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為使人們生活或進行生產的空間保持在適宜的熱狀態(見室內熱環境)而設置的供熱設施。

1 供暖設備 - 簡介

為使人們生活或進行生產的空間保持在適宜的熱狀態(見室內熱環境)而設置的供熱設施。

向一定的空間加熱量的辦法,可以直接把產生熱量的火爐裝在其中;也可以抽出其中的空氣,加熱后再送回;也可以在其中裝置保持在較高溫度的物體,向所在空間放熱。這種溫度較高

供暖設備供暖設備

 的物體稱為供暖放熱器。為使供暖放熱器持續放熱,可用經過預熱的流體連續地在放熱器里流過。這種流體通常是蒸汽或熱水,稱為載熱媒質或熱媒。熱媒被設在該空間以外的產熱、集熱或換熱設備(熱源)加熱后,用供暖管道分配到各個供暖放熱器。熱媒把所攜帶的一部分熱量傳給放熱器后,通過迴流管道流回熱源,重新加熱。熱媒循環流轉,就可不斷地把熱轉送到受暖空間。

典型的供暖設備是由熱源、熱媒管道和供暖放熱器組成(圖1)。這三個基本組成部分有時可簡化、合併或省略。例如火爐供暖的熱源和放熱器合在一起,就不需要熱媒流轉管道。火塘供暖更加簡單,用熾熱的燃料和燃燒產物向受暖空間放熱,連放熱器也沒有了。  

2 供暖設備 -供暖熱源

傳統的供暖熱源是燃燒燃料或用電熱元件產熱。隨著化石燃料(煤、石油等)來源日趨緊張,回收工業生產排放的餘熱和收集並利用大自然中存在的熱已成為很受重視的供暖熱源。

燃燒燃料作為熱源

這類熱源通過燃燒把各種燃料所含的化學能轉化為熱能。用這種熱源的供暖設備有:①傳統的簡單的供暖設備,如火塘、火盆、火爐,較複雜的如火地、火牆、火炕。②熱風爐,是裝置在受暖房間以外的一種火爐。爐體外包有嚴密的圍罩。從受暖房間流回的空氣在流過圍罩和爐體之間的環形通道時被爐體的熱表面加熱,然後通過管道送回各受暖房間。煙氣可以完全不進入受暖房間,這種設備比火牆等安全衛生;但在中國採用不多。③現代常用的鍋爐,是利用水或蒸汽作為熱媒,可把熱源產生的熱送到放熱器去。大的鍋爐能為多幢房屋供暖。④燃氣紅外線輻射器,是一種裝置在受暖空間里燒氣態燃料的熱源。這種設備體積小、重量輕,可用作局部供暖設備,且價格便宜,安裝方便。缺點是氣態燃料較貴,而且火災及一氧化碳中毒的危險性較大。  

電熱作為熱源

利用電熱元件製成的各種供暖熱源(包括電熱紅外線輻射器),布置安裝方便,工作環境清潔。但電能是高價能源,而且火力發電的燃料利用效率不如直接燃燒產熱,所以一般不宜采

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 用。  

利用工業餘熱作為熱源

在高溫下完成工業生產過程產生的產品和排出的廢氣、廢渣和廢液都有很高的溫度。工業生產設備的冷卻系統排放的冷卻水或空氣,溫度也常常相當高。各種蒸汽機排出的乏蒸汽仍然含有大量的汽化熱。這些餘熱通過適當的方法都可用於供暖。工業餘熱數量一般都很大,需要建造供暖管網才能把它分配給足夠多的用戶,投資相當大。因此應仔細考慮下列問題:怎樣處理餘熱的產量與供暖負荷的不一致,是否影響原來的生產過程,排出物是否有毒或有腐蝕性,是否有經濟效益等等。  

利用地熱作為熱源

地下水流近地殼下高溫岩層時會被加熱成為熱水或蒸汽,經地殼的縫隙冒出地面,成為溫泉或蒸汽泉。溫泉和蒸汽泉都可用於供暖。人們還在研究通過鑽井注水到熱岩層,再汲出熱水作為熱媒以強化汲取地熱的技術。  

利用太陽能作為熱源

讓熱媒流過被太陽光照射的管道,就可使熱煤加熱。圖2是根據這個原理製成的管板式太陽能熱水器。太陽能熱源幾乎是用之不竭的,而且不污染環境。它的缺點是需要很大的日照面積才能收集到一幢房屋所需的供暖熱量以及陰晴晝夜所得熱量懸殊。太陽能收集器的造價高,佔地大,在房屋高而密集的地區難於安排。為了保證陰天和夜間供暖必須建造大容量的蓄熱設施或設置其他補充熱源。

