高大空间工业建筑采暖方式的
对比研究
艾 帅，樊越胜，胡泽源，刘 亮
（西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安710055 ）
摘要：本文通过采用CFD模拟软件，对工业建筑常用的四种采暖方式进行了数值模拟。
在保证工作区平均温度一定的条件下，计算出不同采暖工况下工作区温度场、竖直方向上的温度梯度，并对采暖能耗进行了分析比对。
结果显示：（1）工作区温度分布均匀性较好的依次为：辐射采暖、热风采暖+散热器值班采暖、横向热风幕采暖、散热器采暖；（2）辐射采暖、横向热风幕采暖、热风采暖+散热器值班采暖和散热器采暖在垂直方向上的温度梯度分别为0.23W/m2、0.28 W/m2、0.3 W/m2、0.61 W/m2；（3）横向热风幕采暖方式、辐射采暖方式、热风采暖+散热器值班采暖方式的节能率分别为传统散热器采暖形式的28%、26%、22%。
模拟结果可为今后高大空间工业厂房的采暖设计提供有益参考。
关键词：工业建筑，采暖方式，数值模拟，节能率
0 引言
长期以来，不同的暖通工程师对于高大空间工业建筑的采暖设计，都有着不同的看法，而合理的采暖方式不仅能改善室内环境，提高室内舒适度，而且还能降低采暖能耗，节约社会能源。
一般工业建筑的传热特点[1][2]：
（1）门窗多，所占的面积也大，冷风侵入和冷风渗透耗热量大。
（2）围护结构的传热系数大，保暖不佳。
（3）工业建筑落空高、跨度大、体积大。
落空大，导致空气分层严重，室内温度梯度大；跨度大、体积大，导致外界对室内空间的自然对流影响较大。
（4）采暖热负荷大。
根据这些传热特点，工业建筑常用的几种采暖方式有：
暖风机采暖，机理是对流换热，通常与散热器值班采暖联合使用。
具有热惰性小、升温快、室内温度分布均匀、温度梯度小、设备简单和投资较省的特点。
热风采暖的缺点：人体有较强的吹风感，舒适度不佳；竖直方向仍有较大的温度梯度，无法根本解决上热下冷的问题，能源损耗大；风机连续运转，存在较大噪声。
横向热风幕采暖，机理也是对流换热，该技术2000后进入我国，“横向热风幕”能够主动隔断热气流上升、改善厂房温度分布，提高采暖区的气温，减小车间上部气温，也可以减少车间上部散热，达到改善采暖效果、减少热量消耗的目的，从而降低了能源消耗[3]。
辐射采暖，按介质（热媒）种类[4]，分为低温热水（热水温度低于或等于120℃，地面供暖时规定小于等于60℃）；中温热水（热水温度等于120~175℃）；高温热水（热水温度高于175℃）；热风式（热空气）；电热式（通过发热电缆或电热膜将电能转化为热能）；燃气式（燃烧可燃气体）。
按安装的位置，分为顶部辐射、侧部辐射和局部辐射。
辐射采暖，具有舒适性好，温度梯度小，节能，无噪音，不占用空间等特点，在高大空间工业建筑采暖方式中备受欢迎。
本文主要是通过运用AirPak数值模拟软件对工业建筑中常用的四种采暖方式，即散热器采暖、暖风机采暖+散热器值班采暖、横向热风幕采暖、辐射采暖，进行数值模拟，并对其温度场和能耗做出对比分析。
1各种采暖工况下的CFD数值模拟
1.1物理模型的确定
以神木某实际厂房采暖为例：厂房建筑尺寸为长165m，宽120.0m，高12.5m。
采暖计算干球温度-18℃；采暖室内设计温度：10℃。
为了简化模拟，假设不考虑冷风渗透热负荷；门窗处于常闭状态，不考虑开启引起的附加冷负荷；不考虑人员活动的扰动；不考虑人员、机器等的散热，并且为了减少模拟计算次数，设定模型长82.5m，宽120.0m，高12.5m，模型中存在一个对称面。
图1散热器采暖模型图2 热风采暖+散热器值班采暖模型
图3 横向热风幕采暖模型图4 辐射采暖模型
1.2边界条件
用AirPak软件进行模拟时，围护结构的边界条件选用如下：
表1 围护结构边界条件
室内初始墙体、屋面地面门、窗
5℃0.551W/(m2·℃) 1.28 W/(m2·℃) 2.7 W/(m2·℃)
2. 数值模拟结果与分析
2.1工作区（y=1.5m ）处温度分布云图
图5散热器采暖 图6 热风采暖+散热器值班采
图7 横向热风幕采暖 图8 辐射采暖
模拟时，保证高大空间工业建筑每种采暖工况下的工作区平均温度都在10℃左右。
通过运用AirPak 软件，对每种采暖工况下车间内工作区的平均温度以及标准差（Standard Deviation，可以反映温度分布的均匀性）进行提取统计，统计结果见表2：
采暖方式 平均温度 （℃） 标准差 热指标 （W/m 2
)） 热指标调整比例 （81.7 W/m 2
