硬聚氯乙烯通水地板辐射供暖实测分析

2019-11-07于海洋

天津城建大学学报 2019年5期

魏勇，王宇，于海洋，袁丰

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津300384）

低温热水地面辐射供暖是一种以温度不高于60 ℃的热水为热媒，在加热管内循环流动加热地板，通过地面以辐射和对流的传热方式向室内供热的供暖方式，较一般的暖气片供暖具有热媒温度低、室内温度分布均匀和人体舒适性好等优点[1-3].传统干式地暖是通过热水在间隔布置的塑料圆管中流动散热进行供暖，但由于管路与地板之间存在空气夹层，传热能力受到一定程度的影响，通常用到的改进方式有增加铝箔层[4]、加装反射膜[5]、改变加热管安装位置[6]和采用相变材料[7]等.

新型通水式地板辐射供暖属于干式地暖，但在结构上有所创新，系统更加模块化和易于施工，是通过一层高强度硬聚氯乙烯材料制成的通水板来供暖.通水板由一个个中间有12 个可供热水流动的长方形小通道的地板条连接而成，如同“水床”一样，增大了传热面积；卡扣式薄面板平整贴合在通水板表面，减少了传热阻力，有利于传热能力的提升；通水板下面铺设具有优良保温和抗压性能的挤塑板以减少散热，整个系统总厚度仅为4 cm 左右.产品实物和结构如图1-2 所示.目前，该辐射地板在实际应用方面的研究还比较缺乏，本文通过长期实测，对其在寒冷地区的使用效果进行了分析，并就其工程应用和设计提出了一些建议.

图1 地板条实物

图2 产品结构图

1 测试系统

1.1 测试房间

测试地点位于天津市津南区，测试房间为一间值班室，普通砖墙建筑，混凝土预制板式屋顶，单层普通玻璃窗户（见图3），房间尺寸（长×宽×高）为6.2 m ×5.3 m×3.2 m，建筑面积约为33 m2，供暖系统以一台小型电锅炉为热源，通水地板为供暖末端，热水被加热至设定温度后在锅炉内置循环泵的作用下进入通水板循环散热.

图3 测试房间外观

1.2 测点布置

本次测试主要对室外温度、系统供回水温度和流量、地板表面温度和室内温度进行了实时监测，并采用红外热像仪对室内各表面温度及散热情况进行了不定期测量.图4 为室内测点布置情况，其中，地板表面共布置了7 个温度测点，在室内设置了两个测量支架，各布置4 个温度测点，高度由下往上依次为0.1，0.6，1.0，1.6 m，分别对应人体部位的脚踝、坐姿腹部、站姿腹部/坐姿头部和站姿头部.实验所用测量仪器如表1 所示.监测时间为2018 年1 月19 日至3 月4日，供暖系统全天24 h 运行，锅炉出水温度由管理人员根据室内温度手动设置.

图4 室内测点布置

表1 测量设备表

2 实测数据分析

2.1 室内温度分布

为了体现供暖期间室内温度瞬时变化特征，选取某一典型日（2 月10 日）进行分析，该日室外温度为-4～2 ℃，系统平均供回水温度分别为41.7 ℃和34.0 ℃，平均温差7.7 ℃，供回水流量为0.51 m3/h.图5 为典型日室内温度瞬时变化情况，可以看出，由于室内热量全部来自于地板，所以各层面温度变化趋势和地板表面温度保持一致，热感自下而上，符合中国人所说的“暖足寒头”的保健理论，计算可得不同层次之间温度降幅由下到上依次为40.0，4.4，2.8，0.3 ℃/m，表现为近地面温度变化较大，越往高处温度越趋于稳定，这是因为在垂直方向上空气换热由对流为主逐渐变为辐射为主；不同时间同一高度处空气温度除早上07：00前后有比较明显的变化外（与值班人员的起居规律有关，该时间段内开门行为使室内热量大量散失），其余时间比较稳定，整体温度变化在2 ℃以内，仅为室外温差的1/3；地板表面平均温度处于23～26 ℃之间，平均温度为25 ℃，满足标准中25～29 ℃[8]的舒适性要求，人体脚踝（高度0.1 m）和头部（高度1.6 m）之间的垂直温差平均为4 ℃.

图5 典型日室内温度瞬时变化情况

地板表面温度和垂直温差的局部不满意率公式分别为

式中：LPD1为地板表面温度局部不满意率，%；tf为地板表面平均温度，℃；LPD2为垂直温差局部不满意率，%；Δt 为头部和脚踝之间的垂直温差，℃.

