地板供暖技術(shù)研究論文

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摘要就目前地板供暖迅速普及發(fā)展中所遇到的幾個(gè)重要技術(shù)關(guān)鍵問題進(jìn)行初步探討，提出一些解決問題的方法及建議。這些問題包括：地板表面的發(fā)熱量計(jì)算問題，房間熱負(fù)荷問題，填充層的最佳厚度問題，與散熱器不系統(tǒng)共用熱源問題，與地板供暖配套的地面裝修層定型方案以及承壓保溫地面層結(jié)構(gòu)問題。文中還對(duì)地板采暖的節(jié)能問題進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞地板供暖

一、前言

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡且环N優(yōu)良的房間加熱方式，在世界各地?fù)碛斜姸嘤脩簟Ｖ?994年為止，韓國約有85%的住宅建筑裝設(shè)了低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)，這一數(shù)字在加拿大為65%，瑞士為48%，德國為41%，法國為20%，日本把低溫?zé)崴匕遢椛涔┡?dāng)成提高人們居住質(zhì)量的舉措，未設(shè)置低溫?zé)崴匕遢椛涔┡淖≌^難出售地板供暖。在我國北方也已呈迅猛發(fā)展之勢(shì)。

關(guān)于地板供暖的優(yōu)越性，文獻(xiàn)中已有大量論述。在研究方面，國內(nèi)外都已做了大量的工作。關(guān)于設(shè)計(jì)也已有了一些地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)正在修訂之中。然而，筆者在親身從事的大量工程實(shí)踐中，感到目前國內(nèi)關(guān)于這種采暖方式的研究仍然不夠深入，不夠系統(tǒng)，還有一些主要的技術(shù)環(huán)節(jié)理論上不清晰，實(shí)踐中缺少可靠依據(jù)。反映到目前的一些標(biāo)準(zhǔn)中使人感到還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有散熱器采暖那樣成熟。目前在已有的諸多地方標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中許多內(nèi)容是互相照搬，追根溯源，并沒有足夠的研究基礎(chǔ)作為依據(jù)。特以此文將這些問題提出來，并提出初步看法，與同行商榷。

二、地板表面的發(fā)熱量問題

地板表面的發(fā)熱量是設(shè)計(jì)中最主要的參數(shù)之一。對(duì)這一問題，國內(nèi)外都已開展過大量的研究。

然而這些研究仍然顯得不足。有些研究在進(jìn)行傳熱過程的數(shù)值模擬時(shí)，反地板表面邊界條件中的對(duì)流換熱系數(shù)及當(dāng)量輻射換熱系數(shù)取為了定值，而實(shí)際上它們是地板表面溫度和室溫的函數(shù)。另外許多研究只是針對(duì)某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或?qū)嶒?yàn)，而實(shí)際上種種沒的地板結(jié)構(gòu)有著不同的傳熱性能。

目前諸多地方與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的地板發(fā)熱量計(jì)算表格大都源自文獻(xiàn)[1]，據(jù)筆者了解，這些表格源自于國外，國內(nèi)沿沒有人對(duì)這些表格的正確性與實(shí)用性進(jìn)行校核與考查。據(jù)筆者的有限元分析與計(jì)算，認(rèn)為這些表格存在如下問題：1）實(shí)際工程中填充層厚度有爭(zhēng)議，其值人在一個(gè)范圍內(nèi)有所變化，而且有不同管徑的交聯(lián)聚乙烯管可以選取，但發(fā)熱量卻都用一個(gè)表查取，顯然是不確切的；2）表中數(shù)據(jù)表明，發(fā)熱量隨管間距增大而減少，其趨勢(shì)是正確的，但減少的幅度不夠，這可能由于填充層選的過厚，數(shù)據(jù)過于保守造成的；3）標(biāo)準(zhǔn)中只有關(guān)于地面散熱量的表格數(shù)據(jù)，沒有計(jì)算公式，當(dāng)?shù)匕褰Y(jié)構(gòu)尺寸與表中規(guī)定數(shù)據(jù)不符時(shí)，設(shè)計(jì)者將無所適從。

地板表面的發(fā)熱量q與管徑d、覆蓋層（含水量填充、找平與裝修層）材質(zhì)與厚度、水溫ts、室溫tf及管間距s等諸多因素有關(guān)，即

(1)

