嚴寒地區某高大空間工業廠房供暖系統設計

胡建亮

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司,湖北 武漢 430064)

0 引言

高大空間工業廠房一般指空間凈高大于5 m的廠房建筑。位于北方寒冷及嚴寒地區的高大空間工業廠房,采用熱水供暖時,一般在建筑外窗窗臺下布置散熱器。散熱器通過自然對流的方式進行熱交換,單臺散熱器供暖能力低、布置數量多、供暖輻射范圍小,且熱空氣向上進入廠房頂部,工作區域得不到有效供熱。本項目高大空間工業廠房采用散熱器+暖風機結合的方式進行供暖,暖風機安裝在靠近外墻的立柱上,通過風機強制熱換熱,可將熱空氣有效送到工作區域范圍,同時減少散熱器數量,廠房整體供暖效果提高。

1 工程概況

本項目為某企業新建物料輸運泵房,泵房主廠房1層,輔助用房2層,輔助用房為配套變配電室、變頻器室、控制室等。總建筑面積1 922 m2,建筑高度12.6 m,其中廠房長42 m,寬24 m。①軸—⑥軸立面圖見圖1,軸—軸立面圖見圖2。

2 供暖設計參數

2.1 室內外設計參數

該項目所在地海拔185.2 m,氣候分區屬于嚴寒地區。室外氣象參數如表1所示。

根據工藝要求,廠房室內供暖設計溫度為16 ℃。

2.2 供暖熱負荷

根據GB 50019—2015工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范[1],該建筑的冬季供暖熱負荷主要由圍護結構熱負荷、門窗滲入室內冷空氣熱負荷兩項組成。

該建筑圍護結構:屋面為120厚鋼筋混凝土+60厚擠塑聚苯板(B1級),傳熱系數0.40 W/(m2·K);外墻為370厚燒結多孔磚+60厚巖棉板(A級),傳熱系數0.44 W/(m2·K);外窗為斷橋鋁窗框平開窗(5 mm透明+12空氣+5 mm高透光Low-E玻璃),傳熱系數2.0 W/(m2·K)。圍護結構熱工性能滿足GB 55015—2021建筑節能與可再生能源利用通用規范工業建筑節能設計要求。

圍護結構供暖熱負荷由圍護結構基本耗熱量考慮朝向附加、窗墻面積比過大附加、外門開啟附加、高度附加等組成。

生產廠房、倉庫、公用輔助建筑物,加熱由門窗縫隙滲入室內的冷空氣的耗熱量占圍護結構總耗熱量的百分率可按表2確定。

表2 滲透耗熱量占圍護結構總耗熱量的百分率 %

該建筑輔助用房中配套變配電室、變頻器室、控制室等均不采用熱水采暖方式,不計入集中供暖負荷;輔助用房中衛生間、樓梯間、走道等均采用熱水采暖方式,計入集中供暖負荷。經過計算,該建筑熱水集中采暖負荷為145 kW。

3 供暖熱源

根據GB 50019—2015工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范,當廠區只有供暖用熱或以供暖用熱為主時,應采用熱水作熱媒。項目現場已有一座燃煤蒸汽鍋爐房,因此需要新建一座蒸汽熱水換熱站,利用壓力為0.3 MPa(表壓)的飽和蒸汽,制備85 ℃/60 ℃熱水,為工業場地廠房及辦公行政福利用房提供采暖熱源。

換熱站設有管殼式換熱機組、熱水循環泵、定壓補水泵、凝結水泵、全自動軟水器、軟化水箱和凝結水箱等,蒸汽管路上配套有減壓閥、安全閥、流量調節閥、壓力計、溫度計等,熱水管路上配套有自動除污器、熱量計量表、壓力計、溫度計等。流量調節閥和供水溫度連鎖,通過控制柜的PLC自動調節;循環水泵和定壓補水泵配套變頻器,循環水泵變頻器根據熱水供回水壓差自動調節水泵壓頭,定壓補水泵變頻器根據設定補水壓力調節水泵壓頭。

4 供熱管網

該項目所在室外場地采用架空綜合管架,管架上設有供暖熱水管道、蒸汽管道、生活水管、消防水管及電纜等。

根據CJJ/T 34—2022城鎮供熱管網設計標準[2],地上敷設的供熱管道穿越行人過往頻繁區域時,管道保溫結構或跨越設施的下表面距地面的凈距不應小于2.5 m;在不影響交通的區域,應采用低支架,管道保溫結構下表面距地面的凈距不應小于0.3 m。地上敷設供熱管道與公路邊緣最小水平凈距1.5 m;跨越公路路面最小垂直凈距4.5 m。地上敷設供熱管道與小于3 kV架空輸電線最小垂直凈距1.5 m;3 kV～10 kV架空輸電線最小垂直凈距2.0 m,地上敷設供熱管道與通信線最小垂直凈距1.0 m。

