上海市节能监察中心 任庚坡

0 前言

随着居民生活质量要求的持续提高，冬季采暖地区进一步增多，人均生活用能和单位居住面积能耗刚性增长较快。地面采暖由于具有美观、舒适、节能等一系列优越性，所以很快被人们接受而且迅速推广。在实际工程中，最常遇到是地面采暖与散热器采暖共用热源的问题，混水泵混水法对于整个小区或单个建筑都适用，适应性广；但混水泵也是一个耗能“大户”，而水泵耗能的大小主要取决于系统循环水量，这就涉及到系统供回水温差的取值问题。目前，我国的设计规范把地面采暖的供回水温差定为10℃，这主要是参照国外的规范，由于国外的水泵基本都是变频的，可根据负荷的大小自动调节水量，但在国内，由于变频泵相对较贵，因而大多仍采用定速泵，所以供回水温差的确定直接影响到水泵的耗电量。本文从室内温度场、管内流速及地板材料等多方面讨论混水泵小流量大温差运行的可行性。

1 大温差运行对室内温度场的影响

1.1 数学模型

1）计算区域和模型假设

图1为用于模拟计算的房间模型，房间大小为4.2×3.6×2.8（长×宽×高）m，有窗的一面墙为外墙，其余均为内墙。设计室外计算温度为-26℃，室内计算温度为18℃。

设计供回水温度为50℃/40℃；盘管间距300mm，取地板表面靠近外墙的空气层温度为16℃；靠近内墙的空气层温度为19℃。由于房间不同位置的地板表面散热量不同，将整个地板沿水流方向分为23块，作为23个独立热源（见图2），分别计算其散热量。为简化模型，作如下假设：

(1)热水流过塑料管不断放热过程中，温度均匀地降度；

式中：Vi为xi方向的速度分量；xi为坐标轴。

(2)动量守恒方程

(2)将多层材料复合而成的地板板体当作一个整体考虑；

(3)地板表面空气层掠过地板时，其温度从外墙附近到内墙附近均匀升高；

(4)忽略加热盘管向下的传热。

2）控制方程

室内气流的流动可由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分方程来描述。

(1)质量守恒方程

式中：ρ为空气密度；t为时间；Vj为xj方向的速度分量；p为压力；μeff为有效粘度；β为空气的热膨胀系数；T0为参考点的空气温度；T为空气温度；gi为i方向的重力加速度。

(3)能量守恒方程

式中：ГT,eff为温度的有效扩散系数；q为热源散热量；Cp为比热。

(4)组分方程

式中：C为组分浓度；ГC,eff为浓度的有效扩散系数。

3）边界条件

若要解出室内流场，还必须有下列边界条件。

(1)对称表面条件

如果xi是对称表面的法线坐标，则此表面的边界条件由下式表示：

(2)常规边界条件

这种边界条件的表面包括墙、天花板、地板表面以及室内家具的表面。如果xi坐标轴平行于表面，则边界条件为：

式中：τ为剪切力；h为对流传热系数；Csource为组分浓度。

(3)自由边界条件

对于送风来说：

式中：下标sup指送风出口的参数值。

对于回风来说，压力通常是给定的，其它参数在表面法线方向设为零梯度：

式中：preturn是指回风压力，xi为表面的法线坐标。

1.2 计算结果及分析

根据图2，可以计算出每一块地板的散热量及地板表面的平均温度，当供回水温差发生变化时，图2中每一块地板的平均水温也相应地发生变化，从而引起散热量也发生变化。表1、表2分别为供回水温差为10℃、20℃时各块的盘管平均水温、散热量和表面温度。

由表1可知，在供回水温差10℃时，地板表面的温度分布比较均匀，基本都在20～24℃之间，只有第1块地板由于供水温度最高，温度达到25.89℃。对地板表面温度分布影响较大的还有室外温度，在外墙附近，由于盘管间距未变（仍为300mm），又没有任何保温措施，使得外墙附近的地板表面温度普遍较低，紧靠外墙的3号地板温度只有19.61℃；21号地板温度为20.24℃左右。因此，在工程设计中，外墙附近的盘管间距应相应减小，在严寒地区应采取保温措施。

