地面輻射供熱系統(tǒng)在高大空間建筑的可行性分析

李宏毅

(山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團有限公司，山西太原 030000)

1 概述

低溫?zé)崴孛孑椛涔嵯到y(tǒng)作為北方城市比較普遍的供暖形式，具有舒適、節(jié)能及利于裝修等優(yōu)點，能夠有效利用各種低品位熱能(如地?zé)崴⒐I(yè)廢熱水等)供熱，有利于能源的綜合利用。近年來，通過低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)工程實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)限制系統(tǒng)進一步發(fā)展的問題主要表現(xiàn)為大空間建筑低溫過冷及其余建筑超溫過熱現(xiàn)象。JGJ 142—2012地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程規(guī)定低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)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(yīng)大于60℃，民用建筑供水溫度宜采用40℃ ～50℃;當(dāng)外網(wǎng)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(shè)置混水泵抽取室內(nèi)回水混入供水，以降低供水溫度，保持其溫度不高于設(shè)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?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)成為最佳的供暖方案，而在外門啟閉冷風(fēng)沖擊負荷等的影響下，設(shè)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(tǒng)與市政供暖系統(tǒng)直接連接，簡化常規(guī)低溫地面輻射供熱系統(tǒng)，同時滿足溫度要求。市政供暖系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在高大空間建筑應(yīng)用的可行性。

2 低供水溫度地面輻射供熱系統(tǒng)特點

2.1 高效節(jié)能

人體實感溫度是由平均輻射溫度與室內(nèi)空氣溫度雙重作用的結(jié)果，對于地面輻射采熱系統(tǒng)，在充分考慮舒適的前提下，計算室內(nèi)溫度時，一般可比對流采暖方式低2℃ ～3℃，而室內(nèi)設(shè)計溫度每降低1℃可節(jié)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(nèi)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(yī)“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(tǒng)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(tǒng)的加熱管都埋設(shè)在填充層內(nèi)，JGJ 142—2012規(guī)定低溫?zé)崴到y(tǒng)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(guī)定熱水管道無坡度輻射時，管內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)熱負荷系數(shù)取0.9，計算可知，同一采暖系統(tǒng)采用地板輻射供暖的水流量約為傳統(tǒng)散熱器供暖水流量的2.25倍，這樣低溫地板輻射供暖系統(tǒng)可以保持較大的熱媒流速［3］。

2.5 有效防止結(jié)垢

低溫地面輻射采暖系統(tǒng)的運行溫度在60℃以下時，這一水溫不足為水的結(jié)垢點，因此系統(tǒng)不易產(chǎn)生水垢，且系統(tǒng)水是不需要更換的，如果每年更換新水則容易產(chǎn)生水垢，而結(jié)過垢的水，不易繼續(xù)結(jié)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(diào)回水、余熱熱水進行供熱，在有地下熱水資源的區(qū)域，可以直接利用地?zé)崴蚪?jīng)過處理后的地?zé)崴?，達到節(jié)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(tǒng)壽命

影響塑料加熱管使用壽命的主要因素為系統(tǒng)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(guān)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(fù)合管外，地面輻射供暖系統(tǒng)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(tǒng)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(jù)行業(yè)相關(guān)技術(shù)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(guī)定，結(jié)果如表2所示。

表2 不同環(huán)境條件下最大散熱量

費玉敏等［11］介紹了新型低溫?zé)崴椛涔┡孛鏄?gòu)造，建立了實驗系統(tǒng)并進行了地面供暖熱工性能實驗研究，得出結(jié)論:輻射面溫度及熱流密度隨水溫變化近似呈線性關(guān)系，其中當(dāng)面層為瓷磚時擬合關(guān)系式為:

當(dāng)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(qū)域的環(huán)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(shù)通過對不同參數(shù)下的溫度場模擬，得出隨著管內(nèi)介質(zhì)流速的增加，房間各個區(qū)域內(nèi)的溫度增加，室內(nèi)溫度在距地面0.1 m處迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，達到穩(wěn)定狀態(tài)后，房間內(nèi)縱向溫差不超過3℃。流速變化對室內(nèi)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(dǎo)熱系數(shù)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(yōu)化，如采用新型的導(dǎo)熱系數(shù)更大的填充材料可解決溫度不均的問題。

3.4 結(jié)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(chǎn)生的氣體也將增多，不利于系統(tǒng)內(nèi)空氣的排除;供水溫度上升，由于與市政供暖系統(tǒng)直連，結(jié)垢也將容易發(fā)生，需要做好系統(tǒng)的放氣和排污設(shè)計。

4 結(jié)語

低溫地面輻射供暖系統(tǒng)在安全可靠的運行和相對節(jié)能的前提下保證了系統(tǒng)的供暖效果。在一些設(shè)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(tǒng)與集中供暖系統(tǒng)連接的方案就可以滿足供暖要求。通過對比分析常規(guī)低溫輻射供暖系統(tǒng)，將低溫地板輻射供暖系統(tǒng)與集中供暖系統(tǒng)直連的方案具有一定的實用性與便利性。