地板表面發(fā)射率對(duì)地暖性能的影響

鄒銳婷 吳會(huì)軍、2 劉彥辰 楊文兵 王宇軒

1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院2 廣州大學(xué)建筑節(jié)能研究院

0 引言

地板供暖系統(tǒng)具有節(jié)能、舒適、節(jié)約空間等優(yōu)勢(shì)，成為越來(lái)越多建筑中供熱末端的重要手段，而且隨著低溫供熱方式的發(fā)展，地板輻射供暖已普遍成為被人們廣為接受的適宜供熱末端解決方案，不僅應(yīng)用于住宅，而且還應(yīng)用于非住宅建筑，如商業(yè)建筑、教育設(shè)施，甚至大型建筑物，如機(jī)場(chǎng)航站樓。在地板供暖過程中，建筑表面（墻體、地板等）的發(fā)射率是影響供熱量和熱舒適度的重要參數(shù)。

趙玉倩[1]研究了局部鋪設(shè)熱水盤管的墻體的表面發(fā)射率對(duì)室內(nèi)空氣溫度的影響，發(fā)現(xiàn)了在同一高度上，增大墻體表面發(fā)射率能提高空氣溫度。盧素梅和孟慶林[2-3]研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)表面的發(fā)射率對(duì)室內(nèi)熱舒適的影響，發(fā)現(xiàn)降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面輻射率能有效降低室外對(duì)室內(nèi)的凈輻射換熱量，冬季可以提高平均輻射溫度，夏季則可以降低平均輻射溫度。Jelle等[4]、H uge[5]分別研究了不同發(fā)射率材料在建筑內(nèi)表面的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面發(fā)射率能降低室內(nèi)外換熱量，進(jìn)而提高室內(nèi)熱環(huán)境的舒適度。劉磊[6]研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的發(fā)射率建筑采暖能耗的影響，發(fā)現(xiàn)在相同舒適性條件下采用內(nèi)表面發(fā)射率低的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可減少采暖能耗。

從相關(guān)文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，作為被動(dòng)受熱空間，降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的發(fā)射率（墻體表面，非供暖表面）能減少室內(nèi)外的輻射熱損失，減少供暖能耗，提高環(huán)境熱舒適度。而對(duì)于地板采暖，地板表面作為供暖面，其表面發(fā)射率對(duì)供暖性能的影響規(guī)律與非供暖墻體表面不同。本研究分別采用石墨烯涂料和銀粉漆對(duì)地板表面進(jìn)行改性，制備具有不同表面高發(fā)射率的地板，研究地板表面發(fā)射率對(duì)地板表面溫度、供熱量等供暖性能的影響規(guī)律。

1 表面發(fā)射率不同的地板供暖性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1.1 地板表面發(fā)射率的改性

1）將釉面瓷質(zhì)磚（福建豪華實(shí)業(yè)有限公司，厚度10 mm）裁成200 mm×2 00 mm，磨平周圍毛邊，擦拭干凈后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在 60±5 ℃條件下去除釉面瓷質(zhì)磚因自身吸濕所帶水分。

2）使用T1000 電子秤（精度：± 0 .1 g）稱取5 g 石墨烯高發(fā)射率涂料（蘇州碳豐石墨烯科技有限公司），采用 OTS-950 無(wú)水無(wú)油空氣壓縮機(jī)加壓下通過噴槍噴涂于干燥后的釉面瓷質(zhì)磚表面，再放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在 40±5 ℃條件下干燥，制成高發(fā)射率表面地磚（編號(hào)HE）。以相同方法對(duì)瓷磚表面噴涂銀粉漆（深圳市華爾康涂料科技有限公司）后再干燥，制成低發(fā)射率表面地磚（編號(hào)LE）。最后瓷磚不做任何表面處理，干燥后做空白對(duì)比樣。

1.2 地磚物性參數(shù)測(cè)試

1）密度測(cè)定

采用電子秤及游標(biāo)卡尺測(cè)出三塊不同表面處理的地磚的質(zhì)量與體積，并根據(jù)m=ρv求出每塊地磚的密度。

2）熱阻測(cè)定

采用 TPS1500 熱常數(shù)分析儀（精度：± 0 .3%）分別對(duì)HE、L E 的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，先將冷源溫度設(shè)定為20 ℃，熱源溫度設(shè)定為40 ℃再進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)達(dá)到平衡后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)各重復(fù)三次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3）發(fā)射率測(cè)定

