低強度連續(xù)式燃氣紅外線輻射供暖系統(tǒng)的應用

劉利梅

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

1 紅外線輻射采暖系統(tǒng)的原理

1.1 什么叫熱輻射

我們知道，熱的傳播方式有三種:傳導、對流和輻射。傳導指熱經由物體從高溫處傳播到低溫處的傳熱方式，主要為固體間的傳熱方式。對流為熱經由氣體或液體流動而隨之傳播的方式。輻射為熱不憑借任何物質當媒介，而直接傳播的方式。

發(fā)射輻射能是各類物質的固有特性，當原子內部的電子受溫和振動時，產生交替變化的電場和磁場，發(fā)出電磁波向空間傳播，這就是輻射。由于自身溫度或熱運動的原因激發(fā)產生的電磁波傳播，就稱熱輻射。所以熱輻射是電磁波，通常把λ=0.1μm～1 000μm范圍的電磁波稱熱射線，其中包括可見光線、部分紫外線和紅外線具有波動和量子特性［1］。

1.2 熱輻射的特點

熱輻射的本質決定了熱輻射具有如下特點:

1)輻射換熱不依賴物體的接觸而進行熱量傳遞;2)輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化，即物體的部分內能轉化為電磁波能發(fā)射出去，當此波能射及另一物體表面而被吸收時，電磁波能又轉化為內能;3)任何溫度下(絕對零度除外)的物體皆可輻射熱射線。

值得注意的是溫度越高，輻射熱越多。

表面粗糙或黑色的物質較易吸收或放射輻射熱，表面平滑或白色的物質則較不易吸收或放射輻射熱，其反射能力較佳。

1.3 紅外線輻射技術的產生

通過上文我們了解了熱輻射是由于物體自身溫度或熱運動的原因激發(fā)產生的電磁波，那么物體在不同的溫度下產生的電磁波波長如何分布。研究表明，物體溫度較低時，主要以不可見的紅外光進行輻射，當溫度為300℃時熱輻射中最強的波長在紅外區(qū)。當物體的溫度在500℃以上至800℃時，熱輻射中最強的波長成分在可見光區(qū)。

在光譜中波長在760 nm～400μm的電磁波稱為紅外線，紅外線是不可見光線，其頻率接近物質的固有頻率，同時具有非色散性，因而能量集中，熱效應顯著，所以科學家們設想是否可以通過加熱物體到特定的溫度范圍，使物體發(fā)出特定波長范圍的電磁波來實現(xiàn)供暖。

而燃氣紅外線輻射采暖系統(tǒng)通過燃氣設備把天然氣等能源轉化為紅外線輻射熱能，對輻射到的區(qū)域進行直接加熱，輻射熱能被地面、人和各種物體所吸收，并通過這些物體進行二次輻射，從而加熱四周的其他物體，使人體感受到類似曬太陽的感覺(見圖1)。

2 與傳統(tǒng)供暖方式比較燃氣紅外線輻射采暖系統(tǒng)的優(yōu)點

圖1 輻射采暖

2.1 節(jié)能

節(jié)能效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

1)在建立同樣舒適條件的前提下，輻射供暖時房間的設計計算溫度可以降低2℃ ～5℃，可以大大降低供暖能耗;2)由于輻射采暖不加熱空氣，熱量直接被地面及人體吸收，室內空氣的溫度主要是由人或物體的二次輻射提供，室內外溫差較傳統(tǒng)換熱方式要小，故室外冷空氣滲入量較小，有利于節(jié)能;3)傳統(tǒng)供熱方式暖氣是靠空氣對流原理采暖(見圖2)，熱空氣集中在室內空間的上部，尤其高度大，跨度大的房間，為使地面人或物達到一定的溫度要求或舒適度要求，勢必加大供熱量，造成了能量的浪費;4)有效熱效率方面，傳統(tǒng)的供暖方式，無論是水暖系統(tǒng)還是空調系統(tǒng)，熱量在運至散熱器(片)、風機盤管等的過程中，均存在一定的能耗損失，有關資料顯示:在輻射采暖系統(tǒng)使用過程中，燃氣燃燒效率達99%以上，系統(tǒng)有效熱效率達85%以上，而暖氣采暖在大空間暖氣采暖使用上，最終的有效熱效率不到20%。

圖2 傳統(tǒng)采暖

2.2 環(huán)保

由于輻射采暖與對流換熱相比，室內沿高度方向溫度分布均勻，故減少了塵土飛揚的可能。

2.3 投資少、施工周期短及運行費用低

只需在燃氣管網上接管，并在系統(tǒng)入口安裝調壓穩(wěn)壓設備，不用安裝供熱鍋爐及其他附屬設備(水處理設備、除氧設備等)，沒有供暖水循環(huán)系統(tǒng)，一次投資大大降低，且施工周期短，同時燃氣紅外輻射采暖設備相比較暖氣采暖可以節(jié)省50%～60%的運行費用。

2.4 輻射采暖節(jié)約空間

因輻射采暖本身只需要必要的燃氣管道及電控裝置，類似于普通長管熒光燈且無需安裝暖氣片及建鍋爐房、泵房、換熱站等，故可節(jié)約空間。

2.5 可操控性好

操控性主要體現(xiàn)在兩個方面:因輻射采暖升溫快，一般在開機后3 min內可以達到溫度效果，而水暖一般要2 h，故一方面在供暖時間上用戶自己可分時段、定時、定溫全自動及手動控制，在節(jié)假日、周末、下班或車間不忙的各個時段關閉設備;另一方面為供暖范圍的操控性，因紅外線也是特定波長范圍的電磁波，其跟可見光類似，也存在光的折射和反射，故用戶可分區(qū)域供暖，甚至可以將輻射管布置在室外，所以可以節(jié)約大量運行成本。

