地板辐射式采暖与散热器r比较

地板辐射供暖与散热器对流供暖是目前供热中最普遍采用的供热方式，它们的供热各有其特点。由于地板采暖是近些年新兴的供热方式，国内对这种供暖方式的许多基础性研究和认识还不够深入[1]，现今地板采暖房间的热力计算及供热设计计算仍是按对流供暖的情况计算；关于地板采暖的节能数量问题许多文献上仅给出一些估算值或范围，并没有定量的计算依据，这些均制约了地板采暖技术的应用和发展。本文着重对两种供热方式房间热过程方面从理论计算上进行分析，探讨两种供热方式热力特性规律的对比。
　　2　地板辐射式采暖与散热器对流式采暖热过程的特点分析
　　2.1　通过围护结构的传热
　　不论哪种供热方式，通过围护结构的传热量计算均有[2]：
　　q=k(tn－tw)(1)
式中，tn为冬季室内计算温度， tw为供暖室外计算温度，k为传热系数，k=1/r ；r为围护结构总传热阻，它由围护结构外壁表面的复合换热热阻、内壁表面的复合换热热阻及围护结构导热阻三部分组成。通过围护结构传热量的大小主要取决于传热系数k和传热温差Δt（Δt =tn－tw）。
　　2.2　两种采暖方式体现出的不同特点
　　通过围护结构总传热阻r中，通常围护结构导热阻rd占主导地位，围护结构外壁表面的复合换热热阻rw次之，内壁表面的复合换热热阻rn最小。这三部分热阻中，导热阻rd因围护结构而定，围护结构外壁表面的复合换热热阻rw依室外环境确定、而内壁表面的复合换热热阻rn取决于供热方式。
　　地板辐射供暖是一种利用建筑物内部地面进行供暖的新型供暖方式，它是以整个加热地面为散热面，在地板加热周围空气的同时，向四周的墙壁、顶棚等围护结构内表面进行辐射换热，使周围的围护结构内表面温度升高。此系统总传热量中，辐射换热的比例通常高于50％以上，远大于普通散热器对流式供暖。而普通散热器供暖是先加热散热器周围的空气（对流方式），被加热的空气再将热量传给四周的围护结构，使地面、墙及顶棚的温度升高，它虽然也有辐射，但效果甚微。
　　由热力计算[3]可知，两种供热方式房间围护结构内表面对流换热系数αn是不同的。αn由辐射换热系数αnr与自然对流换热系数αnc两部分组成,地板采暖随着加热地板表面温度的升高，辐射作用增强，αnr比对流供暖时增大，即αn增加， αnr占αn的比例也随之增大。随着αn的增大，室内表面复合换热热阻rn在总传热阻的位置可能将发生变化，由最小变为第二位。
　　αn的增大直接导致围护结构的传热系数k增加。和对流采暖相比，地板采暖αn增大，即rn减小，总热阻减小，并且随辐射换热比例的加大传热系数k增加也加大。
　　两种供热方式另一不同点体现在传热温差Δt上。研究资料表明，与散热器对流供热相比，地板辐射供暖时，室内温度分布沿高度（及水平）方向比较均匀，温度梯度为特有的负梯度分布，且梯度很小，人处于加热区内，无头热脚凉的感觉，而对流供暖温度最高区在房间上方。计算可知辐射采暖时，房间外墙内表面温度tnb、非加热表面的加权温度AUST、平均辐射温度tp和实感温度ts，均比相同条件下对流式采暖有不同程度的升高[4]。所以，当人的感觉温度相同时，地板采暖房间的室内空气平均温度要低于对流供暖，传热温差Δt有所降低。
　　3　两种供热方式能耗的对比分析
　　由于室内采暖方式的供热量与围护结构、室内设计温度和散热器温度等诸多因素有关，这些因素有的影响辐射换热，有的影响对流换热，并且错综复杂地交织在一起，使得计算十分复杂。为此，本文取一简化房间模型，利用计算机迭代进行计算。房间模型为一尺寸为5m×4m×3m，设只有一个外墙，其余内壁及顶面均为绝热表面，只考虑通过围护结构的基本热负荷，且诸修正系数均取1。室外条件按北京地区计算。外墙种类为国内常见的几种围护结构：一砖厚（240mm），记为24＃墙，一砖半厚（370mm），记为37＃墙，两砖厚（490mm），记为49＃墙，均为内面抹灰砖墙，在对流方式供热下，其传热系数K分别为2.08 W/m2?℃、1.56 W/m2?℃和1.27 W/m2?℃，外墙表面换热系数αw取23.3 W/m2?℃。对于辐射供热，房间辐射地板的表面温度范围取22－28℃[5]。
