摘要: 通过对高大空间供暖方式的技术分析，提出燃气辐射供暖是解决高大空间供暖的有效途径，并介绍了这种供暖方式的原理、工作方式。
关键词: 高大空间供暖方式燃气辐射供暖
常规的对流散热器供暖方式中，用户端散热器先加热空气，由于冷热空气的密度差，空间内热空气向上流动, 冷空气向下流动，导致房间内温度产生严重的垂直失调，产生大量的无效耗热量。目前对于高大空间建筑物的采暖，主要采用“散热器+暖风机”供暖方式。散热器系统维持值班采暖，散热器+暖风机系统维持工作采暖。
燃气辐射供暖是利用天然气、液化石油气，在特殊的燃烧装置—-辐射器内燃烧而辐射出各种波长的红外线进行供暖的。红外线照射到物体上后，部分被吸收，部分又反射出来，对物体和人体进行二次加热。纯净空气是理想的透射体，不吸收辐射能。燃气辐射采暖就象太阳温暖地球一样，温暖室内的人或物体。
燃气辐射管供暖器是目前最流行为燃气辐射供暖器，按燃烧通风的方式又分为正压式和负压式。按设备布置形式，又分为整体式和单元式。按设备型式又分为直线型和U型。
负压式辐射管供暖器由于燃烧好，无泄漏，尾气排放好，代表了燃气辐射管供暖器的发展方向，但造价稍高。正压式设备由于燃烧不好，易泄漏，将逐步退出市场，欧洲早在20年前就禁止使用正压式辐射供暖系统。
单元式设备具有布置灵活，系统工作可靠，燃烧完全等特点，是目前燃气辐射管供暖器的主流发展方向。整体式设备不紧凑、可靠性差，占空间大，布置不灵活，沿着辐射管长度方向的温度降大，温度不均匀。
U型设备紧凑，引风机和燃烧器在同一端，接电方便，沿着辐射管长度方向的温度较均匀，辐射管的热膨胀补偿性好，是燃气辐射管的发展方向，直线型设备沿着辐射管长度方向的温度降大，温度不均匀。
燃气辐射供暖省去了将高温烟气热能转变为低温热媒（热水或蒸汽）热能这样一个能量转换环节，同时减少了大量的无效供热量，热效率大大提高。它具有构造简单、外形小巧、发热量大、热效率高、安装方便、造价低、操作简单、无噪音、环保、洁净等优点。它特别适用于工厂车间、体育场馆、游泳池、礼堂、剧院、食堂、餐厅、仓库、超市、货运站、飞机修理库、车库、洗车房、温室大棚、养殖场等。
《采暖通风与空气调节设计规范》(GB50019-2003) 第4.5.1条文说明对燃气红外线辐射采暖的适用范围也作了说明：“燃气红外线辐射采暖系统可用于建筑物室内全面采暖、局部采暖和室外工作地点的采暖。目前，在许多发达国家已有多种新型的燃气采暖设备，具有高效节能、舒适卫生、运行费用低等特点。该采暖方式尤其适用于有高大空间的建筑物采暖。随着我国石油工业的发展，油气田的开发和利用，这种采暖方式的应用在不断增加。实践证明，在燃气供应许可时，采用红外线辐射采暖系统，从技术上和经济上都具有一定的优越性。”
下面我们将散热器+热风供暖与燃气辐射管供暖做一个比较:
1.散热器+热风供暖系统
1.1工作原理
燃料在锅炉内通过燃烧将化学能转变成高温烟气的热能，高温烟气在炉内把热量传给热媒（热水或蒸汽），再经过输送管路（热网）将热媒送至用户（散热器）和空气处理设备，再传给室内的空气和物体。
1.2散热器+热风供暖系统的缺点
(1)能量转换环节多，热效率低；
供暖系统的热效率如下：
η=η1·η2·η3
η—供暖系统热效率，%
η1——锅炉热效率，%
η2——供热外管网热效率，%
η3——散热器热效率或空气处理设备的热效率，%
通常供热小锅炉热效率只有70%，供热外管网热效率为95%，散热器的热效率为90%，这样整个供暖系统的热效率只有60%左右。。
(2) 需要外部热源。如自建锅炉房，系统更复杂。
(3) 自动控制与温度调节不易实现。
(4) 由于空气的对流作用，导致室内垂直温差大，产生大量的无效热负荷，往往房间顶部温度高，底部温度低，房间高度越高，这种作用越明显。