表1 供回水温差10℃时地板散热量和表面温度

表2 供回水温差20℃时地板散热量和表面温度

由表2可知，当供回水温差增大后，块与块之间的平均温度差就比较明显了，特别是第1块与第23块的差别最大，达18.76℃。但表中所示的情形是忽略了块间传热的结果，事实上，当相邻两块地板的平均温度不同时，二者就会自发的进行传热，从而使温度分布趋向均匀，这在地板表面为瓷砖或大理石时表现的最为明显。因而当达到热平衡时，各块之间的温度不会相差太大。

综上所述，提高供回水温差对室内温度场影响不大。

2 大温差运行对流速的影响

《采暖通风与空气调节设计规范》和《低温热水地板辐射供暖应用技术规程》都对无坡度管道的管内流速作出规定：加热管内热媒流速不应小于0.25m/s，此规定的目的是便于排除管内空气，避免形成气塞，当供回水温差增大时，水量的减少必然使管内流速降低。如仍按以前的方法进行设计，室外立管没有问题，流速仍大于0.25m/s，但室内水平管内的流速却可能小于0.2m/s，不利于空气的排除。对于这个问题，可通过减少系统环路数加以解决。目前的设计基本是一个房间就是一个环路，当供回水温度增大后，若管内流速太低时，可将两个房间当作一个环路，虽然管长增加引起系统阻力增大，但由于混水泵的扬程通常远大于用户阻力，因而对用户不会造成太大的影响，反而会提高系统的稳定性。

3 大温差运行对地板材料的影响

地面采暖系统的表面材料通常为瓷砖、大理石和木地板。供回水温差增大后，供水温度也相应提高，但即使温差提高到30℃，供水温度也只有60℃，地板表面最高温度为30℃左右，这一温度对瓷砖和大理石没有什么影响，对木地板也不会有太大影响。

至于有些复合地板在使用后产生开裂变型现象，这主要是安装质量的问题。地面采暖系统的热量本身并不能使在高温高压下压合的复合地板面层与核心层分离。

因此，供回水温差适当提高后，供水温度虽有升高，但也不会超过60℃，因而不会对地板材料产生影响。

4 大温差运行混水泵电耗经济性分析

现以某小区为例来分析提高供回水温差后水泵的节电情况。楼地上为8层，其中第8层为斜面屋阁楼层，总高约24.9m，2～8层建筑面积约为7854m2。地下一层及地上一层采用散热器采暖方式，2～8层采用低温热水地板辐射采暖方式，混水连接。

热水循环泵单台循环水量为总水量的75%，当室外温度在-10℃以上时，启动一台循环水泵供水；当室外温度低于-10℃时，两台循环水泵全部投入运行。水泵型号为：80RXL-16；G=34m3/h；H=17mH2O。则一个采暖季水泵的电耗为：

若将供回水温差提高到20℃，则水泵型号可变为：50RXL-20；G=16m3/h；H=20mH2O。则一个采暖季水泵的电耗为：

一个采暖季可节电：

由此可见，提高供回水温差后，其节电效益还是相当可观的。因此，在今后的设计中，可将供回水温差提高为20℃。

5 结论与建议

(1)将供回水温差由10℃提高为20℃时，对室内温度场、管网稳定性、地板材料等方面基本没有影响，但节电效益可观；

(2)为使室内温度分布更加均匀，外墙附近的盘管间距可相应减小，并采取良好的保温措施；

(3)在工程实际中，应综合考虑局部热负荷、水力稳定性和地板材料等因素，合理设计盘管间距、热媒流速和温差，并做好水泵选型工作；

(4)各地在制定地方标准时，可根据各自气候、经济条件，合理规定供回水温差和定、变频水泵的适用条件。

[1]王子介.地板供暖及其发展动向.暖通空调，1999,29(6).

[2]秦绪忠，江亿.供热空调水系统的稳定性分析.暖通空调，2002,32(1).