根据式（1）-（2）可知，地板表面平均温度和垂直温差引起的局部不满意率分别为5.7%和8.8%，均达到了Ⅰ级[9]（最高级）指标要求.此外，按照人的呼吸带相对高度值0.5～1.5 m，取0.6，1.0，1.6 m 3 处测量均值得到室内温度为16～18 ℃，能很好地满足标准中16～24 ℃[10]的供暖舒适性要求.

图6 给出的是整个测试期内系统逐日供暖结果，实测数据显示，测试期内室外日均温度为-7～10 ℃，系统平均供水温度为39～43 ℃.从图6 中可以看出，地板表面平均温度为22～28 ℃，垂直温差为2～5 ℃，计算可知二者引起的局部不满意率分别为6%～10%和3%～20%；室内平均温度为13～22 ℃，仅有少数几天没有达标，主要是因为这些天室外温度较低，管理人员没有适当调高供水温度，可以规避.总体来看，采用新型通水式地板供暖室内热舒适性良好.

图6 测试期逐日供暖结果

2.2 系统供热量

热水通过地板的供热量可分为地板向下导热传热、地板与室内空气对流传热、地板与室内空气及围护结构等辐射传热3 部分.考虑到通水板下面铺设有保温性能良好的绝热板，故忽略地板向地面的导热传热，近似认为供热量由对流传热和辐射传热两部分组成，计算方法如下

式中：q 为系统供热量，W/m2；c 为水的比热容，取4 186 J/（kg·K）；tg和th分别为供回水温度，℃；Qv为供回水流量，m3/h；qd和qf分别为对流和辐射传热量，W/m2；tf和tin分别为地板表面和室内平均温度，℃.

图7 是根据公式（3）-（5）得到的数据处理结果，可以看出，系统日均供热量为90～155 W/m2，其中，辐射传热量为71～120 W/m2，是对流传热量（19～37 W/m2）的3～4 倍，在传热过程中占主导地位.

图7 地板传热情况

2.3 地板供暖启停过程变化

为了进一步对通水板供暖特性进行研究，笔者对供暖系统启动、停止过程中通水板表面温度的变化情况进行了测试，结果如图8 所示.可以看出，停止供暖后，地板表面温度由26.5 ℃开始降低，速度先快后慢，待降至14.5 ℃时启动供暖（供暖水温设置为40 ℃），随后温度快速上升至25.0 ℃后趋于稳定，该过程中近地面（高度0.1 m）空气温度变化趋势和地板表面温度保持一致，初始温度为20.5 ℃.经统计，地板冷却时间为135 min，板面平均温降速度为5.3 ℃/h，加热时间为40 min，平均温升速度为15.7 ℃/h，约是温降速度的3 倍，相对于湿式地暖数小时的温升时间[11]，通水式地板供暖升温时间大大缩短.

图8 系统启停过程通水板温度变化

3 讨论与分析

红外热像仪分析结果显示，值班室供暖期间各围护结构内表面温度普遍很低.图9 是测试期内某天热像仪的温度分析结果，可以看出，各表面平均温度均在7 ℃以下，房顶墙角温度甚至低于0 ℃，说明热阻很小，会增加室内热量的散失，这也是该系统供热量比较高的主要原因.此外，辐射传热是温度的4次方差函数，相同供热量下围护结构温度过低会导致地板与围护结构之间的辐射传热量大幅增加，室内空气得热量减少，若要提高空气温度则需要提高供水温度.所以，如果应用于保温性能较好的节能建筑中，供水温度在实测基础上可进一步降低，有望提供30 多度甚至温度更低的热水即可满足室内热环境要求，非常适合采用空气源热泵或者太阳能集热系统进行供暖.

图9 热像仪分析结果

实际供暖中可利用通水板较快的温升特性有效缩短建筑预热时间，或将其应用于间歇供暖的房间，有利于降低供暖能耗.此外，该系统模块化的设计特征允许针对受损部位直接进行相应替换，相较于传统地暖替换整条管道或对地面造成破坏的维修方式来说，降低了维修难度和成本.需要特别指出的是，由于通水板直接与空气接触，环境温度较低时若停止供暖，通水板容易出现结冰现象，所以在长时间不需要供暖时需向系统提供低温循环热水进行防冻.

通水式辐射供暖地板是一种新型供暖设备，其供暖系统的设计流程与传统地暖之间的不同之处在于热水循环泵的选取环节.传统地暖管回路采用的是单条圆管，而且不同管材和管径的比摩阻都有规范可循，可以直接选用，供暖回路的水力计算相对简单，而通水板回路需要考虑的阻力损失比较多，包括与通水板进出口相连的圆形连接管的沿程阻力损失、沿地板条长度方向的沿程阻力损失以及地板条连接件的局部阻力损失（如图10 所示）.