散热器采暖与地板辐射采暖的适应性综合分析-建筑设计论文

散热器采暖与地板辐射采暖的适应性综合分析
邱静
低温地板热水辐射供暖方式的应用已有10多年时间,由于这种供热方式具有较多的优点,现在的住宅工程大量采用发展极快。低温地板辐射采暖系统，以其室内温度均匀性好，舒适性好，温度梯度小，符合人体生理要求及不影响室内使用面积等优点，受到人们普遍欢迎，广泛应用于别墅、住宅、宾馆大堂、游泳池馆等场所，尤其别墅和住宅使用更为普遍。
一、地板辐射供暖节能的优势
1、减小室内设计温度节省能耗。辐射供热不同于对流供热的一点就是并非直接加热室内的空气,而是通过辐射换热加热各围护结构内表面,及室内各物体表面,提高表面的温度,从而达到室内温度均衡的舒服度。据介绍当室内风速小于0.05m/s时,平均辐射温度变化1℃对人体热感觉的影响与空气温度变化1℃时基本相同。但地板供热所产生的平均辐射温度的提高将使人体受到的辐射热减少,在这种情况下要建立同样舒适条件的需要,辐射供热方式比对流供热方式的热效率高,所以室内设计温度可以比其它供暖形式降低2～3℃。
利用低温热水地面辐射供热方式供暖时,热量主要以辐射形式传送,辐射散热量占总散热量50～60%,这种传送方式直接迅速,热量不需要通过任何介质便可传给供热对象,提高了热效率。因此地板供热可以用较低的室内设计温度得到散热器较高室内设计温度相同的供暖效果。室内设计温度的降低,意味着室内供暖热负荷的降低,也即是节省了能耗及资源。
2、为了节省能耗及资源,地板供暖容易使单户自成系统,只需在水分器旁加装热计量装置,即可实现分户热计量,适应了热供应方式的变革,达到按需供给,实现行为上节能。地面辐射供暖的分室温度控制,要求环路设计,按房间单独布置,分集水器上每个支路设流量调节阀,使每个房间都能达到设计要求流量,从而避免了管长一致,流量一致及超出设计流量造成的过热浪费现象。
采用自动分室温度控制之后,温控系统能自动关闭环路,减少热量损失,可能会节省能耗10%左右。地板供暖智能化,分户计量,自动调温可以实现行为节能。但是该节能方式随着传统散热器供暖系统形式的改变,行为节能的效果也会得到实现。因此该种节能方式并不能看作是低温热水辐射供暖方式比散热器供暖更节能。
3、可以避免安装散热器的局部无效热损失:通常是散热器沿外墙布置在窗台下,在墙内壁面附近有限局域形成的上升热气流,会影响从窗户渗入室内下降的凉空气,并使窗表面的温度有一定提高。但这种供暖方式往往使散热器背面的墙体温度明显升高。这部分热量往往会通过外墙无味的损失浪费掉。据实验和计算分析,对于不采取保温措施的红砖外墙,散热器背面局部温度升高,导致的无功热损失约占散热器散热量的10%左右。因地板辐射供热不存在这样大的损失。
4、高度附加热损失要小:根据现行的“地面辐射供暖技术规程”JGJ142-2004中规定的设计要求,人长期停留房间地表面温度下不得高于28℃,采取地面辐射供暖时室温在室内垂直方向的变化规律,地表面温度接近30℃,垂直温度开始降低,在人的呼吸地带达到室内设计温度。在距离地面30cm垂直方向的温度变化不大,采取地面辐射供暖时,辐射供暖地面的温度高于空间温度,由于上部空间温度偏低,因而大大降低了上部空间向外的无功热损失。对于一般的建筑工程,这部分的损失不是很明显,一般不作为考虑。但是对于层高大的建筑空间,差别显得十分明显,应该引起一定注意。
5、地板材料的蓄热使得热稳定性较好:地扳供热管的上部一般有30～50mm厚度填充保护层,大多数采用C20左右的细石砼,热容量大,楼板也比散热器供暖系统的蓄热量大,因此这种供热方式具有热稳定性较好的优势,尤其是间歇供热情况下室温变化很缓慢,即使关闭热水阀门降低供水温度,填充层的材料蓄热量可使室温保持5～6h。相比较看出对流暖气片供暖一旦关闭暖气阀门,或者停止供热1～2h后,室温会很快降低。应用实践表明,地板辐射供热的蓄热也是具有一定的节能效果,有利于蓄热节能。另外还可以利用低温热水,低温热水地板辐射供热所需水温低,可利用热泵技术,广泛用于地热,空气,污水热量,太阳能等可再生能源和低品位能源。
二、地板供热节能的不利因素
1、小温差大流量增加了运行的能耗:现行的“地面辐射供暖技术规程”JGJ142-2004中对于无坡度的加热管内热媒流速规定不应小于0.25m/s。低温地面辐射供暖水温一般为50～60℃,要保证与房间较好的地面温度均匀,回水温度不宜过低。在房间的热负荷基本相同的情况下,与散热器95/70℃的回水温度相比,地面辐射供暖温差一般只有10℃左右的小温差,如果人为加大回水温差,必然引起流速降低达不到设计要求,因此,对于水温差运行必然引起流速加快。流量G的计算公式:G=0.86Q/(tg-th)
