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地板供暖技术推广中需要解决的若干问题
更新时间:2017-07-25 15:05:14     点击:     作者:

就目前地板供暖迅速普及发展中所遇到的几个重要技术关键问题进行初步探讨,提出一些解决问题的方法及建议。这些问题包括:地板表面的发热量计算问题,房间热负荷问题,填充层的最佳厚度问题,与散热器不系统共用热源问题,与地板供暖配套的地面装修层定型方案以及承压保温地面层结构问题。文中还对地板采暖的节能问题进行了初步分析。

 

一、前言

低温热水地板辐射供暖是一种优良的房间加热方式,在世界各地拥有众多用户。至1994年为止,韩国约有85%的住宅建筑装设了低温热水地板辐射供暖系统,这一数字在加拿大为65%,瑞士为48%,德国为41%,法国为20%,日本把低温热水地板辐射供暖当成提高人们居住质量的举措,未设置低温热水地板辐射供暖的住宅较难出售地板供暖。在我国北方也已呈迅猛发展之势。

关于地板供暖的优越性,文献中已有大量论述。在研究方面,国内外都已做了大量的工作。关于设计也已有了一些地方标准、企业标准,国家标准正在修订之中。然而,笔者在亲身从事的大量工程实践中,感到目前国内关于这种采暖方式的研究仍然不够深入,不够系统,还有一些主要的技术环节理论上不清晰,实践中缺少可靠依据。反映到目前的一些标准中使人感到还远远没有散热器采暖那样成熟。目前在已有的诸多地方标准与企业标准中许多内容是互相照搬,追根溯源,并没有足够的研究基础作为依据。特以此文将这些问题提出来,并提出初步看法,与同行商榷。

二、地板表面的发热量问题

地板表面的发热量是设计中最主要的参数之一。对这一问题,国内外都已开展过大量的研究。

然而这些研究仍然显得不足供热采暖网。有些研究在进行传热过程的数值模拟时,反地板表面边界条件中的对流换热系数及当量辐射换热系数取为了定值,而实际上它们是地板表面温度和室温的函数。另外许多研究只是针对某一结构进行数值计算或实验,而实际上种种没的地板结构有着不同的传热性能。

目前诸多地方与企业标准中的地板发热量计算表格大都源自文献[1],据笔者了解,这些表格源自于国外,国内沿没有人对这些表格的正确性与实用性进行校核与考查。据笔者的有限元分析与计算,认为这些表格存在如下问题:1)实际工程中填充层厚度有争议,其值人在一个范围内有所变化,而且有不同管径的交联聚乙烯管可以选取,但发热量却都用一个表查取,显然是不确切的;2)表中数据表明,发热量随管间距增大而减少,其趋势是正确的,但减少的幅度不够,这可能由于填充层选的过厚,数据过于保守造成的;3)标准中只有关于地面散热量的表格数据,没有计算公式,当地板结构尺寸与表中规定数据不符时,设计者将无所适从。

地板表面的发热量q与管径d、覆盖层(含水量填充、找平与装修层)材质与厚度、水温ts、室温tf及管间距s等诸多因素有关,即

式中:δi--地面结构中各层的厚度,λi--地面结构中各层的导热系数。

笔者已从上式出发,对地板发热过程中的导热、对流与辐射问题已经进行了大量的有限元分析与计算,对上式中诸多变量的种种可能组合,计算并得到了大量新的关于地板板体地面散热量的计算表格以及总结出当量导热热阻方面的简易实验公式,这些成果容另文介绍。