借助紅外熱成像儀分別對(duì) HE、L E 的表面發(fā)射率進(jìn)行測(cè)定[7-8]。實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)試環(huán)境溫度為40 ℃，紅外熱像儀發(fā)射率設(shè)置為 l，利用熱電偶（精度：± 0 .1 ℃）測(cè)量不同地磚的表面溫度T0與環(huán)境溫度T u，并用紅外成像儀測(cè)量相同環(huán)境溫度下地磚表面的紅外輻射溫度T r，地磚表面發(fā)射率可由下式計(jì)算：

式中：Tr為熱成像儀顯示的輻射溫度，K ；Tu為環(huán)境溫度，K ；T0為被測(cè)物體表面溫度，K 。

1.3 地板輻射供暖實(shí)驗(yàn)

以 FOX200 導(dǎo)熱儀（熱流精度：± 0 .09 W/m2，溫控精度：± 0 .03 ℃）作為簡(jiǎn)易地板供暖實(shí)驗(yàn)裝置（200 mm×200 mm×5 0 mm），其示意圖如圖1，其中下板作為地板供暖（表面2），上板模擬冷源（表面1），四周壁面（表面3）貼附發(fā)射率為0.05 的拋光鋁箔，并由聚氨酯保溫材料包裹，四壁可簡(jiǎn)化為重輻射面。

圖1 實(shí)驗(yàn)空間示意圖

根據(jù)《JGJ 142-2012輻射供暖供冷技術(shù)規(guī)程》，選取 28 ℃、32 ℃、4 1 ℃這三個(gè)熱源溫度。冷源溫度以10 ℃為例子。在瓷質(zhì)磚中心線上相距50 mm 處分別布置熱電偶T1與T2，記錄地板表面溫度。為防止其他輻射的干擾，用鋁箔紙包裹探頭。采用安捷倫數(shù)據(jù)采集器（34972A）每間隔10 s 記錄數(shù)據(jù)。通過導(dǎo)熱儀內(nèi)部的熱流傳感器記錄地板供暖的熱量。

2 地板表面發(fā)射率對(duì)地板供熱量的影響及計(jì)算

對(duì)于地板供暖，地板表面的供熱量表示為輻射供熱量和對(duì)流傳熱量之和：

本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)部上、下壁面存在溫差，故空間內(nèi)空氣將在熱源與冷源的作用下運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)的熱量交換過程可視為有限封閉空間內(nèi)的自然對(duì)流換熱問題[9]：

式中：g為重力加速度，取 9.86，m/s2；α為提及膨脹系數(shù)，1/K；Δt為冷熱源間溫差，℃ ；δ為水平夾層厚度，m ；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/ s。

計(jì)算得到Grδ≥ 1700 時(shí)，可選用以下關(guān)聯(lián)式計(jì)算自然對(duì)流換熱系數(shù)：

式中：N uδ為努謝爾準(zhǔn)則；G r 為格拉曉夫準(zhǔn)則；P r 為普朗特準(zhǔn)則。

對(duì)于圖 1 所示的地板供暖（四周為重輻射面），可簡(jiǎn)化為圖 2 所示的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)模型[10]，地板表面的輻射供熱量為：

圖2 實(shí)驗(yàn)空間輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖

式中：表面1 與表面2 間的總輻射熱阻為：

3 分析與討論

3.1 地板表面的物性參數(shù)

釉面瓷質(zhì)磚的各類物性參數(shù)測(cè)試結(jié)果具體如表 1所示：

表1 釉面瓷質(zhì)磚物性參數(shù)

經(jīng)石墨烯涂料改性后，地板表面發(fā)射率由 0.76 增大到 0.86（增大了 13%），經(jīng)銀粉漆改性后，地板表面發(fā)射率由0.76 減小到0.46（減小了39%）。地板表面處理所采用的石墨烯與銀粉漆添加量少，涂層厚度小，地板整體厚度與密度變化不大，地板表面導(dǎo)熱熱阻變化不大。

