低温地板辐射采暖系统的特点及传热分析

2022-11-27

低温热水地板辐射采暖系统作为既节能又舒适的新型采暖方式, 符合当前建筑节能的能源消耗要求, 是建筑技术发展的一个基本趋势[1,2]。低温热水地板辐射采暖系统, 是一种利用建筑物内部地面暗敷设循环盘管管材, 以低温热水为热媒, 由供暖热水载热加热采暖房间地板, 以采暖房间的地板作为散热面, 进而实现由地面向房间散热的供暖系统。本文主要分析了低温地板辐射采暖系统的特点及传热。

1 低温地板辐射采暖系统的原理及特点

1.1 低温地板辐射采暖的原理

低温地板辐射采暖系统将低温热水送入埋设于地下的加热构件, 及加热盘管或者其它的散热体内, 将地面加热.被加热后的地面放射出8μm~13μm的远红外线, 对人体皮肤2mm深处的“热点”传感器产生刺激, 使人感到温暖。与普通的散热器采暖的区别在于:散热器采暖通过加热散热器周围的空气, 被加热的空气再将能量传给围护结构, 使地板、墙体、顶棚的温度升高, 整个传热过程主要以对流传热方式进行, 尽管也存在辐射换热, 但是所占比例很小。而低温地板辐射采暖系统是以整个地面为散热面, 在以对流换热方式加热地板表面空气的同时, 主要以辐射换热的形式对墙壁、顶棚及人员进行加热, 从而使周围的围护结构内表面温度升高[3]。

1.2 低温地板辐射采暖的特点

根据低温地板辐射采暖的传热原理, 总结其主要优点如下。

1.2.1 室内温度分布均匀、舒适

传统的采暖方式注重的只是室内空气的温度, 但是仅仅保证空气温度并不能满足人们的舒适要求。以对流为主的采暖方式依靠空气的流动来传递热量, 温度梯度较大, 容易使人产生口干舌燥的感觉。相同的有效温度下, 辐射加热系统的空气温度比对流热的平均等温黑体围护结构的温度低, 而且较低的空气温度在不影响热舒适感的前提下有利于提高舒适程度。低温热水地板辐射采暖的空间温度分布均匀, 地面有效温度高于呼吸线空气温度, 形成独特的微气候条件, 空气温度在垂直方向上稍微成负的梯度, 为人们提供一个“足热头寒”的舒适环境, 符合人体生理学调节的特点。低温地板辐射采暖创造的室内环境还有利于避免或者减少由于寒冷产生的各种疾病。

1.2.2 降低室内设计温度、节约能源且卫生

据统计, 采暖能耗约占全国总能耗的9%, 是建筑能耗的30%左右。低温地板辐射采暖系统, 不仅改善室内环境条件, 同时与对流采暖系统相比节能显著。当前世界范围内的能源危机促进了太阳能、地热能、工业余热等的开发利用, 瓶低温地板辐射采暖所需的供水温度比较低 (一般为35℃~55℃) , 恰与这些低焓热能相适应, 因而, 低温地板辐射采暖方式为这些能源的直接利用开辟了广阔的市场。同样舒适条件下, 低温热水地板辐射采暖的室内设计温度比对流散热器采暖的室内设计温度低2℃~3℃。这就说明地板辐射这种采暖形式韵热感强, 节省了采暖能耗。对于加热部分位于地面以下, 且温度分布均匀, 不会像散热器采暖中散热器积灰以及空气对流过程中产生扬尘, 地板辐射采暖较之散热器采暖卫生和洁净。

1.2.3 节省建筑的使用面积

由于地板辐射采暖加热构件埋于地面以下, 与建筑结构相结合。主要房间地面上没有任何管道设备, 不占用房间和地面的有效面积。据估计, 一般的传统散热器采暖, 教热设备和管道约占1%~3%的建筑面积。相对来说地板辐射采暖不占用建筑面积, 不破坏室内环境的美观, 同时也避免了因包装散热设备带来的能源和资金的浪费。在目前住宅房地产房价居高不下的情况下。地板辐射采暖比传统散热期采暖具有更多的经济优势。

1.2.4 便于控制调节和计量

我国采暖收费基本上是采用按采暖面积计费的方法, 导致了能源的浪费和误算现象, 目前正开始实行按照各用户实际用热量来核算的分户热计量方法。据北欧一些国家统计, 采用按热计量收费代替按采暖面积收费可以节约能源20%~30%。但要采用单户热计量的收费方法, 其先决条件是用户对采暖系统必须能进行单独的调节控制和热量的计量.这就要求对旧有的散热器采暖系统形式进行改造, 而地板辐射采暖则是一种便于进行单户热计量的采暖方式。由于其独特的管道铺设形式, 用户各房间采暖系统环路均并联于分配器上, 只要在分配器处分别为各环路设置调节和控制装置, 就可以实现方便地对不同房间的供热量进行调节和控制, 满足用户所要求的不同工况。同时, 在分配器前安装热计量装置即可方便的进行单户的热计量。