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  利用熱泵作為熱源
熱泵是可以從較低溫度的物體吸取熱量轉送給較高溫度物體的機械。圖3是從低溫大氣吸取熱量轉送給處於較高溫度的受暖房間的原理示意。壓縮機開動后可以從室外的蒸發器吸入低溫的工質蒸汽並把它加壓成為高壓高溫的蒸汽。若壓力足夠高則其溫度可以高於室內氣溫,工質蒸汽流入設在室內的冷凝器,就可向室內放熱並成為高壓下的冷凝液。冷凝液流過節流閥,因壓力降低部分汽化成為低壓下的低溫濕蒸汽。若這時的壓力足夠低,則其溫度可低於室外氣溫,當它流經室外的蒸發器時就可被大氣加熱成為低壓下的飽和蒸汽。這樣,每當工質完成一次流轉,就會從室外大氣吸取一定數量的熱,並把這熱量和它從壓縮機得到的機械功的熱當量一起送給受暖房間。室內得到的熱量通常可超過壓縮機所耗能量的二倍,所以熱泵作為供暖熱源在能量收支上看是合算的。熱泵當然也可吸取低溫河湖水體或工業排出物中所含熱量,用以加熱較高溫度的供暖熱媒。但是造價高而且要靠價昂的電能運轉,供暖成本常高於傳統的熱源。現在熱泵大多用在夏季兼負製冷任務的空氣調節系統中。  

3 供暖設備 -服務範圍

供暖設備按照服務範圍分為局部的、集中的和區域的。

局部供暖設備

供暖熱源設在受暖房間里的供暖設備。各種火爐、電爐、電熱設備和燃氣紅外線輻射器都屬於這一類。它們的優點是造價低廉以及房間冷熱可由使用者按意願調節。缺點是,除電熱外,一氧化碳中毒及火災的危險性較大,且室內清潔程度較差。  

集中供暖設備

由單一熱源對很多房間的放熱器給熱的供暖設備。經熱源加熱后的熱媒,通過供熱管道流到各個放熱器放熱,然後又經迴流管道流回熱源重新加熱。熱媒在管道里只靠熱膨脹、密度變小

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 而受到浮力推動的,稱為重力流轉式的;熱媒的流轉主要靠水泵或扇風機推動的,稱為機力流轉式的。蒸汽從熱源流到放熱器是靠蒸汽產生時的壓力;其凝結水流回熱源的動力或是靠放熱器和熱源之間的高度差(重力回水),或是靠凝結水流出放熱器時所受的剩餘的蒸汽壓力(余壓回水),或是靠回水泵汲送(機力回水)。熱媒管道中各段的斷面尺寸是根據熱媒流經該段時的阻力和分配到各該段的流動動力相平衡而決定的。集中式供暖設備有下列三種。

①集中式熱風供暖設備。熱風熱源用於多個大房間供暖。

②集中式熱水供暖設備。這是用水作為熱媒的集中供暖設備。圖4是機力流轉式熱水供暖系統的示意圖。如果熱水只流過一個供暖放熱器就流回熱源,則進入每個放熱器時的水溫基本相同,這種設備稱為雙管式熱水供暖系統(圖4左側)。如果熱水要順序流過幾個放熱器才流回熱源,則進入這串放熱器里每個放熱器的水溫是逐個降低的,這種設備稱為單管式熱水供暖系統(圖4右側)。單管式系統的造價較低,但放熱器不能單個地調節其放熱量,而且處於一串放熱器末尾的放熱器會因進水溫度太低而需要過多的放熱面積。為完成分送熱媒與迴流熱媒的任務,常用各種方式把單管式與雙管式組合在一起。

集中式熱水供暖設備很容易按氣候冷暖改變熱水溫度而保持流率不變;用它供暖,室溫比較穩定,對醫院、幼兒園、住宅之類房屋特別合宜。它的缺點是:供暖期中不能有較長時間的間斷,否則會凍裂管道和放熱器;在室內發生漏水時會損壞室內器物。這種設備用於高層樓房時必須沿高度分為幾個獨立的供暖系統,室內系統和室外管網也必須在水力上加以隔離,以免較低各層以及其他房屋裡的管道和供暖放熱器承受過大的靜水壓力。