）
散热器采暖
10.1 1.223 93.6 1.146 热风采暖+散热器值班采暖
10 0.726 74.3 0.909 横向热风幕采暖 10.1 0.815 68.6 0.840 辐射采暖
9.8
0.247
67
0.820
表2工作区平面内不同采暖方式的温度场分布比较
注：其中热指标给定的81.7 W/m 2
，是指经修正计算后所得的设计热负荷。
a. 温度分布均匀性比较：根据表2 中各种采暖方式中标准差的变化数值，可看出不同采暖方式下，室内温度分布均匀性方面是辐射采暖＞热风采暖+散热器值班采暖＞横向热风幕采暖＞散热器采暖。
b. 为了使每种采暖方式下的工作区平均温度都维持在10℃左右，设计时，需要对选取的采暖设备的散热量进行调整。
辐射采暖热负荷可按规范进行温度折算法或修正系数法修正。
采用热风采暖+散热器采暖与横向热风幕采暖时，也可以稍微降低高度修正，适当的降低采暖计算热负荷。
采用散热器采暖时，因为厂房的高落空、大跨度、大体积的原因，则需要适当的放大计算热负荷，才能使得工作区平均温度达到10℃左右。
2.2厂房中部区域（长45m处竖直截面）温度梯度分布云图
图9 散热器采暖
图10 热风采暖+散热器值班采暖
图11 横向热风幕采暖
图12 辐射采暖
统计计算得出：不同采暖方式在厂房中部区域竖直方向的温度梯度变化大小见表3：
采暖方式梯度大小（℃/m）
散热器采暖0.61
热风采暖+散热器值班采暖0.3
横向热风幕采暖0.28
辐射采暖0.23
表3 温度梯度大小比较
厂房中部区域竖直方向上温度梯度大小为：辐射采暖（约0.23℃/m）＜横向热风幕采暖（约0.28℃/m）＜热风采暖+散热器值班采暖（约0.3℃/m）＜散热器采暖（约0.61℃/m）。
3 能耗对比
通过运用AirPak软件，模拟计算可以得出每种工况下的采暖能耗。
根据《暖规》规定：在舒适的条件下达到同样的采暖效果，辐射采暖的室内温度可以比对流采暖时低2-3℃，因此，传统采暖工作区温度为10℃时，辐射采暖的工作区温度为7-8℃即可。
对辐射采暖工况重新模拟，并计算采暖能耗。
统计见下表4：
采暖方式 工作区平均温度
(℃)
能耗
(KW)
能耗比
散热器采暖 10.1 516.9 1 暖风机+散热器值班采暖 10 402.6 0.78 热风幕采暖 10.1 371.8 0.72
辐射采暖工况1 9.8 383.4 0.74
辐射采暖工况2 7.8 363.3 0.70
表4 采暖能耗大小比较
注：因为模拟存在有对称面，所以模拟的能耗为厂房总能耗的一半。
辐射采暖工况1代表的是工作区平均温度为9.8℃时的工况；辐射采暖工况2代表的是工作区平均温度为7.8℃时的工况。
在保证每种采暖工况下工作区平均温度都在10℃左右的前提下，能耗大小为：散热器采暖＞热风采暖+散热器值班采暖＞辐射采暖＞横向热风幕采暖。
节能最佳的是横向热风幕采暖，相对于散热器采暖节能率为28%。
当采用辐射采暖时，若适当的降低2-3℃的设计温度（工况2），则有能耗大小为：散热器采暖＞热风采暖+散热器值班采暖＞横向热风幕采暖＞辐射采暖。
节能最佳的是辐射采暖，相对于散热器采暖节能率为30%。
4.结语
通过运用AirPak 软件，对高大工业厂房建筑不同的采暖方式进行了温度场和能耗的模拟计算，可得以下结论：
（1）在保证相同工作区平均温度条件下，
工作区温度分布均匀性优劣比较：辐射采暖＞热风采暖+散热器值班采暖＞横向热风幕采暖＞散热器采暖。
竖直方向上的温度梯度大小：辐射采暖（约0.23℃/m）＜横向热风幕采暖（约0.28℃/m）＜热风采暖+散热器值班采暖（约0.3℃/m）＜散热器采暖（约0.61℃/m）。
（2）以传统散热器采暖形式为基准，得出其它采暖方式的节能率为：辐射采暖工况2（30%）＞热风幕采暖（28%）＞辐射采暖工况1（26%）＞热风采暖+散热器值班采暖（22%）。
对于高大空间的工业厂房，采用辐射采暖方式不仅空间温度均匀性好，而且具有较好的节能效果，建议采用该种方式。
文献
[1] 王荣光.辐射采暖应用中的几个问题[J].中国建设信息，2002（12）：28-31.
[2] 范存养.大空间建筑空调设计及工程实例[M].北京：中国建筑工业出版社，2001，45.
[3] 张日，刘爽，杨永红.机库供暖形式的探讨及工程实例分析[J].暖通空调，2013，43 （2）：57~62.
[4] 陆耀庆.供暖通风设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.。