式中：δi--地面結(jié)構(gòu)中各層的厚度，λi--地面結(jié)構(gòu)中各層的導(dǎo)熱系數(shù)。

筆者已從上式出發(fā)，對(duì)地板發(fā)熱過程中的導(dǎo)熱、對(duì)流與輻射問題已經(jīng)進(jìn)行了大量的有限元分析與計(jì)算，對(duì)上式中諸多變量的種種可能組合，計(jì)算并得到了大量新的關(guān)于地板板體地面散熱量的計(jì)算表格以及總結(jié)出當(dāng)量導(dǎo)熱熱阻方面的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)公式，這些成果容另文介紹。

三、地板加熱負(fù)荷的確定問題

一般而言，地板供暖的設(shè)計(jì)加熱負(fù)荷應(yīng)該根據(jù)房間熱負(fù)荷得出，后者是根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱損失計(jì)算得出的。然而在設(shè)計(jì)實(shí)踐中仍然遇到一些值得研究解決的問題。

1家具的覆蓋率問題

被貼地家具（如實(shí)底床、實(shí)底柜等）覆蓋的地板表面，其上部熱阻近乎無窮大，該面積基本上可視為不散熱，設(shè)覆蓋率為A，則

（2）

式中：q′--房間熱負(fù)荷，

q--地板的設(shè)計(jì)加熱負(fù)荷。

問題是在進(jìn)行住宅地板供暖設(shè)計(jì)時(shí)無法預(yù)知各家各戶覆蓋率為多少，覆蓋的位置在哪里，當(dāng)不可預(yù)知的家具覆蓋率有較大差別時(shí)，勢(shì)必引起室溫不一致。

地板供暖的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，可方便的進(jìn)行單戶、甚至單室調(diào)節(jié)，同時(shí)還可以進(jìn)行中央調(diào)節(jié)。若實(shí)現(xiàn)了單戶計(jì)量按用熱量收費(fèi)，那么我們可以給地板設(shè)計(jì)一個(gè)大的加熱能力，實(shí)際運(yùn)行時(shí)用戶可自行調(diào)節(jié)，但若仍是按面積收費(fèi)，則問題就會(huì)很大。假如對(duì)水溫進(jìn)行嚴(yán)的中央控制，則在照顧大覆蓋率的房間用戶，保證其可達(dá)到18℃時(shí)，會(huì)給覆蓋率小的用戶以超標(biāo)準(zhǔn)用熱的方便條件：若按小覆蓋率的情況控制供水溫度，大覆蓋率房間就達(dá)不到規(guī)定的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。這個(gè)問題，筆者認(rèn)為應(yīng)該取下述措施解決。1）應(yīng)大力推廣單戶按用熱量收費(fèi)，采用地板供暖時(shí)，水系統(tǒng)的平衡條件比散熱器系統(tǒng)好得多；。2）不能單戶計(jì)量時(shí)，應(yīng)在發(fā)給用戶的地板供暖的使用說明中，對(duì)地板面積的覆蓋率加以限定。

2可能的房間過熱或超標(biāo)準(zhǔn)用熱問題

與散熱器采暖不同，較大的地板加熱面積對(duì)房間個(gè)有巨大的加熱能力。根據(jù)對(duì)流與輻射的計(jì)算，當(dāng)采暖單位面積熱指標(biāo)為60w/m2，若地面為大理石，管間距s=300mm，管徑d=16mm，填充層厚δ3=50mm時(shí)供回水平均為40℃，室內(nèi)溫度18℃,單位面積熱指標(biāo)就可達(dá)到84w/m2，超過采暖單位面積熱指標(biāo)。而且實(shí)際上絕大多數(shù)采暖熱源，供應(yīng)更高水溫的水都毫無困難。而且目前在地板供暖的推廣時(shí)期，各廠家很少有將管間距安排為300mm的，多為200mm。這樣，地板的發(fā)熱能力就遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于房間熱負(fù)荷。水溫高于設(shè)計(jì)值，房間過熱或超標(biāo)準(zhǔn)用熱的情況屢屢發(fā)生。為解決這一問題筆者建議：1）盡量實(shí)行單戶計(jì)量；2）在運(yùn)行中加強(qiáng)對(duì)水溫的中央控制環(huán)節(jié)，避免超標(biāo)準(zhǔn)用熱。

四填充層及找平層的厚度問題

由于我國的國家標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺(tái)，各地方標(biāo)準(zhǔn)因參考的國外標(biāo)準(zhǔn)不同而對(duì)地板板體的結(jié)構(gòu)要求不統(tǒng)一。文獻(xiàn)[1]規(guī)定加熱管以上的填充層厚度不應(yīng)小于30mm，其附表中選取的模型結(jié)構(gòu)為填充層厚度為60mm，而文獻(xiàn)[2]中指出填充層厚度應(yīng)為30～40mm。從填充層的功能來看，其主要目的是保護(hù)加熱盤管、使地板表面溫度均勻、增加熱穩(wěn)定性等，它的厚度不僅與地板的散熱量有關(guān)，而且還直接影響到建筑層高、設(shè)計(jì)荷載和初投資。其取值應(yīng)取決于所選管材、管徑及對(duì)該問題的經(jīng)濟(jì)分析、技術(shù)分析及優(yōu)化。