③集中式蒸汽供暖設備。這是在熱源把水加熱成為蒸汽,經供汽管道把蒸汽分別送到各個放熱器的供暖設備。蒸汽在其中放出汽化熱並凝結成水,然後經回水管道彙集起來流回熱源重新加熱。供汽和回水各有專用管道的稱為雙管式系統。負荷很小的系統或個別管段,回水可利用供汽管流回,稱為單管式系統或管段。單管式系統造價較低,但汽水流動相互干擾常會產生巨大的衝擊雜訊,所以較少採用。

與熱水供暖相比,蒸汽供暖的優點是:間斷供暖時沒有管道結凍的危險;高層樓房的底層管道等沒有承壓過大的問題。主要缺點是:放熱器表面溫度過高時會燙傷人;依靠斷續供汽調節熱量,因而室溫波動較大。

真空式蒸汽供暖設備是一種在回水總管上裝置真空泵抽吸管道和放熱器里的水和氣體的蒸汽供暖設備。整個設備里保持負壓,各部件必須嚴密不漏氣。因為這一點難以長期保證,所以未能大量推廣。
  

區域供暖設備

一個熱源對很多幢房屋供暖而所要求的熱媒參數並不相同時,或是供暖區域很大時,熱源輸出的熱媒溫度或壓力通常高於所有用戶要求的數值。這時在熱媒進入室內系統前,必須設置改變熱媒參數的設備;這種設備是一般的集中供暖系統所沒有的。這樣的供暖稱為區域供暖,以區別於一般集中供暖。

區域式供暖熱源輸出的是高壓蒸汽或過熱水──在高於大氣壓力下加熱到 100℃以上的液態水。在房屋入口前設置表面式換熱器是最安全的、通用的改變熱媒參數的辦法。在安全條件允許時,也可用減壓閥降低蒸汽壓力,或用混合器降低過熱水的溫度,或用蒸汽噴射泵加熱室內系統的回水。

4 供暖設備 -供暖放熱器

裝置在受暖房間里的熱媒通道。它具有曲折延展的表面,使熱媒流過它時便於把熱量傳給受暖的空間。它的構造和外形多種多樣。傳熱係數是它的主要性能指標,其定義是:放熱器里的熱媒平均溫度和受暖空間的氣溫相差一度時單位面積的放熱率。對於同樣的供暖任務,採用傳熱係數較高的放熱器,則所需放熱面積就較小,因而放熱器的造價一般也就可少一些。金屬熱強度是另一個性能指標,其數值等於傳熱係數除以單位放熱面積的重量。對於相同的供暖任務,採用金屬熱強度較高的放熱器就可減少放熱器所用的金屬量。在選擇放熱器類型時除上述兩個指標外還要考慮使用的具體要求,例如承壓能力、抗腐蝕能力、放熱方式、防火要求、清潔要求等。常用的放熱器有:光面圓管放熱器、圓翼型放熱器、對片式鑄鐵放熱器、鋼串片式放熱器。還有一些新型放熱器。如山西省建築設計院研製的鑄鐵針翼型管式放熱器提高了傳熱係數;很多鑄造廠採用清華大學研製的稀土鑄鐵作為原料,增強了承壓能力;鋼板壓制放熱器的金屬熱強度達到鑄鐵暖氣片的二倍以上,鑄鋁暖氣片外表光滑美觀,但這兩類放熱器都不耐腐蝕,對水質要求嚴格且不得用於蒸汽供暖。

一般的供暖放熱器主要是靠對流方式放熱的,增強其外表面的空氣自然對流可以提高傳熱係數。對流放熱佔總放熱量80%以上,稱為對流式放熱器。中國南京散熱器廠生產的一種加圍罩的鋼串片散熱器,所加圍罩使對流放熱加強,而輻射放熱卻因受到圍罩的遮擋而減弱,就成了對流式放熱器。對於翼片易損壞而且外形不美觀的鋼串片和針翼型管放熱器,圍罩不但可以提高放熱器的傳熱係數,而且還可起保護與美化放熱器的作用。

暖風機是用扇風機把空氣吹過放熱器表面以增加其對流放熱量的對流式放熱器,通常用在較大的公用房間和工廠車間。
對於供暖放熱器的對流放熱加以遏制,使其放熱量中輻射放熱佔主要部分,就成了輻射式放熱器。輻射板是輻射式放熱器的主要類型。通常一切用熱水或蒸汽管加熱的平板式放熱器都被稱為輻射板。圖5是吊在屋面板下的輻射板。由圖可見,熱媒管和被它們加熱的輻射板上面覆蓋著隔熱層。被它們加熱后的空氣不能上升形成對流,所以它們主要靠輻射放熱。如果輻射板的板面朝向上方或側方,板面的空氣對流不受阻擋,輻射板的對流放熱便會成為主要的。因此,布置輻射板時,板面與水平的夾角不可大於45°。

