康力
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 200433
摘要：随着人们生活水平的提高，越来越多出现北方寒冷地区室内建筑大规模考虑四季常青绿植。在节能、经济的条件下，为保证北方寒冷地区商业类建筑内高大空间“中庭植物园”内温带四季常青植物室内温度条件，经多种采暖方案对比分析，得出“燃气辐射供暖+散热器”的采暖方案较为经济、合理。
关键词：寒冷地区；采暖；经济；燃气辐射；供暖+散热器
1、项目背景
本项目为山西省某商务中心“中庭植物园”，“中庭植物园”种植温带四季常青植物，为保证植物生长的温度条件：5℃室温，此区域设置采暖措施。
建筑背景：商务中心为内径27.3m，外径47.6m的270°的四层（局部三层）圆弧形建筑。“中庭植物园”是底面为半径27.3m，顶部为半球形玻璃幕墙，顶部最高点标高28.3m（文中所提标高皆以建筑专业高程坐标系为准），顶部球面与楼面镶嵌部分水平标高19.4m，其余部位垂直设置幕墙的封闭空间。
室外气象参数：项目位于山西吕梁。室外气象参数：东经111.0°，北纬37.5°，冬季大气压914.5hPa,冬季室外供暖计算干球温度-12.6℃，室外平均风速2.1m/s，地表面最冷月平均温度-4.7℃。
经计算，中庭采暖热负荷为320kW[1]。
植物园的热环境是空气温度、湿度、气流速度等因素的综合[2]。它与外界的气象因素有直接关系。在寒冷的北方，热环境中起决定作用的因素是空气温度，它受室外气温变化影响，也受室内人员散热、围护结构散热、通风换热等直接影响。室内的绝对湿度通过喷蒸汽直接加湿，相对湿度又受室温的影响，随着室温下降其相对湿度就要增高展览温室环境控制的目的就是尽可能地创造植物生长的原生环境，即“以植物为本”，在植物生态要求不适合的季节或地带进行植物的异地栽培。
其中，本项目对本专业的要求是在满足温带四季常青植物5℃室温的生存条件。本文在此条件下对采暖方案及经济进行对比分析。
2、方案对比
2.1单一采暖方式特征
2.1.1散热器供暖
使用散热器供暖最明显的特点就是制热快，对于材质比较好的散热器，短时间内就能达到设定温度。而且散热器的安装布置包括后期运行都不会对地面产生影响。但是安装散热器需要占用一定空间，而且连接散热器的管道如果不采取装饰会影响美观，由于散热器供暖基本是靠对流传热，所以纯粹靠散热器供暖只在局部区域有效果，无法实现比较均匀温度场。散热器供暖的辐射区域有限，虽然其表面的温度很高，却无法实现长距离传播，温度衰减比较严重。本项目空间大、内部植物、功能区复杂，四周安装散热器相对容易，内部全部设置散热器难度很大。
2.1.2暖风机供暖
暖风机是一种比较传统的采暖技术。在大空间建筑中，暖风机的布置位置一般都偏高，所以其布置特性非常灵活，可以根据人员需求、美观设计进行灵活安装。冬季供暖时，由于热气流上浮的原因，暖风机实际供热能力并不能达到预期效果。供暖时大多安装在立柱的两侧或者门窗下部，以免影响其他设备的正常运作。
2.1.3燃气辐射采暖[3]
燃气热辐射采暖的基本原理是利用辐射传热。燃气辐射管架空安装在高大空间上部，点燃管内燃气后，高温烟气会加热辐射管表面，加热后的表面不断向外辐射红外线，以此向外部空间散发热量。红外线在传播过程中不会使周围空气产生温升，而是直接作用于围护结构、室内设备和地面。室内物体将接收的红外线热量转化为内能，从而其表面温度升高，再以热对流的方式加热其他物体。通过这种方式对建筑进行供暖。燃气辐射的传热机理决定了可以对其传热方向进行控制，所以用户可以根据需求对特定的空间进行采暖，而不会对其他区域产生影响，达到合理分配热量目的，如本项目可在空间上部安装设备，对下部植物进行辐射采暖。但是燃气辐射采暖也有不足的地方：辐射器内部的零部件比较多，设备运行时需要保证各个部件正常运转，所以增加了后期维护的工作量：辐射管内部充满大量烟气，高温高压下烟气有泄漏的可能。
2.1.4地面辐射采暖
地面辐射的地埋管道铺设比较均匀，舒适度更好，围护结构内表面和室内其他物体表面接受辐射热量后的温升比对流供暖时大很多，所以人体向外的辐射散热相应的也小很多，人的热感觉比相同室内温度对流辐射散热时舒适。但本项目属大空间，内有高大植物，需要保证一定土壤厚度供植物生长，热水辐射采暖方式受地面使用性质的限制，不利于维修，因此需要注意使用符合国家标准的材料并按规范施工、验收，对于本项目来说，并不适宜采用。
2.2组合供暖方式[4]
根据2.1对采暖方式的分析得出，对于此类特殊场所的采暖，单一采暖方式很难满足使用要求，采取组合采暖方式。
2.2.1散热器+暖气机
暖风机架空安装，散热器沿建筑外墙落地安装。暖风机的作用主要是用来补偿散热器热量传递不到的地方。或者散热器作为值班供暖，暖风机承担其余热负荷。
2.2.2散热器+燃气辐射
散热器复合燃气辐射作为供暖方式的优势很明显，散热器一般靠窗、靠墙布置，可以补偿墙体和窗户的渗透失热，缓解了燃气辐射的供暖压力，减少安装数量。因此，空间内就是以对流散热供暖形式为辅，辐射传热为主。充分利用了燃气辐射单独供暖时的优点。
3、方案经济计算
3.1方案一
空调箱射流式+散热器。
3.1.1采暖方式分配
220kW暖风机+100kW散热器。
