地面辐射供暖的设计和思考

一．地面辐射供暖的特点
地面辐射供暖通过埋设在地板内的加热管道、电缆等来加热地板，以对室内进行供暖。它的突出特点是舒适、节能，因此，近年来地面辐射供暖越来越多地应用于我国的公共建筑和住宅建筑中。
1．热舒适性好
1）平均辐射温度高。辐射采暖不同于对流采暖的一点就是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以及室内各物体表面，提高其表面温度，从而提高室内的平均辐射温度。平均辐射温度的提高会使人感觉更舒适。
2）室内垂直温度分布好。采用地板辐射采暖的房间内，室内垂直温度的分布比较均匀，从各种地面辐射供暖资料提供的室内垂直温度的分布曲线可见，在人的活动范围内，0.3m以下温度较高，此外下部温度变化很小、比较均匀，上部温度比下部低，形成下热上冷的温度梯度，也就是通常所说的，比散热器供暖舒适的原因之一。但是，我们对高层住宅的实测发现，每层均采用地面辐射供暖的建筑的中间层（楼板上均有30mm的聚苯板保温层），室内空气温度分布并非如以往文献中所述的下热上冷。测试结果表明，除地板表面温度高于空气温度外，顶板下温度也高于空气温度，因此高度在0.3m-2.0m范围内的室内空气温度是随高度升高的，出现了温度梯度反向的现象，不过温差不大。顶层房间测试结果则仍符合下热上冷的分布规律。我们认为，出现这种情况是因为以往资料中提供的多是单层采用地面辐射供暖的情况，属于单向辐射，上述情况属于双向辐射。
3）热稳定性好。由于地面混凝土层蓄热量大，热稳定性好，因此，在间歇供暖的情况下，室内温度的波动也不会太大，提高了热舒适性。
2．节能
1）可适当降低室内采暖设计温度。人员的热舒适感主要取决于人体实感温度。实感温度是室内平均辐射温度和室内空气温度综合作用的结果，辐射采暖提高了室内各表面温度，使得室内平均辐射温度升高。因此，在获得相同的热舒适度的前提下，采用辐射采暖的房间设计(空气)温度可比传统的对流采暖适当降低，节约了采暖能耗。在我们对住宅的实测中，对某测试房间（只有南向外墙和外窗）的各内表面温度和空气温度进行了长时间的实测，计算得出的实感温度比空气温度平均高了0.5℃左右，但没有达到一些资料中所说的1.5-2.0℃。在0.5℃温差的情况下节能效果是很有限的，在其他单位的测试中也出现了节能效果不大的现象，这有待于今后进一步的研究，进行更多的实测。
2）便于实行热计量。地板辐射采暖单户自成系统，只需在分配器处加装热计量装置，即可实现分户热计量，适应了供热方式的变革，可按需供热，实现行为节能。
3）可节约高质能。低温热水地面辐射采暖所需水温低，可利用地热、废汽、废热、太阳能等可再生能源和低品位能源，节约了高质能。
4）室内美观。与传统的散热器采暖相比，没有地面上的散热器，也没有连接散热器的管道，不占用室内空间和面积，便于装修和家具的布置，使室内更加美观。
二．地面辐射供暖散热量和各种因素的关系
北京市《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》中所使用的计算表格是引用德国资料提供的数据，使用条件和场合受到很大的限制，同时，有些参数例如向下的热损失等均没有提供。因此，需要一套理论上可靠同时又符合工程实际要求的计算方法和手段来解决上述问题。
《地面辐射供暖技术规程》JGJ142 —2004的计算方法和数据，是依据美国2000版 ASHRAE Handbook—Systems and Equipment中提出的一套地面辐射供暖的计算方法，编制了计算程序而提供的。该程序对不同的地板结构、不同的保温层厚度、不同的加热管材、管径、管间距以及不同的供回水温度等均可以进行散热量的计算。不同的管材主要是导热系数的区别，资料中提供了下述管材的导热系数：碳钢、铜、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、交联聚乙烯、无规共聚聚乙烯和聚丁烯等。
根据程序计算的结果得出如下结论，并可看出各种因素产生的影响。
1．地面有效散热量。保温层厚度1—5cm时的地板有效散热量的计算值与北京市《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》附录E-1中提供的相应数据（德国资料）曲线变化规律一致，但计算值均略高于上述《规程》中提供的数据，其差值随管间距及平均水温的增加而增大。根据很多工程实际情况分析，德国的数据偏小，是偏于安全的。因此认为本程序的计算值比较合理。
2．辐射地面散热量构成
地面辐射供暖散热量包括辐射放热与对流换热两部分。当地表面与周围的热交换50%以上以辐射形式进行时，就称为辐射供暖。
经计算，当地面层热阻为0.02(m2.K)/W、保温层厚度为30mm情况下，地板有效散热量中辐射换热的比例基本在50%以上，平均约为54%，与传统的散热器采暖系统相比，以辐射方式散出的热量较大。且室温愈高，平均水温愈高，管间距越大，辐射换热所占的比例愈大，最大的超过60％。而地板向下的热损失中，辐射换热所占的比例则超过了90%，这主要是因为板下表面的温度高，不利于顶棚表面向下的对流换热。
3．地板散热量中热损失的比例
各不同保温层厚度及地面层热阻时的热损失变化见表 1、表2。表1 （地面层热阻0.02(m2.K)/W）