五與散熱器采暖水系統(tǒng)共用熱源問題

目前在地板供暖技術(shù)的推廣應(yīng)用中，這是最常遇到的問題，因?yàn)榈匕骞┡鳛槲覈环N新興的采暖方式，它常常處于周圍全是散熱器采暖的包圍之中。通常散熱器供水溫度在最冷天需80℃以上，且水系統(tǒng)阻力損失很小，而地板供暖需供水溫低于60℃，有些情況下30～40℃就夠，而其末端阻力可高達(dá)3米水柱左右。因此，兩種采暖方式簡(jiǎn)單地共用一個(gè)水系統(tǒng)是有問題的。

而實(shí)際上卻常常提出共用水系統(tǒng)的要求。一方面，房屋開發(fā)商希望在散熱器采暖的樓群中劃出一或幾棟樓安裝地板供暖，更有甚者，有的開發(fā)商要求在一棟散熱器采暖的樓中，某幾層、甚至幾個(gè)房間安裝地板供暖。這種情況有時(shí)是由于建筑物補(bǔ)建、擴(kuò)建造成的，也有時(shí)是開發(fā)商對(duì)較新的事物有個(gè)認(rèn)識(shí)過程，非要親自看到效果才肯大面積推廣。另一方面，很少能夠?yàn)榈匕骞┡瘑为?dú)安排低溫?zé)嵩矗荒苡蒙崞鞑膳母邷兀ㄏ鄬?duì)而言）水熱源，例如城市熱網(wǎng)，區(qū)域鍋爐房等。面對(duì)這種情況，作為工程技術(shù)人員，簡(jiǎn)單說"不"是不利于新技術(shù)推廣的。

應(yīng)該研究出一系列可靠的辦法解決各種各樣情況下的共用熱源問題。可供考慮的采用單一熱源多參數(shù)供熱的辦法有：1）使用換熱器，這是最成熟穩(wěn)定的辦法，但投資較高；2）使用引射泵混水，這是前蘇聯(lián)文獻(xiàn)中介紹的方法，需要有較大的資用壓頭，但地板供暖與散熱器采暖系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)，這一條件常常難以滿足；3）使用附加泵混水，獲得所需的要的水溫與水量；4）串聯(lián)法，即散熱器系統(tǒng)回水作地板供暖供水的方法。這是一個(gè)很有吸引力的想法，一般散熱器水系統(tǒng)循環(huán)泵的壓頭都遠(yuǎn)大于循環(huán)阻力，在回水干管上加設(shè)一個(gè)旁通管，即可將回水經(jīng)旁路引至地板盤管供地板供暖使用，水的溫度及溫降區(qū)間采暖高峰期和非高峰期隨著散熱體來看，節(jié)省了泵的功率消耗。此種方法需要在兩種系統(tǒng)連接處增設(shè)水處理系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)的水質(zhì)無污染；5）并聯(lián)法，當(dāng)?shù)孛嫜b修材料允許水溫高于60%時(shí)，此時(shí)可考慮與散熱器采暖水系統(tǒng)簡(jiǎn)單并聯(lián)。地板盤管當(dāng)然應(yīng)將管徑選大一些，單程管長選短一些，使一人環(huán)路的水流阻力與散熱器采暖的水流阻力基本相同，達(dá)到水力平衡，雖然如此，由于末端阻力仍大于散熱器，地板供暖系統(tǒng)仍將是高水溫、低水量、大溫降運(yùn)行，與正常設(shè)計(jì)參數(shù)相比，供水溫度高許多，水量小許多，但基本能達(dá)到采暖功能。當(dāng)然，這樣做塑料管材的壽命會(huì)受到一定的影響。而且對(duì)系統(tǒng)的水質(zhì)要求同樣較高。

上述方法中，除第2種以外，筆者均已在設(shè)計(jì)實(shí)踐中嘗試使用，并已付諸工程實(shí)施。理論上應(yīng)該是可行的，實(shí)際效果方面，有的將在今年的采暖實(shí)踐中得到驗(yàn)證。但筆者認(rèn)為，地板供暖屬新技術(shù)，上述方法無論從理論上還是從實(shí)踐角度看都還不夠規(guī)范、成熟。有必要組織開發(fā)系統(tǒng)、詳細(xì)的研究。