3 燃氣紅外線輻射系統(tǒng)的組成與發(fā)生器的連接方式

紅外輻射系統(tǒng)主要由發(fā)生器、輻射板、反射板、真空泵、尾管、控制箱及集水器組成。發(fā)生器的連接方式與電氣設備連接類似，有串聯(lián)、并聯(lián)及串、并聯(lián)混合連接方式。

4 工程實例

燃氣紅外線輻射供暖系統(tǒng)按形式分為單體式和連續(xù)式，按表面溫度分為高強度輻射發(fā)生器(表面溫度約為800℃ ～1 000℃)和低強度輻射發(fā)生器(表面溫度約為300℃ ～500℃)，本工程實例為低強度連續(xù)式紅外輻射供暖系統(tǒng)。

4.1 工程概況

本項目為太原軌道交通裝備有限責任公司“退城搬遷入園建廠技術改造項目”一期建設工程。總建筑面積11 047.48m2，采用燃氣紅外輻射采暖的區(qū)域面積為9 169.4 m2。采暖系統(tǒng)采用Schwank紅外輻射采暖系統(tǒng)，BuilderSchwank采暖系列。

4.2 工藝流程

安裝準備→輻射器安裝→燃氣管道安裝→管道吹掃→管道強度試驗→管道氣密性試驗→系統(tǒng)調試→驗收。

4.3 系統(tǒng)的安裝及注意事項

4.3.1 發(fā)生器的安裝

1)發(fā)生器安裝時，要保持與可燃物的距離。2)發(fā)生器與燃氣供氣系統(tǒng)連接之前，應確認燃氣管道的強度試驗已經完成，發(fā)生器連入燃氣系統(tǒng)后，不應再進行管道的強度試驗。3)發(fā)生器與燃氣管道連接應使用不銹鋼金屬軟管，安裝連接軟管時，應用管鉗將燃氣供應端的接頭固定住，以防其轉動導致內部元件的損壞。4)不銹鋼金屬軟管與燃氣管道連接處，應裝球閥，球閥必須與燃氣入口平行。

4.3.2 輻射管安裝

燃燒室與輻射管和每兩段輻射管之間都必須使用專用管接頭連接。

4.3.3 反射板安裝

1)反射板應順序搭接，反射板之間應使用滑動連接，避免其扭彎、折損或滑開脫落。2)每個發(fā)生器需要1個有預留孔的反射板，反射板之間的重疊部分只有180 mm，每3個反射板應保留1個滑動接頭。每個固定連接的接頭需要使用4個反射板固定夾。3)發(fā)生器之間如果有n段管道，需要等距離地設置n－1個管道與反射板的吊架，同時還需要等距離地設置n個反射板托架，確保每段反射板上至少設置有一個吊架。4)在直線型反射板的末端和輻射管三通處反射板的起始端處，均應加裝反射板端蓋。

4.3.4 輻射管安裝

1)輻射管的安裝應有一定坡度，安裝坡度不應小于3‰，并坡向真空泵。2)尾管的安裝應有一定坡度，安裝坡度不應小于5‰，并坡向真空泵。

4.3.5 集水器的安裝

1)集水器的安裝要牢固固定，便于排水為原則。2)排水管應用關卡固定，當安裝高度大于4 m時，設兩個關卡。

4.3.6 真空泵的安裝

1)真空泵的安裝宜用專用支架，如另設支架，則應做減振處理，并應保證真空泵的水平度和垂直度。2)真空泵的進出口應設置硅膠襯鋼軟節(jié)，軟節(jié)允許的最高溫度180℃。

4.3.7 排氣管的安裝

排氣管的長度超過10 m時，應做保溫處理。排氣管穿越外墻或屋頂時，加裝金屬套管。

4.3.8 懸掛裝置

1)每個發(fā)生器和管道上每隔2.1 m～3.0 m必須設置1個懸吊架。同時，在管道的所有彎頭、三通和四通附近均應設置懸掛吊架，三通和彎管處的吊架最大間距為2.0 m，吊鏈應設在兩個反射板搭接部分的中心線上。2)吊鏈應采用鍍鋅吊鏈，吊鏈的吊環(huán)直徑不得小于6 mm。3)懸掛系統(tǒng)使用的吊鏈和懸吊桿的長度應保證管道上的發(fā)生器能夠沿管道方向水平移動至少50 mm。

4.3.9 燃氣管道安裝

圖3 一車間燃氣紅外輻射采暖圖

圖4 二車間燃氣紅外輻射采暖圖

1)燃氣閥組前燃氣管道采用無縫鋼管，燃氣閥組之后采用熱鍍鋅鋼管;除閥門連接、與燃燒器連接處，管道連接當管徑不大于DN80的均采用螺紋連接，管徑大于DN80的均采用焊接連接。2)燃氣管道系統(tǒng)的安裝、檢測和調試須由專業(yè)施工人員完成。

本項目所施工的燃氣紅外輻射采暖工程如圖3，圖4所示。

5 結語

在該工程完工后的第一個采暖期，我們對該項目進行了回訪，發(fā)現(xiàn)供暖效果良好，通過對該系統(tǒng)的施工，我們對紅外輻射供暖系統(tǒng)有了更深的了解。相信在今后的大空間采暖系統(tǒng)中該項技術的應用會越來越廣泛。

［1］安永泉，趙 剡，許 東，等.梯度溫度氣體介質的熱輻射傳遞特性研究［J］.紅外與毫米波學報，2011，30(4):27-28.

［2］黃華國，竇寶成，胡 妮.雄穗對玉米冠層熱輻射方向性的影響分析［J］.紅外與毫米波學報，2011，30(2):31-32.

［3］GB 50015-2003，建筑給水排水設計規(guī)范［S］.