保温层厚度 10mm 20mm 30mm 40mm 50mm
热损失与有效
散热量比值（%） 27-44 18-30 14-23 11-18 10-16
热损失与总供
热量比值（%） 21-31 15-23 12-19 10-15 9-14

表2（保温层厚度30mm）
地面层热阻(m2.K)/W 0.02 0.075 0.10 0.15
热损失与有效
散热量比值（%） 14-23 21-28 24-31 31-36
热损失与总供
热量比值（%） 12-19 17-22 19-24 24-26


有些文献的计算中对地板向下热损失的修正以地板总供热量的10%计，但通过对计算数据的分析，在地面层热阻0.02(m2.K)/W、保温层厚度不大于50mm情况下，地板向下的热损失基本超过了总供热量的10%。而随地面层热阻从0.02(m2.K)/W增加到0.15(m2.K)/W，地板向上的热阻增大，更使得向下的热损失增大了近一倍。
4．保温层对地面辐射采暖的影响
图1为地面层热阻0.02(m2.K)/W、管间距200mm时，平均水温35℃条件下地板有效散热量随保温层厚度的变化曲线。
图2为地面层热阻0.02(m2.K)/W、管间距200mm时，平均水温35℃条件下地板热损失随保温层厚度的变化曲线。
图3为地面层热阻0.02(m2.K)/W、管间距200mm时，平均水温35℃条件下地板总供热量随保温层厚度的变化曲线。
对各图中的曲线进行分析，可以发现：保温层的厚度不但影响地板向下热损失的大小，同时也影响地板有效散热量以及总供热量的大小。

地板有效散热量是随保温层厚度增大而增加，地板向下热损失随保温层厚度增大而减小，而地板总供热量则随保温层厚度的增大而减小，且地板有效散热量、热损失以及总供热量都随保温层厚度增加而变化的曲线逐渐趋于平缓。由图可以看出保温层厚度增加到4cm以后，其厚度增大对地板散热的作用已经不是非常明显。综上所述，地面辐射采暖楼板合理设置保温层有以下好处：
1）合适的保温层厚度可有效提高地面的有效散热量；同时，可降低热损失，即减少了通过楼板的户间传热负荷，有利于分户热计量的实行。
2）保温层的设置，可使楼板下皮的温度不太高，使得室内的温度梯度分布较为理想，提高了室内人员的热舒适感。
5．其它因素对散热的影响
1）管径的影响
将管径De20×2与De16×2的PE-X管计算结果进行比较。
De20×2的PE-X管相同的工况下有效散热量及热损失均略高于De16×2的PE-X管，由此可知管径的增大可以使得地板向上、向下的散热量增大，但管径的改变对地板散热量的影响并不大。而采用不同管径对环路阻力影响较大。
2）管材的影响
表3、4分别为PE-X管、PB管及PP-R管在地面层热阻为0.02(m2.K)/W时的地板有效散热量与热损失计算值。表中数据显示：PE-X管的有效散热量比与热损失均高于PB管及PP-R管，PB管与PP-R管则相差不多。造成这种情况的原因是，PE-X管的导热系数为0.38W/(m.K)，而PB管与PP-R管导热系数分别为0.23W/(m.K)、0.24 W/(m.K)，PE-X管高于PB管及PP-R管。不过管材的影响并不大。
3）地面层热阻的影响
图5为PE-X管De20×2、保温层厚度30mm条件下平均水温45℃、室温18℃时各地面层热阻的地板有效散热量及热损失。由图中可以看出：地面层热阻由0.02(m2.K)/W增加到0.075(m2.K)/W，相应的