3.1.2主要设备
暖气机：功率110kW,风量40000cmh，全压900Pa，风机功率15kW，两台。
散热器：每片散热量50.2W(温差=27.5°C)；单片尺寸:670x100x60(高x宽x长)(不带底足高度)，承压0.8MPa，单个20片；总共100组。
3.1.3初投资概算：50W
3.1.4运行费用：
吕梁非居民天然气价格为3.05元/m3，工业用电为0.75元/度，吕梁地区日平均温度≤5℃的天数为120天，即采暖天数为120天。
热水每年耗热量为：120x24x320=921600kW
从锅炉房到暖气片末端的采暖的热水，存在换热器换热转化率及管路热量损耗的问题，换热器效率按90%考虑，管路热量损耗按10%考虑，则锅炉所需烧制热水热量应为：921600*1.1/0.9=1126400kW,天然气热值换算为35.588MJ/m3，天然气燃气炉热转化率为85%。
则全年暖气片所需燃气量为：1126400/35.588/0.85X3.6=134052m3
即采暖热水费用为=134052x3.05=40.89万元
风机耗电量=120x24x15x2=86400°
即风机用电费用为：86400x0.75=6.48万元/年
即此种方案采暖年运行费用=40.89+6.48=47.37万元/年。
3.2方案二
燃气辐射供暖+散热器[5]。
3.2.1采暖方式分配
220kW燃气辐射供暖+100kW散热器。
3.2.2主要设备
燃气辐射器：按照设计手册，安装设计高度超过6m时，每增加0.3m，热量损耗增加1%，此项目安装在屋顶龙骨上，按平均高度23m计算，设备需要增加56%，所需设备燃烧功率220x（1+0.57）=345.4kW。则选取7台50kW燃气辐射采暖器；功率50kW，天然气耗量5m3/h。
散热器：每片散热量50.2W(温差=27.5°C)；单片尺寸:670x100x60(高x宽x长)(不带底足高度)，承压0.8MPa，单个20片；总共100个。
3.2.3初投资概算
初投资概算为4W+20W。
3.2.4运行费用：
吕梁非居民天然气价格为3.05元/m3，吕梁地区日平均温度≤5℃的天数为120天，即采暖天数为120天。
则采暖季消耗燃气量=120x24x7x10m3=100800m3，即燃气辐射式采暖费用为=100800x3.05=30.744万元
暖气片每年耗热量为：120x24x100=288000kW。
从锅炉房到暖气片末端的采暖的热水，存在换热器换热转化率及管路热量损耗的问题，换热器效率按90%考虑，管路热量损耗按10%考虑，则锅炉所需烧制热水热量应为：288000*1.1/0.9=352000kW,天然气热值换算为35.588MJ/m3，天然气燃气炉热转化率为85%。
则全年暖气片所需燃气量为：352000/35.588/0.85X3.6=41892m3。
即暖气片采暖费用为=41892x3.05=12.778万元。
则此种采暖运行方案为:30.774+12.778=43.552万元/年。
3.3方案三
燃气辐射供暖（咨询过专业厂家案例，北方热带植物园仅用燃气辐射供暖可满足温度环境要求。）
3.3.1采暖方式分配
320kW燃气辐射供暖。
3.3.2主要设备
燃气辐射器：按照设计手册，安装设计高度超过6m时，每增加0.3m，热量损耗增加1%，此项目安装在屋顶龙骨上，按平均高度23m计算，设备需要增加56%，所需设备燃烧功率320x（1+0.57）=502.4kW。则选取10台50kW燃气辐射采暖器；功率50kW，天然气耗量5m3/h。
3.3.3初投资概算
初投资概算经过向相关厂家咨询，大概20W元。
3.3.4运行费用
吕梁非居民天然气价格为3.05元/m3，吕梁地区日平均温度≤5℃的天数为120天，即采暖天数为120天。
则采暖季消耗燃气量=120x24x5x10m3=144000m3。
即此种采暖方案采暖季运行费用=144000x3.05=43.92万元/年。
4、方案经济分析
设备的寿命使用年限按照15年考量。
则方案一“空调箱射流式+散热器“初投资加运行费用为：50+47.37x15=760.55万元；
则方案二“燃气辐射供暖+散热器”初投资加运行费用为：34+43.552x15=687.28万元；
则方案三“燃气辐射供暖”初投资加运行费用为：20+43.92x15=678.8万元。
5、结论
从经济性角度对比：方案二与方案三结果相差不大，比方案一更省钱；再考虑实际使用中，因高大树木遮挡、地面附近低处会有辐射死角的因素考虑，方案二使用效果上更合理。综合考虑，选用方案二“燃气辐射供暖+散热器”的采暖方案。
参考文献：
[1]陆耀庆.实用供热空调设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社.2007
[2]毛春英.园林植物栽培技术[M].北京：中国林业出版社.1998
[3]赵伟刚、夏修标.天然气辐射采暖系统的应用与探讨[J].现代制造技术与装备，2013（6）：67~68
[4]蔡德源,许志浩.高大建筑空间采暖方式的分析[D].2002.
[5]郑雪晶.燃气敷设采暖工业厂房采暖能耗的研究[D].哈尔滨工业大学，2016，（11）：23~24