輻射放熱具有透過空氣不被吸收的特點,直到輻射落到能吸收它的物體上時才會被吸收並把物體加熱。因此,用輻射式供暖放熱器供暖的房間里,受到放熱面輻照的物體和圍護結構比空氣先被加熱,然後再由這些升溫后的表面通過對流加熱空氣,房間里的空氣溫度低於受到輻照的物體表面。人們停留在受輻照的區域,即使空氣溫度低於通常的供暖標準,仍然可以感到溫暖。這對於門窗頻繁開啟冷風大量滲入的房間,顯然可以降低供暖所需要的熱量,因而節省供暖熱能。此外,多種紅外線輻射器已大量應用於室外場所供暖。   

5 供暖設備 -供暖設備的熱媒

供暖設備所用的熱媒通常是空氣、蒸汽或熱水。

空氣的比熱小,密度也小。用它作為熱媒時空氣的容積流率很大,要有相當粗的管道,因此管道的造價和輸送的能量消耗都較大。直接用受暖房間的空氣作熱媒,無須裝設供暖放熱器,而且可以同時進行通風(見通風設備)。這種熱媒通常用於熱源距受暖房間很近的情況。

蒸汽冷凝時每公斤可放出兩千多千焦的熱能。它的流轉幾乎全靠自身的壓力無需外加的電能或機械能,所以它是比較理想的熱媒。其缺點是管道上的疏水器需要經常維修並且仍難免漏氣;為了減輕管道內汽、水的衝擊,水平管道必須布置成沿蒸汽流向下斜,不能隨地形起伏,從而造價增加。用蒸汽作熱媒輸熱距離不宜超過5公里。

熱水的比熱和密度都比空氣大很多。熱水和蒸汽比,每公斤輸送的熱量比蒸汽少,但每立方米輸送的熱量比蒸汽多,所以供熱管的尺寸較小。熱水的流轉水泵雖然消耗電能,但輸送途中的熱損失比蒸汽少;此外,熱水的供水溫度易於調節。因此,除間歇使用的房屋外,用熱水作為供暖熱媒較為普遍。

6 供暖設備 -工作制度和運行調節

供暖設備的工作制度分為連續供暖和間歇供暖兩類。前者在整個供暖季中保持熱媒流轉和不斷加熱;後者則在一晝夜中只在若干小時保持熱媒的流轉和加熱。連續供暖,室溫比較穩定。間歇供暖時可以有意識地在一些時間降低室溫以節省燃料和人力。

運行調節指的是按照供暖所需熱量增減供給受暖房間熱量。調節方法有:改變熱媒的流量(量調節),改變熱媒的溫度(質調節),或同時改變熱媒的流量和溫度(綜合調節)。調節可以是自動的,也可以是手動的。調節可在熱源(集中調節)或在供暖入口(分片或分戶調節),或在各個供暖放熱器上(局部調節)進行。

因為房間供暖所需的熱量不只決定於外界溫度,而且受各個房間的朝向和使用人的生活習慣影響,所以局部調節最能適合各個房間的具體要求。但局部調節有時不可靠,因而運行調節都以集中調節為主。

集中的質調節是熱水供暖最通用的調節方法,它可以保持較穩定的室溫。但一般的蒸汽供暖設備無法採用集中的質調節,因為蒸汽溫度的可調節幅度太窄。

集中的質、量綜合調節是為了節省水泵用電量而設計的一種調節方法。此法是利用改變水泵的工作台數實現流量的改變,從而避免了連續量調節時改變單台水泵流量的困難。應用這種量調節方法,流量隨工作的水泵台數而發生階梯形的變化,在每一階段的流量是恆定的。這樣可以在每一個流量不變的階段里採用改變水溫的質調節加以補充。質、量綜合調節也可以是既改變每天的供暖小時數,也改變供水溫度。

7 供暖設備 -節能

提高房屋構造的保溫性能可以減少房屋供暖所需的熱能量。正確地選擇供暖設備也對供暖節能很有意義。例如不經常使用的房屋採用蒸汽或熱風供暖,冷風滲入量大的房屋採用輻射供暖等。重視熱媒輸送管道及其附件的維修,可以減少供暖管道的無益熱耗。供暖設備的運行調節可以消滅供暖過熱的浪費現象。利用工業餘熱作為供暖熱源可以大量節約供暖能源。按照用熱量分戶收取供暖費,可以促進用戶關心供暖節能,進行局部調節。

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