低溫熱水地面輻射采暖的戶內熱力失調分析與對策

■ 張 鑫 Zhang Xin

0 前言

低溫熱水地面輻射采暖形式其良好的熱舒適性得到了越來越多的人認可，但很多工程技術人員發現，這種采暖形式并不像理論上那樣節能，甚至會出現嚴重偏離設計工況的情況。工程調試人員把主要精力集中在對管網水力工況進行調節上，即便如此，多數情況下只能依靠系統運行時采用大流量小溫差的方法來彌補系統的各種先天性缺陷。這就使得原本在設計階段就含糊應對的室內熱力工況更加無法預料。更有甚者，用增加供水溫度這一地面輻射采暖的大忌來改善個別房間的供熱效果，造成系統整體運行狀態混亂、室內熱舒適性下降。

客觀上講采暖系統的設計、施工、調節、運行的各環節技術人員很少進行工作協調，也造成了這種熱網實際運行工況的熱力失調。相比于散熱器等其它采暖形式，低溫熱水地面輻射采暖為何顯得更容易出現各種問題呢？下面我們就從低溫熱水地面輻射采暖特點及設計方法本身分析，尋找解決問題的方法。雖然熱力系統失調是一個系統問題，牽扯到系統的各個部分，本文僅考慮分集水器之后的戶內管網工況分析，至于分集水器之前的管路系統所造成的水力失調屬于所有熱水采暖系統共同問題，在學術和工程上已經受到廣泛研究，本文不再涉及。

1 模型分析

現在被建筑設備系統工程師廣泛采用的低溫熱水地面輻射采暖系統設計步驟如圖1。

圖1 低溫熱水地面輻射采暖系統設計步驟

地面輻射采暖的傳熱是一種非常復雜的過程，相關于周邊表面溫度、角系數、各種表面材料和各表面顏色、空氣對流情況等，學術上無法用一種通用的理論模型來概括所有情況，雖然《供熱空調設計手冊》[1]第6.2節介紹了理論計算方法，由于有些參數無法確定，實際工程情況復雜，得出的結果往往也偏離實際情況。研究人員通過實驗總結出了地面散熱量公式[2]，并把工程中常用情況的計算數值編入《地面輻射供暖技術規程》[2]附表A指導工程應用，這便是我們常用的“單位地面面積散熱量和向下傳熱損失表”。

在應用上述表格時，我們已經通過標準圖集來實現地面做法、面層情況、盤管間距的施工標準化。設計溫度是我們人為確定的，但平均水溫卻是由運行工況決定的。在系統實際運行時人為左右不了的，成為地面輻射采暖系統中最不確定的因素。

熱水地面輻射采暖系統的分集水器流體力學模型為并聯管道模型(圖2)。對于各環路分集水器只能提供環路間等壓力，并不能確保各環路等流速，更談不上各環路等溫降。由于各環路阻抗S值不同，導致流速不等，從而影響各環路供回水平均溫度，使實際散熱量嚴重偏離理論值。

式(1)為S的定義式，它是管路中管材沿程阻力系數λ、管道直徑d、管長l和局部阻力系數ζ的函數。因為熱水地板采暖埋管道中不包含閥件、不允許有接頭，管道轉彎為僅有的局部阻力。又因為轉彎半徑很大，我們可以忽略局部阻力，或是認為在工程上轉彎的個數正比于管長，把局部阻力假設為當量長度。這樣 “Σζ”項可歸于前項，這樣S∝l。又因為熱水地面采暖埋地管道材料規格相同，我們便得到式(2)。

從式(2)可以看出，環路管長越長，流速越低，在供水溫度恒定的情況下，回水溫度就越低，導致水溫平均溫度降低，實際散熱量小于“單位地面面積散熱量和向下傳熱損失表”所標注的數值。這樣就出現了一種現象：某房間單位熱負荷比較大。按表中數值對管道間距加密，使得管長增加，運行的時候卻因為阻力大而流速小，平均水溫小于設計值，散熱量不足，甚至低于其他房間。造成各環路間熱力失調。

