地面輻射供熱系統在高大空間建筑的可行性分析

李宏毅

(山西省工業設備安裝集團有限公司，山西太原 030000)

1 概述

低溫熱水地面輻射供熱系統作為北方城市比較普遍的供暖形式，具有舒適、節能及利于裝修等優點，能夠有效利用各種低品位熱能(如地熱水、工業廢熱水等)供熱，有利于能源的綜合利用。近年來，通過低溫熱水地面輻射供暖系統工程實際應用，發現限制系統進一步發展的問題主要表現為大空間建筑低溫過冷及其余建筑超溫過熱現象。JGJ 142—2012地面輻射供暖技術規程規定低溫熱水地面輻射供暖系統的供回水溫度均由計算確定，為了避免水垢對管路的影響，供水溫度不應大于60℃，民用建筑供水溫度宜采用40℃ ～50℃;當外網提供的熱媒溫度高于60℃時，如果采用直連的形式，需通過在分集水器前設置混水泵抽取室內回水混入供水，以降低供水溫度，保持其溫度不高于設定值。

對于與外門相連的高大建筑空間，在功能布局和美觀要求的限制下，低溫熱水地面輻射供暖系統成為最佳的供暖方案，而在外門啟閉冷風沖擊負荷等的影響下，設計熱負荷往往較大，在此情況下，本文提出將低溫地板輻射供暖系統與市政供暖系統直接連接，簡化常規低溫地面輻射供熱系統，同時滿足溫度要求。市政供暖系統的供水溫度一般保持在70℃ ～95℃之間，高于熱水地面輻射供暖系統限值，本文從保持較低供水溫度的特點和提高供水溫度上限兩個方面具體分析論證地面輻射供暖系統在高大空間建筑應用的可行性。

2 低供水溫度地面輻射供熱系統特點

2.1 高效節能

人體實感溫度是由平均輻射溫度與室內空氣溫度雙重作用的結果，對于地面輻射采熱系統，在充分考慮舒適的前提下，計算室內溫度時，一般可比對流采暖方式低2℃ ～3℃，而室內設計溫度每降低1℃可節能10%左右［1］，同時，低供水溫度條件下，加熱水消耗的能量少，且輸送過程中無效熱損失較少。

2.2 提高人體的熱舒適感

地板輻射采暖在輻射強度和溫度的雙重作用下，室內地表面溫度均勻一致，所以由于房間的空氣溫度的空間分布的不均勻性對人體的舒適感的影響變小，室溫自下而上逐漸遞減，形成正向溫度梯度場，符合中醫“溫足而涼頂”的理論［2］，因而人的舒適感增強，同時由于房間的熱量大部分都通過輻射獲得，因此房間的空氣溫度比傳統的散熱器供暖溫度低，從而房間由于換氣而帶來的損失較?。?］。

2.3 保證地面溫度的均勻

地面溫度分布均勻程度主要受埋管深度，管間距和布管方式等影響。一般說來，管間距越小、埋深越大，地板表面溫度越均勻［3］。低溫地面輻射供暖系統的加熱管都埋設在填充層內，JGJ 142—2012規定低溫熱水系統填充層厚度宜取50 mm，最大布管間距是300 mm，是為防止地面溫度不均勻而進行的要求，這些在供水溫度較低時比較容易做到。

2.4 保持較大的熱媒流速

由于加熱盤管的輻射是無坡度的，JGJ142—2012規定熱水管道無坡度輻射時，管內的水流速度不得小于0.25 m/s，其目的是使水流能把空氣裹挾帶走，不讓它浮升積聚形成氣塞，影響系統正常工作。地板輻射采暖的供回水溫差較小，一般不宜大于10℃，傳統的散熱器采暖供回水溫差一般為25℃［4］。如地板輻射采暖系統熱負荷系數取0.9，計算可知，同一采暖系統采用地板輻射供暖的水流量約為傳統散熱器供暖水流量的2.25倍，這樣低溫地板輻射供暖系統可以保持較大的熱媒流速［3］。

2.5 有效防止結垢

低溫地面輻射采暖系統的運行溫度在60℃以下時，這一水溫不足為水的結垢點，因此系統不易產生水垢，且系統水是不需要更換的，如果每年更換新水則容易產生水垢，而結過垢的水，不易繼續結垢。

2.6 熱源選擇靈活

地面輻射供熱的熱水水源溫度不超過60℃，屬低位熱源，可以綜合利用采暖、空調回水、余熱熱水進行供熱，在有地下熱水資源的區域，可以直接利用地熱水或經過處理后的地熱水供熱，達到節能降耗的目的。

3 提高供水溫度上限的可行性分析

3.1 供熱系統壽命

影響塑料加熱管使用壽命的主要因素為系統工作溫度，保持工作壓力不變條件下，隨著管材工作溫度的升高，也將會影響塑料管的使用壽命。管材長期工作溫度和使用壽命之間的關系如表1 所示［5-10］。

表1 管材長期工作溫度和使用壽命

由表1可以看出，除聚丙烯管和鋁塑復合管外，地面輻射供暖系統常用管材在70℃ ～95℃之間使用壽命仍可達到50年，地面輻射供暖系統具備與市政供暖直接相連條件。

3.2 熱舒適感的限值

隨著供水溫度的升高，地面溫度、地面熱流密度及房間溫度都隨之升高，地面一般直接或間接和人體接觸，表面溫度不能太高。限制地表面的平均溫度，主要是出于滿足舒適要求的考慮。根據行業相關技術資料，在綜合考慮人體舒適和安全角度，對輻射供暖的輻射體表面溫度及最大散熱量做了具體規定，結果如表2所示。

表2 不同環境條件下最大散熱量

費玉敏等［11］介紹了新型低溫熱水輻射供暖地面構造，建立了實驗系統并進行了地面供暖熱工性能實驗研究，得出結論:輻射面溫度及熱流密度隨水溫變化近似呈線性關系，其中當面層為瓷磚時擬合關系式為:

當供水溫度最高為90℃時，計算地面溫度最高為29.62℃，此時最大散熱量為115.9W/m2，由表2分析可知，符合人員短期停留區域的環境條件要求。

3.3 地面溫度均勻性

芮文琴等［12］利用CFD模擬技術通過對不同參數下的溫度場模擬，得出隨著管內介質流速的增加，房間各個區域內的溫度增加，室內溫度在距地面0.1 m處迅速達到穩定狀態，達到穩定狀態后，房間內縱向溫差不超過3℃。流速變化對室內溫度縱向變化和地面溫度場的均勻性的影響不是很大。

提高供水溫度勢必增加布管間距，通常采用的豆石混凝土填充層的導熱系數低，若采用更大間距的話，為保證地面溫度均勻需要對填充層材料進行優化，如采用新型的導熱系數更大的填充材料可解決溫度不均的問題。

3.4 結垢和排氣

提高供水溫度，要求加熱盤管中的水流速下降，此時產生的氣體也將增多，不利于系統內空氣的排除;供水溫度上升，由于與市政供暖系統直連，結垢也將容易發生，需要做好系統的放氣和排污設計。

4 結語

低溫地面輻射供暖系統在安全可靠的運行和相對節能的前提下保證了系統的供暖效果。在一些設計熱負荷較大且人員短期停留的特定高大空間建筑場合，將低溫地面輻射供暖系統與集中供暖系統連接的方案就可以滿足供暖要求。通過對比分析常規低溫輻射供暖系統，將低溫地板輻射供暖系統與集中供暖系統直連的方案具有一定的實用性與便利性。