　　为了对比两种采暖房间的能耗状况，首先确定一前提，即舒适度相同的条件。衡量采暖房间的供暖效果通常用室内实感温度ts??表征人或物体受辐射及对流热交换综合作用的实际温度。它定义为〖6〗：
　　ts=0.48tp＋0.52tn－2.2(2)
式中，tp为室内辐射平均温度，它是加热地板表面温度和室内其余非加热壁面温度的加权平均值。现取冬季室内房间较适宜的某一实感温度为基准（以自然对流采暖来计算，当tn=19℃时，由资料可知，平均辐射温度在对流式供暖情况下可低于空气温度3～4℃，计算得ts≈15.1℃）。
　　由传热过程热力计算可得，在不同加热地板表面温度时，达到与对流供暖相同的实感温度下，不同围护结构房间地板辐射采暖时的换热系数、传热系数和所须的室内空气温度，并与同条件下的对流供暖进行比较。用带＊的量表示辐射式供热与对流式供热在相同条件下同一量之比，计算得出：
　　地板供暖由于辐射作用大于对流式供暖，室内综合换热系数αn大于对流式供热时的情况，所以αn＊均大于1，见图1，围护结构热阻大的房间更为明显些，并且随tpj增大而增大，它表明辐射换热的份额αr/αn随tpj及围护结构热阻增加而变大。这是由于外墙内表面温度tnb随地板表面温度tpj的增加在围护结构热阻较大的房间增加的更快些，使平均辐射温度增加，在相同舒适度条件下，室内空气温度可降低些，tn与 tnb之间的温差变小，导致αn增大。
　　随着室内综合换热系数αn的增大，通过围护结构的传热系数k也相应提高，见图2，不同围护结构k随tpj的增加规律相同，导热阻较小的围护结构k大些。
　　图3给出k＊随tpj的变化关系，k也是随tpj的增加而增大，但导热阻较大的围护结构k＊变化略小于导热阻较小的围护结构，它说明地板供暖时，不同围护结构传热系数的增大不是同步的，导热阻较大的围护结构传热系数增加的略大些。这也表明在不同的围护结构传热过程中，室内对流换热热阻占总热阻比重的影响程度，传热系数随内表面换热热阻rn下降而增加的程度取决于rn在总热阻中份额，不同的供热方式，不同的围护结构、不同的室外状况，rn占总热阻的比例是不同的，见表1。rn占比例越大，rn的变化对传热系数的影响也就越大。
　　两种供热方式传热温差之比Δt＊受围护结构的影响相对较小，图4给出Δt＊随tpj的变化情况，地板采暖随tpj的增加，平均辐射温度增加，在相同舒适度条件下，室内空气温度比对流采暖可降低些，所以Δt＊均小于1，并且，随tpj的增加而下降。
　　图5给出地板采暖时q随tpj的变化关系。诸围护结构随tpj的增加能耗加大，导热阻较小的围护结构，能耗较大。所以，地板采暖节能仍要注重围护结构的保温，并且，在满足供热效果的前提下，应尽量降低地板表面的平均温度，避免不必要的能耗。
　　两种供热方式的能耗的对比取决于两者传热系数和传热温差的对比。图6给出q＊随tpj的变化规律。在相同的ts下，q＊随tpj的增加而增加，但当tpj较大时，q＊增大缓慢，趋于一小于1的不变值。
　　4　结论
辐射式供暖与对流式供暖在热力特性上有许多区别，由于辐射作用的增强，室内综合换热系数增大，传热系数也随之增大，外墙内表面温度，室内平均辐射强度均高于同条件下对流式采暖。
　　值得说明的是，判断两种供热能耗应以达到同样舒适感（ts）为前提条件。由于地板供热有辐射强度和温度的双重作用，四周壁面表面温度的提高，减少了对人体的冷辐射，造成真正符合人体散热要求的热状态。与对流采暖相比，在较低的室温下可达到同样的舒适感，减小了传热温差。加之地板供热采用低温热水，传输过程中比散热器供热方式减少散热损失。因此，从综合效应上，地板采暖的节能是无疑的。
　　两种取暖方式热力特性差异的程度，主要取决于两种取暖方式中辐射换热占总热交换量的比例，与对流式采暖相比，地板采暖中辐射换热的比例越大，两者的差异就越明显。而地板表面温度、围护结构热阻的大小和室内要求的设计温度均不同程度地影响着辐射换热的比例。