(5) 空气对流作用还容易产生扬灰现象，影响现场卫生和人体健康；
(6) 对流散热器通常布置在窗下，对于大跨距建筑物，不但布置困难，而且供暖效果差；
(7) 升温慢，热能浪费大。一般锅炉从启动到升温供暖至少需4-6小时甚至更长，效率太低，供暖结束后，大量的热能仍残留在热网和供暖空间里，造成极大浪费。
2.燃气辐射供暖
2.1辐射供暖的基本理论
导热和对流换热是不同温度的物体直接接触的热传递现象，它们所传递的热量约与温度的一次方之差成正比。辐射换热不依赖介质的直接接触，换热量约与绝对温度的四次方之差成正比。
凡温度高于0 K的物体都有向外发射辐射粒子的能力，辐射粒子所具有的能量称为辐射能。物体转化本身的热能向外发射辐射能的现象称为热辐射。温度越高，辐射能力越强。
物体发射的射线中，一些射线的波长很短，如宇宙射线的波长λ小于10-8μm，而某些无线电的波长却以km计量。图1示出了波长λ从10-5到104μm的电磁波的波谱。波长在0.1-100μm范围内的射线为热射线，其大部分热量位于红外区段中的0.7-25μm之间。可见光的波长按颜色由紫到红约为0.4-0.7μm。太阳所发射的辐射能中，约有40%左右在可见光范围内。
辐射能力和吸收能力最强的理想物体称为黑体。它向周围空间内所发射的辐射能为物体的黑度除随物体的种类而异外，还与其表面状况和温度有关。
只有当黑体的绝对温度大于800K（527℃）时，其辐射能明显地具有波长λ为0.4-0.7μm而能为肉眼所见到的可见光射线。随着温度的升高，可见光射线增加。
辐射器辐射出的波段范围取决于辐射器的表面温度，辐射器的辐射能量随表面温度的变化规律，可通过黑体辐射能量随波长变化的普朗克定理确定。实际应用的辐射器表面温度越高，则最大辐射强度所在的波长越短。
一物体热辐射的能量在被另一物体吸收后，又转化成该物体的内能。因此，辐射换热还具有能量形式转化的特点。
辐射能投射到一个均质物体上时，部分能量进入物体，其余则被物体表面反射，进入物体的能量中，一部分被物体吸收，转化成该物体的内能，另一部分则经折射而透过物体。
通常用物体的吸收率α、反射率ρ、透射率τ来表征物体的吸收、反射、透射。
α+ρ+τ=1
气体对于辐射能几乎不反射，因此，反射率ρ=0。
固体和液体中，分子排列非常紧密，辐射能投射到表面上时，在进入物体很小的距离内即被吸收完毕。对于金属导体，该距离仅为1μm数量级。
某些气体对于热射线可以视作透射体，例如氩、氖等惰性气体和具有对称型双原子分子的氧、氮、氢等。通常认为纯净的空气也具有透射体的性质。对于非对称型分子的气体如CO、多原子气体CO2、水蒸汽、硫和氮的氧化物，以及所有有机气体等，都能发射某些波段的能量，也能吸收同波段的能量。
固体能辐射和吸收所有波长的能量，也就是说，固体发射和吸收辐射能的光谱是连续的。具有辐射和吸收能力的气体，按其种类和温度只能辐射和吸收一定波段的能量，而其它波段的射线都可透射过去，所以气体的辐射的辐射和吸收对波长有选择性。
当物体表面较光滑，如高度磨光的金属板，其粗糙不平的尺度小于射线的波长时，物体表面对投射辐射将呈镜面反射，入射角与反射角相等。相反，当表面粗糙不平的尺度大于射线的波长时，将会得到漫反射，它的吸收率大于镜面。在实际工程中，对射线的吸收和反射有重大影响的是表面的粗糙情况，而不是表面的颜色。
在对流供暖系统中，室内的热效应和卫生条件主要取决于室内空气温度的高低，所以，室内设计温度是对流供暖的基本标准。