該項目所在室外場地架空綜合管架斷面圖如圖3所示。

室外架空供暖管道一律采用GB/T 8163—2018輸送流體用無縫鋼管20號無縫鋼管。管道補償采用自然補償和波紋補償器相結合的方式。當管道彎管轉角小于150°時,能用作自然補償;大于150°時,不能用作自然補償。自然補償的管道臂長一般不超過25 m。自然補償無法滿足的情況下選用補償器,補償器選用軸向型波紋補償器。

供暖管道保溫材料選用無甲醛離心玻璃棉,保溫層外設0.5 mm厚鍍鋅鐵皮。根據國標圖集08K507-1管道與設備絕熱-保溫,供暖管道保溫層厚度選取如表3所示。

表3 供熱管道保溫層厚度

5 高大空間工業廠房供暖方式

5.1 采暖末端

高大空間工業廠房具有凈空高、跨度大、門窗面積大和滲透負荷大等特點,導致該類型建筑冬季供暖負荷大、室內溫度梯度大、高度方向溫度分層嚴重、廠房上熱下冷。該類建筑的供暖設計中,如何讓工作區域的溫度分布均勻、同時減少垂直溫度梯度為供暖設計的難點和重點。

目前常用的末端散熱形式包括散熱器供暖系統、熱水輻射供暖系統、熱媒為燃氣的輻射供暖系統、電熱膜或發熱電纜系統、熱風供暖系統。考慮到項目所在地無天然氣資源,排除燃氣輻射供暖系統。考慮到現場場地條件和用電安全,排除熱水輻射供暖和電熱膜或發熱電纜系統。結合建筑物、負荷特點及項目熱源情況,采用散熱器+暖風機的末端供暖形式。

5.2 采暖系統

根據GB 50019—2015工業建筑供暖通風與空氣調節設計規范,供暖供、回水管道上應分別設置關斷閥、過濾器,回水管道上設置自力式平衡閥。室內熱水供暖系統總供回水壓差不宜大于50 kPa。應減少熱水供暖系統各并聯環路之間的壓力損失的相對差額,控制各并聯環路之間不平衡率小于15%。

良好的水力特性是保證熱水供暖系統各環路平衡的必要條件,同程式系統有良好的水力特性,是實際工程設計中供暖和空調水系統經常使用的系統形式。

當供暖系統作用半徑大、系統中立管數量多時,需要將供暖系統劃分為多個供暖小系統,才能實現較好的水力特性,達到良好的供暖效果。

本項目中廠房面積較大,立管較多,因此將供暖系統分為多個供暖小系統,每個供暖小系統作用半徑不超過60 m,立管數量不超過15個。

散熱器供暖系統的供水、回水在熱力入口處與下列系統宜分開設置:熱風供暖和熱空氣幕系統、地面輻射供暖系統。由于本項目供暖熱負荷不大,為減少管道投資,本項目散熱器和暖風機共用供暖干管。

散熱器選用QFGZ4柱系列鋼制散熱器,設計壓力1.2 MPa,散熱器掛墻安裝,安裝高度距地面200 mm左右。散熱器設備參數如表4所示。

表4 散熱器設備參數

暖風機選用熱水型GS暖風機,安裝于廠房立柱上,安裝高度約3.5 m。暖風機設備參數如表5所示。

表5 暖風機設備參數

該廠房采暖系統為上供下回的系統形式,為控制各并聯環路壓差不平衡率,系統分成若干供暖小系統,并采用同程連接形式,以此獲得更好的供暖效果。供暖管道設置坡度,坡度不小于2‰。供暖系統的最低點,配置DN20泄水絲堵;供暖系統的最高點,配置自動排氣閥。供暖系統圖如圖4所示。

6 結語

本文結合嚴寒地區高大空間廠房供暖工程項目,根據室外氣候條件和項目工藝特點,概述了項目供暖熱負荷計算、供暖熱源、室外供熱管網和高大空間廠房供暖系統形式,并得出以下結論:

1)建筑高度12 m的高大空間廠房,采用散熱器+暖風機的供暖方式時,室內溫度分布較均勻,有較好的供暖效果。

2)高大空間廠房供暖末端數量較多,將供暖系統分成多個并聯同程小系統,可減少各系統間的水力損失差值,有利于提高整體供暖效果[3-5]。