六承壓保溫地面結(jié)構(gòu)層的研制問題

地板供暖方式特別適用于博覽會(huì)展廳、廠房等大寬度房間。這類房間一般位于底層，地板盤管下部是必須保溫的。但在這種發(fā)問下的包括保溫材料在內(nèi)的地板板體必須有大的承壓能力，能承受汽車、設(shè)備等的壓力。這類保溫材料國外已有成熟產(chǎn)品，國內(nèi)則還沒有研制或引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。這就需要進(jìn)行高強(qiáng)度無機(jī)非金屬膠凝材料的實(shí)驗(yàn)開發(fā)研究，使其技術(shù)性能達(dá)到干燥收縮度小，無開裂，具有良好的密實(shí)性與導(dǎo)熱性能的要求。

七與地板供暖配套的地面裝修層定型方案與產(chǎn)品的研制

地面裝修是受到居民極大關(guān)注的重要問題。能否找到可靠的，居民滿意后來居上地板供暖配合的地面裝修方案與產(chǎn)品是地板供暖技術(shù)能否大面積推廣的關(guān)鍵。不言而喻，地板供暖對(duì)地面裝修是有一定的要求的，即能夠承受特定的溫度與濕度狀況下而長時(shí)間不變形。目前國外已有專門用于地板供暖的木質(zhì)地板產(chǎn)品，國內(nèi)則還沒有，應(yīng)研究開發(fā)與地板供暖配套的地面裝修的若干種定型方案，使居民能夠放心、方便地選擇。這就需要進(jìn)行在干、濕，急熱、爭(zhēng)冷循環(huán)條件下地面裝修材料（木材與石材等）變形與抗熱老化的實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)與地板供暖相配套的地面裝修定型方案。

八關(guān)于地板供暖的節(jié)能問題

文獻(xiàn)中有說地板供暖可比散熱器采暖節(jié)能30%，筆者認(rèn)為這是不確切的。在確定的室內(nèi)外溫度條件下，采暖耗能主要是由圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能決定的，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳到室外的熱量，無論采用哪種房間加熱方式，這部分能耗都必須被如數(shù)補(bǔ)充。

因此可以說，采用哪種房間加熱方式與采暖耗能關(guān)系不大。但仔細(xì)分析起來，地板供暖與散熱器采暖相比，是可以少量節(jié)能的，原因?yàn)椋?）文獻(xiàn)[3]指出，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速小于0.05m/s時(shí)，平均輻射溫度變化1℃與空氣溫度變化1℃對(duì)人體熱感覺的影響基本相同，由于地板供暖所產(chǎn)生的平均輻射溫度較高[4]，而且室內(nèi)沿高度方向上溫度分均勻，溫度梯度小，人處于加熱區(qū)內(nèi)，而散熱器溫度最高區(qū)在房間上方，溫度梯度大，當(dāng)人的感覺溫度相同時(shí)，地板輻射供暖房間的室內(nèi)空氣平均溫度要低于對(duì)流采暖房間的空氣溫度，降低房間熱負(fù)荷。2）地板輻射供暖采用低溫?zé)崴鴾囟容^低的熱水在傳輸過程中比散熱器傳輸時(shí)散熱損失小。3）可利用低位能源，如余熱，太陽能等，節(jié)約高位能源。4）散熱器置于窗下靠墻，會(huì)有一小部分熱量短路至室外，而地板供暖沒有這一弊端。5）當(dāng)冬季進(jìn)行通風(fēng)時(shí)，由于室內(nèi)外溫差較對(duì)流系統(tǒng)的溫差小而節(jié)約能量。

但需說明的是，地板的加熱能力通常會(huì)比房間熱負(fù)荷大，若不對(duì)房間溫度的嚴(yán)格控制措施，則有些用戶可能會(huì)超標(biāo)準(zhǔn)用熱而造成額外能耗。

究竟地板供暖比散熱器采暖節(jié)能多少，需對(duì)上述各項(xiàng)逐項(xiàng)進(jìn)行仔細(xì)的分析。這將涉及房間熱過程的許多方面問題，諸如空氣溫度分布，墻體導(dǎo)熱，散熱器散熱過程等，這方面的研究還不系統(tǒng)完善。

上述問題都是筆者在地板供暖技術(shù)推廣實(shí)踐中所遇到的實(shí)際問題，而且都還沒有真正解決好。筆者希望以此文引發(fā)廣大同行進(jìn)一步的討論與研究，促進(jìn)地板供暖技術(shù)推廣事業(yè)健康發(fā)展。

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