三、地板加热

一般而言,地板供暖的设计加热负荷应该根据房间热负荷得出,后者是根据围护结构散热损失计算得出的。然而在设计实践中仍然遇到一些值得研究解决的问题。

1家具的覆盖率问题

被贴地家具(如实底床、实底柜等)覆盖的地板表面,其上部热阻近乎无穷大,该面积基本上可视为不散热,设覆盖率为A,则

式中:q′--房间热负荷,

q--地板的设计加热负荷。

问题是在进行住宅地板供暖设计时无法预知各家各户覆盖率为多少,覆盖的位置在哪里,当不可预知的家具覆盖率有较大差别时,势必引起室温不一致。

地板供暖的一个优点为,可方便的进行单户、甚至单室调节,同时还可以进行中央调节。若实现了单户计量按用热量收费,那么我们可以给地板设计一个大的加热能力,实际运行时用户可自行调节,但若仍是按面积收费,则问题就会很大。假如对水温进行严的中央控制,则在照顾大覆盖率的房间用户,保证其可达到18℃时,会给覆盖率小的用户以超标准用热的方便条件:若按小覆盖率的情况控制供水温度,大覆盖率房间就达不到规定的室内设计温度。这个问题,笔者认为应该取下述措施解决。1)应大力推广单户按用热量收费,采用地板供暖时,水系统的平衡条件比散热器系统好得多。2)不能单户计量时,应在发给用户的地板供暖的使用说明中,对地板面积的覆盖率加以限定。

2可能的房间过热或超标准用热问题

与散热器采暖不同,较大的地板加热面积对房间个有巨大的加热能力。根据对流与辐射的计算,当采暖单位面积热指标为60w/m2,若地面为大理石,管间距s=300mm,管径d=16mm,填充层厚δ3=50mm时供回水平均为40℃,室内温度18℃,单位面积热指标就可达到84w/m2,超过采暖单位面积热指标。而且实际上绝大多数采暖热源,供应更高水温的水都毫无困难。而且目前在地板供暖的推广时期,各厂家很少有将管间距安排为300mm的,多为200mm。这样,地板的发热能力就远远地大于房间热负荷。水温高于设计值,房间过热或超标准用热的情况屡屡发生。为解决这一问题笔者建议:1)尽量实行单户计量;2)在运行中加强对水温的中央控制环节,避免超标准用热。

四填充层及找平层的厚度问题

由于我国的国家标准还没有出台,各地方标准因参考的国外标准不同而对地板板体的结构要求不统一。文献[1]规定加热管以上的填充层厚度不应小于30mm,其附表中选取的模型结构为填充层厚度为60mm,而文献[2]中指出填充层厚度应为30~40mm。从填充层的功能来看,其主要目的是保护加热盘管、使地板表面温度均匀、增加热稳定性等,它的厚度不仅与地板的散热量有关,而且还直接影响到建筑层高、设计荷载和初投资。其取值应取决于所选管材、管径及对该问题的经济分析、技术分析及优化。

五与散热器采暖水系统共用热源问题
目前在地板供暖技术的推广应用中,这是最常遇到的问题,因为地板供暖作为我国一种新兴的采暖方式,它常常处于周围全是散热器采暖的包围之中。通常散热器供水温度在最冷天需80℃以上,且水系统阻力损失很小,而地板供暖需供水温低于60℃,有些情况下30~40℃就够,而其末端阻力可高达3米水柱左右。因此,两种采暖方式简单地共用一个水系统是有问题的。

而实际上却常常提出共用水系统的要求。一方面,房屋开发商希望在散热器采暖的楼群中划出一或几栋楼安装地板供暖,更有甚者,有的开发商要求在一栋散热器采暖的楼中,某几层、甚至几个房间安装地板供暖。这种情况有时是由于建筑物补建、扩建造成的,也有时是开发商对较新的事物有个认识过程,非要亲自看到效果才肯大面积推广。另一方面,很少能够为地板供暖单独安排低温热源,而只能用散热器采暖的高温(相对而言)水热源,例如城市热网,区域锅炉房等。面对这种情况,作为工程技术人员,简单说"不"是不利于新技术推广的。

应该研究出一系列可靠的办法解决各种各样情况下的共用热源问题。可供考虑的采用单一热源多参数供热的办法有:1)使用换热器,这是最成熟稳定的办法,但投资较高;2)使用引射泵混水,这是前苏联文献中介绍的方法,需要有较大的资用压头,但地板供暖与散热器采暖系统并联时,这一条件常常难以满足;3)使用附加泵混水,获得所需的要的水温与水量;4)串联法,即散热器系统回水作地板供暖供水的方法。这是一个很有吸引力的想法,一般散热器水系统循环泵的压头都远大于循环阻力,在回水干管上加设一个旁通管,即可将回水经旁路引至地板盘管供地板供暖使用,水的温度及温降区间采暖高峰期和非高峰期随着散热体来看,节省了泵的功率消耗。此种方法需要在两种系统连接处增设水处理系统,保证整个系统的水质无污染;5)并联法,当地面装修材料允许水温高于60%时,此时可考虑与散热器采暖水系统简单并联。地板盘管当然应将管径选大一些,单程管长选短一些,使一人环路的水流阻力与散热器采暖的水流阻力基本相同,达到水力平衡,虽然如此,由于末端阻力仍大于散热器,地板供暖系统仍将是高水温、低水量、大温降运行,与正常设计参数相比,供水温度高许多,水量小许多,但基本能达到采暖功能。当然,这样做塑料管材的寿命会受到一定的影响。而且对系统的水质要求同样较高。