3.2 供熱量實(shí)測(cè)與計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 為地板總供熱量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值的對(duì)比。由圖 3（a）可看出，在熱源溫度為 28 ℃的情況下，當(dāng)表面發(fā)射率為分別為 0.46 和 0.86 時(shí)，實(shí)測(cè)總供熱量與計(jì)算值的偏差分別為3.9%和0.9%。由圖3（b）可看出，在熱源溫度為 36 ℃的情況下，當(dāng)表面發(fā)射率為0.46 和0.86 時(shí)，實(shí)測(cè)總供熱量與計(jì)算值的偏差分別為 3.1%和 4.1%。由圖 3（c）可看出，在熱源溫度為41 ℃的情況下，當(dāng)表面發(fā)射率為分別為 0.46 和 0.86時(shí)，實(shí)測(cè)總供熱量與計(jì)算值的偏差分別為 3.5%和4.2%?？梢?，對(duì)于不同反射率的地板供暖，其總供熱量的計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值吻合較好。

圖3 地板總供熱量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值的對(duì)比

3.3 地板表面發(fā)射率對(duì)供暖性能的影響規(guī)律

不同熱源溫度的情況下，表面發(fā)射率對(duì)地面溫度的影響如圖4。當(dāng)熱源溫度為 28 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為0.86 的地面溫度比表面發(fā)射率為 0.46 的地面溫度升高1.6 ℃。當(dāng)熱源溫度為36 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為 0.86的地面溫度比表面發(fā)射率為 0.46 的地面溫度升高1.1 ℃。當(dāng)熱源溫度為 41 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為 0.86 的地面溫度比表面發(fā)射率為 0.46 的地面溫度升高0.5 ℃。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同熱源溫度的情況下，高發(fā)射率表面的表面溫度會(huì)高于低發(fā)射率表面的表面溫度。

圖4 不同發(fā)射率和熱源溫度下的地面溫度

不同熱源溫度的情況下，表面發(fā)射率對(duì)總供熱量的影響如圖5。當(dāng)熱源溫度為28 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為0.86 的總供熱量比表面發(fā)射率為 0.46 的總供熱量升高25.4 W/m2。當(dāng)熱源溫度為36 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為0.86 的總供熱量比表面發(fā)射率為 0.46 的總供熱量升高35.2 W/m2。當(dāng)熱源溫度為41 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為0.86 的總供熱量比表面發(fā)射率為 0.46 的總供熱量升高42.9 W/m2。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在相同熱源溫度的情況下，高發(fā)射率表面的總供熱量高于低發(fā)射率表面的總供熱量。

圖5 不同發(fā)射率和熱源溫度下的總供熱量

利用地板供暖傳熱模型，分析在不同地面發(fā)射率的情況下，地板供暖的輻射換熱量的變化規(guī)律。以表面發(fā)射率為變量，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。結(jié)果如圖6 所示，可以看出表面發(fā)射率與輻射換熱量之間呈線性增大關(guān)系，即在相同熱源溫度的情況下，增大地板表面的發(fā)射率可明顯增大地板的輻射供熱量。這主要是因?yàn)榘l(fā)射率會(huì)影響輻射換熱量，發(fā)射率的值越大越容易吸收或釋放熱量。而且，熱源溫度越高，地板的輻射換熱量隨著表面發(fā)射率的升高而增大得越顯著?？梢姡龃蟮匕灞砻娴陌l(fā)射率，可提高地板與室內(nèi)空間的輻射換熱量。而在相同的供暖能力范圍內(nèi)，可以適當(dāng)降低熱源溫度，從而減少供暖能耗。

圖6 表面發(fā)射率對(duì)輻射換熱量的影響

4 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)熱源溫度為 28 ℃，36 ℃和41 ℃時(shí)，表面發(fā)射率為 0.86 的地面溫度比表面發(fā)射率為 0.46 的地面溫度分別升高 1.6 ℃，1.1 ℃和0.5 ℃，總供熱量分別增大 25.4 W/m2，35.2 W/m2和42.9 W/m2。

2）對(duì)地板供暖性能進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的總供熱量誤差約3%，表明模型具有較好的準(zhǔn)確性。

3）采用模型研究了地面發(fā)射率對(duì)地板表面輻射換熱量的影響，結(jié)果表明輻射換熱量隨地面發(fā)射率增大近似線性增大，且對(duì)于較高的熱源溫度，對(duì)應(yīng)的線性斜率相應(yīng)增大。