在辐射供暖中，热量的传播主要以辐射形式出现，但同时也伴随有对流形式的热传播。从空气的辐射和吸收特性我们知道，空气可以看作透射体，既不吸收辐射能，也不发射辐射能。所以，我们说，在辐射采暖中的辐射热不加热空气，对空气加热的是辐射器对空气的对流换热效应。有人认为在辐射采暖中，空气温度与室外温度相同，这是忽视了在辐射采暖中，辐射采暖器除了向采暖空间发射辐射能外，与周围环境还有对流换热，致使空气温度升高。当然这个空气温度比对流采暖时的空气温度要低，减少了无效耗热量，所以辐射采暖比对流采暖节能。所以，在辐射采暖设计中，既不能单纯地以辐射强度作为衡量供暖效果的标准，也不能一成不变的仍以室内设计温度作为基本标准。通常以实感温度作为衡量辐射供暖的标准。实感温度也称等感温度或黑球温度，它标志着在辐射供暖环境中，人或物体受辐射和对流交换双重作用时以温度表示出来的实际感觉。
我国《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003的条文说明（4.5.6条）中也提出辐射采暖的实感温度比空气温度高2-3℃。
实感温度可以由黑球温度计来测量，也可以根据下列经验公式计算得出：
辐射供暖时，空气温度和辐射强度对人体产生综合作用，二者必须保持一定的比例，只有当二者的比例与人体散热的需要相符合时，才会产生较好的舒适感。在辐射供暖环境中，辐射强度越大，实感温度比室内温度就越高，其中的关系可用下式表示：
Epj = 5.72［T4 Sx10-8 + 2.47 (ts-tn) v0.5 ]
式中 Epj —黑球温度计处的平均辐射强度，W/ m2；
Ts —黑球温度计处的热力学温度，K；
ts —实感温度，℃；
tn —室内空气温度，℃；
v —测点处的空气流速，m/s。
实测证明，在人体的舒适范围内，实感温度可以比室内环境温度高2~3℃左右。因此，在保持相同舒适感的前提下，辐射供暖时的室内空气温度，可以比对流供暖时低2~3℃左右。
辐射供暖时，辐射强度和室内空气温度的定量关系，可以下式表达：
E = 175.85 – 9.77t
式中 E — 温度为tn时的辐射强度，W/ m2；
tn —室内空气温度，℃。
上式表明，当室内空气温度为0℃时，需要的辐射强度为175.85 W/ m2，当室内空气温度为10~12℃时，需要配合78.15~58.62 W/ m2的辐射强度，这样，都可以有比较好的舒适感。很明显，当室内空气温度为18℃时，按上式可得：
E =175.85 - 9.77 × 18 = - 0.01≈0
这意味着此时此地已成为通常的对流供暖，所以，对辐射强度已没有什么要求。
应该指出，在辐射供暖时，除了地面辐射以外，不管是墙面还是顶面辐射，也不管是倾斜安装还是水平安装，辐射线总是首先接触到人的头部或脸部。因此，辐射强度应以人体头部所能忍受的辐射强度为上限。人体对辐射强度的反应可见有关文献。
由于辐射供暖时，人体各部分接受到的辐射强度是不均匀的，所以，需要以适当的空气温度作为补充。
当室内空气温度为10℃时，配合63W/m２的辐射强度是比较理想的。结合我国的具体情况，空气温度以12-15℃，辐射强度为30-60W/m２比较合适。
辐射供暖时，由于有温度和辐射强度的双重作用，比较符合人体散热的要求，所以，有较好的舒适感。但是，由于同时存在着对流和辐射换热，且二者错综复杂的交织在一起，这样，就使得准确计算供暖热负荷变得十分困难。因此，实践中，国内外普遍采用近似法来估算辐射供暖系统的热负荷，常用的方法有以下两种：
(1) 修正系数法
设Qd为对流供暖时的热负荷，Qf为辐射供暖时的热负荷，则
Qf = φQd
式中φ—修正系数，对于中、高温辐射系统φ = 0.8 ~ 0.9
(2) 降低室内温度法
热负荷计算仍按对流供暖时一样进行，但必须把室内空气的计算温度降低2~6℃。对于低温辐射系统，可采用下限值，对于高温辐射供暖系统特别是象燃气红外线辐射供暖系统，宜采用接近上限的数值。