在房间的热负荷基本相同的情况下,散热器的供回水温差25℃,地面辐射供暖供回水温差10℃,这就意味着地面辐射热要比散热器的供暖提高1倍。在热力系统入口处的循环泵电耗将会大大增加,而且消耗的是无污染的电能。
以某生活区域为例,供热面积近50万m2,单位面积热指标65W/m2,采用散热器供回水温度95/70℃,如果改变为低温热水地面辐射热供水温度55℃,供回水温差10℃,计算比较二者水泵电耗:
（1）散热器供暖:
供暖总负荷Q=ɡ.F×50000=3.25×106J;设计流量为:G=0.86Q/(tg-th)=0.68×3.25×106/(95-70)=112t/h;扬程大概为30mH2O,选择的循环水泵为IS型单级单吸离心泵125-100-315,流量120t/h;扬程为30mH2O,配置的电机功率为15kW。
（2）地板辐射供暖:
供暖总负荷Q=95%ɡ.F=0.95×65×50000=3.09×106J;设计流量为:G=0.86Q/(tg-th)=0.58×3.09×106/10=265.5t/h;扬程变化不大也考虑取30mH2O,选择的循环水泵为Sh型双吸离心泵8Sh—13A,流量270t/h;扬程为36mH2O,配置的电机功率为37kW,而耗电量增加了1.5倍。
2、室内外墙内表面温度增高,加大了传热耗能。辐射供暖并非直接加热室内空气,而是通过辐射换热加热各围护结构内表面,及室内各物体表面,从而提高了室内的平均辐射温度。在辐射供温过程中55%以上的热量是通过辐射方式进行的。这样就导致室内物体以及外墙内表面的温度要比室内平均温度要高。同样室内温度,散热器供暖的外墙内表面温度要比辐射供暖的外墙内表面温度低,室内外的传热量与室外的温度,外墙内表面温度有直接关系,而与室内空气平均温度无关。试验分析表明,当室内平均温度为18℃,散热器供暖的外墙内表面温度一般为14℃,地板辐射供暖的外墙内表面的温度为15.9℃,温差接近2℃,会导致热量损失的增加。在相同温度时和散热器供暖的系统相比,地板辐射供暖与室外传热引起的热量损失要大。
3、双向传热加大底层地面传热量:现在设计应用沩的辐射供暖,基本上是在地板加热管下敷设一层30～40mm厚度的聚苯乙烯板,这样可以减小标准层地板下表面向下楼层的传热,有利于分户控制和分户计量。即使在管下垫了保温板,还是有一些热量损失。整个建筑都设计为地面辐射供暖时,由于向下传热与来自上层地板的散热基本相当,标准层的热损失可以不考虑,但是底层用户向土壤的散热损失要大于散热器供暖的地面热损失。
4、楼板热桥加大局部传热量:在结构层中由于加热管表面温度一般在50～60℃,会造成楼板层及构造层与外部的连接处出现局部的较高温度,形成为热桥,加大了热损失。尽管标准及规程有要求,第一根加热管与外墙的距离不得小于300mm,使得热损失略微减少,但仍存在热桥现象(效应),增加了局部的传热损失。
三、坚强和完善低温地板辐射供暖系统设计
综上浅述,通过低温地板辐射供暖与散热器供暖的简单比较,存在不利节能的因素问题,所以低温地板供暖的节能效果与行为节能,分户控制,计量有很大的关系。但是在舒适性方面而言,低温地板供暖有着散热器供暖无法比拟的优势,推广应用前景看好。鉴于地板辐射采暖与传统散热器或空调送风采暖在传热原理上有所不同，前者辐射所占比例大，而后者则以对流方式为主，因此两种方式房间得热有所不同，系统设计也有诸多不同之处。笔者调研了一些低温地板辐射采暖工程，发现存在许多问题，以下几种情况比较普遍：（1）室内偏热；（2）地面温度偏高；（3）地面温度分布不均匀等。出现这样那样的问题的更本原因多是由于设计中没考虑辐射采暖的特点而造成的。地板辐射采暖设计看似简单，实际设计中需综合考虑室内温度、地面温度高低、地面温度分布均匀性等的要求，以及相互之间的关系。室内温度与地面温度以及地板散热量有很强的耦合性，某一者的变化将引起其他量的连锁变化。
（1) 低温地板辐射采暖是以辐射传热为主的采暖方式，因此热负荷计算时应与对流采暖方式加以区别。
（2) 室内温度、地面温度及地表面散热量有很强的耦合关系，注意某个量的变化将引起其他量的相应变化。
（3) 管路布置时应注意保证地面温度分布均匀。
总之，低温地板辐射采暖系统设计应认真计算，不应简单按经验套用，否则一方面将造成室内不舒适，另一方面造成能源的浪费。