上述方法中,除第2种以外,笔者均已在设计实践中尝试使用,并已付诸工程实施。理论上应该是可行的,实际效果方面,有的将在今年的采暖实践中得到验证。但笔者认为,地板供暖属新技术,上述方法无论从理论上还是从实践角度看都还不够规范、成熟。有必要组织开发系统、详细的研究。

六承压保温地面结构层的研制问题

地板供暖方式特别适用于博览会展厅、厂房等大宽度房间。这类房间一般位于底层,地板盘管下部是必须保温的。但在这种发问下的包括保温材料在内的地板板体必须有大的承压能力,能承受汽车、设备等的压力。这类保温材料国外已有成熟产品,供热采暖网国内则还没有研制或引进生产技术。这就需要进行高强度无机非金属胶凝材料的实验开发研究,使其技术性能达到干燥收缩度小,无开裂,具有良好的密实性与导热性能的要求。

七与地板供暖配套的地面装修层定型方案与产品的研制

地面装修是受到居民极大关注的重要问题。

能否找到可靠的,居民满意后来居上地板供暖配合的地面装修方案与产品是地板供暖技术能否大面积推广的关键。不言而喻,地板供暖对地面装修是有一定的要求的,即能够承受特定的温度与湿度状况下而长时间不变形。目前国外已有专门用于地板供暖的木质地板产品,国内则还没有,应研究开发与地板供暖配套的地面装修的若干种定型方案,使居民能够放心、方便地选择。这就需要进行在干、湿,急热、争冷循环条件下地面装修材料(木材与石材等)变形与抗热老化的实验研究,开发与地板供暖相配套的地面装修定型方案。
八关于地板供暖的节能问题

文献中有说地板供暖可比散热器采暖节能30%,笔者认为这是不确切的。在确定的室内外温度条件下,采暖耗能主要是由围护结构的保温性能决定的,通过围护结构传到室外的热量,无论采用哪种房间加热方式,这部分能耗都必须被如数补充。

因此可以说,采用哪种房间加热方式与采暖耗能关系不大。但仔细分析起来,地板供暖与散热器采暖相比,是可以少量节能的,原因为:1)文献[3]指出,当室内风速小于0。05m/s时,平均辐射温度变化1℃与空气温度变化1℃对人体热感觉的影响基本相同,由于地板供暖所产生的平均辐射温度较高[4],而且室内沿高度方向上温度分均匀,温度梯度小,人处于加热区内,而散热器温度最高区在房间上方,温度梯度大,当人的感觉温度相同时,地板辐射供暖房间的室内空气平均温度要低于对流采暖房间的空气温度,降低房间热负荷。2)地板辐射供暖采用低温热水,而温度较低的热水在传输过程中比散热器传输时散热损失小。3)可利用低位能源,如余热,太阳能等,节约高位能源。4)散热器置于窗下靠墙,会有一小部分热量短路至室外,而地板供暖没有这一弊端。5)当冬季进行通风时,由于室内外温差较对流系统的温差小而节约能量。

但需说明的是,地板的加热能力通常会比房间热负荷大,若不对房间温度的严格控制措施,则有些用户可能会超标准用热而造成额外能耗。

究竟地板供暖比散热器采暖节能多少,需对上述各项逐项进行仔细的分析。这将涉及房间热过程的许多方面问题,诸如空气温度分布,墙体导热,散热器散热过程等,这方面的研究还不系统完善。

上述问题都是笔者在地板供暖技术推广实践中所遇到的实际问题,而且都还没有真正解决好。笔者希望以此文引发广大同行进一步的讨论与研究,促进地板供暖技术推广事业健康发展。

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