根据我国《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）的规定，采用燃气红外线辐射采暖时，建筑围护结构的耗热量不计算高度附加，并在此基础上乘以0.8-0.9的修正系数。
2.2工作原理
红外线是整个电磁波波段的一部分。波长在0.76-100微米之间的电磁波，尤其是波长在0.76-40微米之间的电磁波能量集中，热效应显著，所以称为热射线或红外线。GAZ INDUSTRIE的燃气辐射管发出的红外线波长在3.5-5.5微米之间。当红外线穿过空气层时，不会被空气所吸收，它能穿透空气层而被物体直接吸收，并转变为热量，不仅如此，红外线还能够穿过物体或人体表面层一定的深度，从而从内部对物体或人体进行加热，这就是辐射供暖的基本原理。
辐射热量能被混凝土地板、人和各种物体所吸收，并通过这些物体进行二次辐射，从而加热四周的其它物体。红外线辐射供暖，房间底层温度高，工作环境温暖舒适，上层温度低，因此其热利用率更高。它可适用于3-50m高度的供暖。
GAZ INDUSTRIE 的燃气辐射管供暖器通常包括燃烧器（burner）及火焰检测系统(ignition electrode)、辐射管(radiant tube)、引风机(fan extractor)、控制盒(control box)、反射罩(refletor)。该设备可具有点火程序控制、熄火保护、超欠压保护等功能。
当电源接通后，引风机首先启动，进行15秒钟的抽吸清扫（黄灯和红灯亮），此时，在辐射管内产生一定的负压，在燃烧器空气入口处的负压值约50-90Pa，燃烧所需的空气就从燃烧器侧的空气入口进入系统，在控制盒内有一负压检测系统，它一旦检测得负压达到规定值后，点火装置开始点火，同时，燃气侧的电磁阀打开，燃气进入燃烧器开始燃烧。
如果点火不成功（黄灯亮和红灯亮），火焰检测系统检测不到火焰，系统立即切断燃气供应电磁阀。延迟一段时间后，系统又开始新一轮点火。
如果第二次点火仍不成功，系统再次停止。此时，只有在电源被切断并在几秒钟后重新接通的情况下，才能重新点火。
如果在工作过程中，负压检测系统检测不到规定的负压值或者检测不到火焰，系统自动切断电磁阀，这充分保证了系统的安全性和可靠性。
2. 3燃气辐射供暖的优点
(1) 节约能源，大大降低运行成本
辐射供暖比对流供暖节约能源可达30-60%，主要体现在以下几方面：
第一，由于辐射供暖时，辐射热直接照射供暖对象，几乎不加热环境中的空气，因此辐射供暖时的室内温度梯度小，与对流采暖相比，在室内空气温度相同的情况下，辐射采暖的实感温度比对流采暖的实感温度高压2-3℃，也就是说，在保证同样的室内实感温度的情况下，辐射采暖的室内空气温度比对流采暖低2-3℃，因此室内外温差小，所以冷风渗透量也较小；
第二，由于对流供暖时，室内空气被加热，并形成冷热空气的对流，因此室内空气温度有较大的梯度，屋顶部分温度高，地面附近温度低，而辐射供暖时，辐射热直接向下辐射，地面部分还可以积蓄部分热量，因此室内空气温度梯度小，相应建筑物上部的热损失也较小；
第三，燃气在输送过程中没有损失，同时辐射器的燃烧又非常完全，因此整个供暖系统的热量得以充分利用。而传统的暖气片供暖系统，热源从锅炉引出后，沿途有10-15%的热损失，所以热效率较低。
第四，电耗低。燃气辐射采暖的电耗可不计。热水采暖及热风系统中的热水循环泵及送、回风机都是耗电大户。
（2）红外线对健康有益，舒适感更好
燃气红外线辐射供暖的辐射强度高、效果好。在辐射供暖的环境中，围护结构、地面和环境中的设备表面，有较高的温度，有辐射强度和温度的双重作用，造成了真正符合人体散热要求的热状态，所以人体有最佳的舒适感，此时人的实感温度高于周围环境的空气温度。同时由于提高了室内表面的温度，减少了四周表面对人体的冷辐射。