1.2.5 热源选择范围广

由于低温地板辐射采暖采用低温热源, 故可以有效地利用多种低温热源。对单栋楼房也已设置单独的低温锅炉供热;有地热水资源的地方, 可以直接利用经过处理的地热水供热。尽管低温地板辐射采暖方式具有很多优点, 但也有其不足的一面: (1) 地面遮盖影响大, 可维修性较差。地面遮盖的影响可从两方面来考虑.一方面由于各用户对地面装修的不同会影响地板的散热, 比如采用地毯作为地面装修材料时, 由于地毯的热阻大使得地板单位面积的散热量减小;另一方面由于家具的摆放会影响地板的散热。由于采暖管道敷设于地面下, 如果发生人为事故造成盘管渗漏或堵塞, 维修工作将相当麻烦。相对于传统的散热器采暖, 地板辐射采暖系统供回水温差相对于教热器采暖系统小, 因此循环热流量大, 循环泵功率大.地扳辐射采暖的供水温度不宜高于60℃, 在一定程度上也限制了它的使用范围。 (2) 土建层高增加, 初投资较高。由于地板采暖管道的敷设需考虑保温层, 因此会占用40mm~60mm的层高, 当要求室内建筑净高相同时, 须提高建筑的层高, 从而导致土建费用有所增加。由于地板采暖的管材 (交联管、铝塑管等) 国产过程中存在生产设备投资大, 市场占有率较小, 其主要连接部件均为铜管件等原因, 致使短期内地板采暖的管材及主要部件初投资较大。目前, 地板辐射采暖系统每平米的初投资约在60元左右, 而普通散热器采暖系统每平米的投资为35~38元。

2 地板表面的传热过程分析

2.1 地板表面的对流换热分析

地板表面的自然对流换热受地板表面的温度、房间的构造、冷风渗透量、人的活动等很多因素的影响。由于地板表面各点的温度不同, 它的换热系数也不相同。但对流换热系数主要取决于加热表面的整体换热条件。而对地板采暖来说, 地表面的平均温度是决定因素。虽然地板采暖表面上各点的温度有所不同, 但其值对各点换热系数的影响相对较小。因此, 近似认为地板采暖表面各处的对流换熟系数基本相等。地板辐射采暖表面的对流换热系数具有下列准则计算方程式:

式中, Nu, G r, P r等分别为无因次准则数群努谢而特数、格拉晓夫数和普朗特数。

考虑室内各种影响地板表面对流换热的因素, 地板表面的换热系数可采用下式计算:

式中:h是地板表面的对流换热系数, W/m2℃;ts是地板表面的平均温度, ℃。

2.2 地板表面的辐射换热分析

地板表面与房间的围护结构组成了一个封闭的空间, 地板表面与室内其他各个表面的辐射换热量可由下式计算:

式中, qr是地板表面辐射传热量, W/m2, Cb是黑体的辐射常数, 5.72×10-8W/m2k4, Rd是地板表面与环境之间的辐射换热热阻, m2℃/W, Tp是地板表面的平均温度, k, Tr是室内非加热表面的表面平均温度, k。

由于室内各个非加热表面的温度各不相同且无法预知, 因此上式的计算中不得不忽略非加热表面温度的不一致性, 所以必须采用面积加权平均温度来进行计算。

2.3 地板表面至室内的综合传热分析

计算地板表面至室内的综合传热, 可以通过把对流传热量与辐射换热量相加而得。

则地板表面至室内的综合传热量为:

由此得出地板表面的综合换热系数为:

3 结语

分析了低温热水地热辐射采暖的原理, 这种采暖方式是以整个地面为散热面, 在以对流换热方式加热地板表面空气的同时。主要以辐射换热的形式对墙壁、顶棚及人员进行加热, 从而使周围的围护结构内表面温度升高。根据地板辐射采暖的传热原理, 综合多数文献的叙述, 总结其主要特点, 即室内温度分布均匀、舒适, 符合人体生理学调节的特点;节能、卫生、节省建筑的使用面积;便于控制供热量;热源选择范围广等。地板表面传热则以地板上表面为供热面, 遥过对流和辐射两种形式与室内的其它表面和空气进行热交换。热交换的综合传热量, 通过上述对流和辐射两部分传热量相加计算。

摘要：随着低温地板辐射采暖系统在工程中的应用, 国内外的科学家和工程师们也在不断地对其采暖机理、节能效果和热舒适性等诸多方面进行了研究。本文主要分析了低温地板辐射采暖系统的原理及特点, 并讨论了地板表面的传热过程分析, 以期对于提高低温地板辐射采暖技术具有一定作用。

关键词：低温地板辐射采暖,技术特点,传热分析