节约率为83.95%。随着我国对清洁能源供暖与建筑节能越来越重视,这种供暖方式的应用将会不断增加,在有燃气气源供应的条件下,采用燃气辐射供暖系统,从技术和经济上都具有一定的优越性。

 

参考文献:

[1] 范存养. 大空间建筑空调设计及工程实录. 北京: 中国建筑工业出版社, 2001.

[2] 糜正俞等 红外辐射加热干燥原理与应用.北京.机械工业出版社,1996

[3] 刘国丹.民用住宅建筑低温辐射采暖特性参数的实验研究.暖通空调,2001,31(4):1-3

[4] 中华人民共和国国家标准.工业建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50019-2015.北京.中国计划出版社,2015

[5] 国家建筑标准设计图集.单元式燃气辐射供暖系统设计选用与施工安装(15K401-2).北京. 中国计划出版社,2015年9月第1版

[6] 中华人民共和国国家标准.民用建筑能耗标准(GB/T51161-2016.北京.中国建筑工业出版社,2016

[7] 哈尔滨市人民政府令第235号. 哈尔滨市城市供热办法.2011年10月25日

[8] 哈政发〔2015〕9号. 哈尔滨市人民政府关于调整城市供热价格的通知.2015年10月13日
 

作者介绍:胡青松,天津卡利欧玛热能设备制造有限公司技术总监,一直从事清洁能源供热服务。

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