(3) 启动快、升温快、停机快，运行管理简单，冷却缓慢。
由于辐射供暖利用红外线传热，而红外线与可见光一样都是电磁波的一部分，都以光速传播，所以辐射面一经达到一定温度后，既可供热并解除人体或设备的冷感觉。在供暖期间，四周的围护结构，地面以及室内设备，均吸收辐射热量，并蓄存一部分热量，当辐射供暖停止后，这些积蓄热量，开始向环境散热，因此还可以保持一定的热环境。所以辐射供暖启动特别迅速，而冷却较缓慢，特别适用于间歇式供暖的地方，如仓库、会场、体育场馆、集体食堂、剧院等。
(４) 建筑物围护结构的保温条件要求不高
可以对高大空间、半开放式空间进行加热，甚至可以在室外进行供暖，这是对流供暖无法做到的。可以根据不同的需要，灵活地布置，可以进行全面供暖，也可以在一个很大的空间内，在局部区域进行供暖。
(５) 可以根据需要随时起停
传统暖气片供热只能在供暖季内一直运行，一旦停止供暖，水暖系统中的管线设备则有可能被冻裂。而辐射供暖系统可以根据需要随时起停。
(6) 无外部的燃烧设备，省去了庞大而复杂的锅炉及锅炉房设备，系统简单安装周期短，不占用建筑物的使用面积，辐射装置一般均安装在建筑物供暖空间的上部，所以很少占用或不占建筑使用面积，节约了宝贵的建筑用地。
(7) 一次投资低
只需在燃气管网上接管，并在系统入口安装调压稳压设备，不用安装供热锅炉及其他附属设备（水处理设备、除氧设备等），没有供暖水循环系统，一次投资大大降低。同时由于热媒温度高，辐射器金属耗量低、投资更省。
(8) 自动控制与温度调节容易实现。每套温度控制系统包括1个黑球温度传感器、一个控制箱。黑球温度传感器装于控制区域的具有代表性的位置。控制器对传感器传来的温度信号进行比较，产生控制指令，通过控制设备的开或关调节控制温度。控制区域可根据用户的要求自由划定。在不同的控制区域，用户可根据需要设定不同的室内温度。控制器可根据用户的需要，设定24小内不同时段的温度，可设定5℃的值班供暖温度。不需要设计专门的值班采暖。还可根据用户的需要，设定一个星期内，不同日期设备的工作状态，如开启时间，不同时段的温度。
(9) 结构简单，安装周期短；
(10) 不需维护修理；
(11) 室内空气静止，无扬灰现象，有利于人体健康；
(12) 燃烧洁净能源，无污染，符合国家环境保护要求。天然气、液化石油气为洁净能源。
3.投资及运行费用比较
3.1 散热器+热风供暖系统的投资费用
以供暖面积S=10000 m2，高度H=12m的厂房采暖为例，采用一班制，采暖期为120天。供暖设计室外计算温度为-9℃，室内计算温度为18℃为例，辐射采暖热负荷按140w/平方米估算，总的辐射采暖耗热量为 1400 kw，天然气单价为2元/Nm3其中，外部热源分别按自建燃气锅炉房和利用集中供热热源两种情况来做分析。 分项工程造价（万元）备注
散热器系统50
室内循环风暖风机50
热源自建燃气锅炉房(含热水外管网)70
集中供热39.5热网贴费,此为减半后的费用
合计自建燃气锅炉房(含热水外管网)170
集中供热139.5
集中供热贴费数据来自天津开发区工业厂房按(H/3.8)x12.5元/m2收
3.2 燃气辐射供暖的投资费用
同样以供暖设计室外计算温度为-9℃，室内计算温度为18℃，燃料为天然气为例，对于10000平方米的高大空间建筑物，供暖热负荷按140w/平方米估算，其供暖系统室内外总造价仅为100万元左右，投资大大降低。燃气辐射管属于新型节能产品，无贴费
3.3对流散热器供暖系统的运行费用
(1)自建热水锅炉房：
总的对流采暖耗热量为：1400/0.85=1650 kw；
考虑外网损失，则锅炉房供热量为： 1650/0.9 =1830 kw = 6588000kJ/h；
锅炉热效率按85%计算，则消耗天然气的热量为：6588000/0.85=7750588 kJ/h，相当于2.6t/h的蒸汽量；
天然气的热值按35588 kJ/Nm3 ，则每小时用天然气量为：218Nm3/h，
一个采暖期总的天然气费用为：2x218x8x120x0.8=33.5万元，即：33.5元/平方米。
以上费用还不包括锅炉房电耗、热水采暖系统循环泵电耗、暖风机电耗、人工费。
(2) 利用集中供热热源：
总的对流采暖耗热量为：1400/0.85= 1650 kw = 5940000 kJ/h
一个采暖期的总耗热量为： 5940000x120x8x0.8=4561.9 GJ/采暖期
算法一：按耗热量收费计算，1GJ热量收费65.5元，则一个采暖期的费用为：29.88 万元，即29.88 元/平方米；
算法二：按面积收费计算，天津开发区集中供热收费标准：3.8m以上 的建筑物为：6.92xH/3.8元/( m2·月)，则一个采暖期的费用为：6.92x10/3.8x10000x4=72.8 万元，即：72.8 元/平方米；
以上费用还不包括热水采暖系统循环泵电耗、暖风机电耗。
注：供热费按65.5元/GJ收取，数据来自天津开发区
3.4燃气辐射供暖的运行费用
BT50单台设备小时最大天然气耗气量为： 4.51 Nm3/h
BT50 单台设备小时平均天然气耗气量为： 4.51x0.4 = 1.8Nm3/h
10000平米厂房设计安装BT50型设备36台，则每小时用天然气量为：1.8x 36 = 64.8 Nm3/h
则一个采暖期总的天然气费用为：64.8x2x8x120=12.44 万元，即：12.44 元/平方米/采暖期。
3.5 工程实例
(1)中国重型汽车集团桥箱厂
该企业桥箱厂搬迁工程全部采用了我们的燃气辐射采暖设备，采暖面积50000平方米，若采用传统的燃煤锅炉+散热器+热风系统，一个采暖期的运行费用预计为250万，采用我们的系统，预算运行费用为140万，而实际经过2002-2003年一个采暖期的运行，实际的运行费用仅为58万。
(2) 芬兰美卓矿机（天津）有限公司
该企业的厂房是原南德压缩机的厂房，厂房高27m，供热暖面积4000平方米，原先采用散热器供暖，热源来自天津开发区热电厂集中供热管网，按天津开发区供热收费标准，一个采暖期的费用为48万。采用我们的燃气红外线辐射供暖系统后，我们预算一个采暖期的运行费用为7万，而实际发生的费用仅5.25万元。
(3)天津热带植物观光园
2003年6月18日上午，亚洲最大的热带植物园——天津热带植物观光园在天津市西青区开张纳客。该植物园于2001年10月动工，2003年5月1日建成，总投资2.6亿元，建筑面积4万平方米，汇集热带、热带雨林、亚热带和沙漠气候等各类植物三千多种，分为综合服务厅、四季花卉厅、科普教育厅和热带雨林厅四个部分。该园采用法国燃气供暖工业公司的燃气辐射供暖系统。该系统具有投资省，运行费用低的特点。
该园围护结构耗热量惊人，高达380w/m2。其屋顶为阳光板（K=3.2w/m2K），四周为5mm玻璃，（K=6.4w/m2K），设计中还要考虑最不利气象条件。
经过2002年天津近十年来最严寒的一个冬天的考验（室外最低温度-22℃），热带植物生长茂盛。
4.结论
从上面的比较可以明显看出，与散热器+热风系统供暖相比，燃气辐射供暖，无论是供暖效果、设备投资、运行费用都具有明显的优势。
随着西气东输进程的加快，能源结构的调整及国家对环境保护力度的加强，我们坚信燃气辐射供暖在我国将有着广阔的发展前景。
参考文献：
1.《供暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）
2. 陆耀庆主编《供暖通风设计手册》中国建筑工业出版社 1987年12月第一版