造成低溫熱水地面輻射采暖系統熱力失調的另一個原因是在應用階段的散熱面積不足。在設計階段，我們主要關注的參數為單位地面面積散熱量qx，但采暖時房間需要采暖系統提供總散熱量Q，它們的關系如式(3)。

一般認為，敷設有管道的和管道間距內的地面均算為地面輻射的散熱面積F。但由于種種原因房間內的一些地面不宜布置盤管，如衛生間內的落地器具下面的地面、特殊設備遮蓋的地面。這些在建筑設計圖可以反映出來的方面，可以在布置盤管時進行適當修正。但家具的遮擋是不可預知的。矛盾最突出的房間為住宅的臥室，現代常用家具中臥室的衣柜、床以及床頭柜均為無腳的面落地形式，這就使家具把地面的散熱面積遮擋得嚴嚴實實。現代居住建筑設計理念中，臥室作為家居的私密場所面積不會很大，而其中的主要家具占據了幾乎50%的使用面積。在這種情況下，《供熱空調設計手冊》[1]第6.1-3提供的覆蓋率及附加散熱量修正系數不足以彌補這部分散熱面積的缺失。同樣的問題也常見于客廳、擺放有其它面落地型家具的房間。

以上兩種形式是造成低溫熱水地面輻射采暖戶內熱力失調最常見的兩個結構性原因。甚至有些時候兩個原因還疊加出現，比如距分集水器最遠的房間恰巧為臥室，而且還具有較多的外圍護面，因管間距加密而使管道更長，再由于家具的覆蓋而使散熱面積大幅減小，最終導致原本應該溫暖的臥室溫度達不到設計溫度。

2 解決方法

由管長差異造成的戶內水力失調最好的解決方法是使接于同一套分集水器的各環路管長盡量接近。根據式(2)，同一分集水器上的環路管長相差20%時，其流速就相差10%左右，這種偏差在工程上還是可以接受的，但在設計階段具有一定的難度。依照圖1的設計方法，設計人員在使房間內單位散熱量滿足供熱要求的情況下，盡量按照標準管間距布置盤管，還要把各環路的布置均勻地與各分集水器連接。再加之戶型的多樣性原因，很難保證管長接近，這就要求設計人員在工作中多總結經驗。以下是筆者根據工作經驗對常見問題建議采取以下措施：

(1)先單獨布置各主要房間盤管，再把距分集水器最遠房間的環路用盡量短的管道沿墻接至分集水器。然后依次由遠及近連接各房間環路和分集水器，最后空余面積由近處房間環路管道填補，使近處環路盡量長。

(2)小面積附屬房間如廚房、衛生間等在條件允許的情況下可共用環路，以達到聯合平衡大房間環路管長的目的。大房間之間不要共用環路。

(3)盡量不要為分集水器所在的房間單獨布置環路，用最近房間環路填補此房間的空地面。

另一個解決這一問題的方法是采用具備環路流量調節閥和流量顯示的分集水器（圖3）。雖然這一方法比起上一方法耗能，但這是最容易實現的辦法，和工程適應性比較也是最好的解決方法。圖3為某品牌的成品分集水器，其為各環路配備手動流量調節閥和玻璃管流量計，一看就能領會其使用方法。其缺點是造價高。

對于地面遮擋所引起的低溫熱水地面輻射采暖戶內熱力失調現象，筆者倡導根據房間功能適當調整布置管道的區域。圖4為居住建筑中臥室和客廳的家具布置方式。這種布置方式符合大多數人的使用習慣。圖中虛線內陰影區域是家具覆蓋的的地面，既然是無效的散熱面積，就沒必要浪費這部分管材和流動動力，所以筆者認為，應該避免在陰影區域范圍內布置管道，在陰影以外按比例加密管道以補充散熱量。另外，也可以多種方式告知用戶，盡量采用有支撐腳的家具，減少覆蓋的散熱面積。

圖3 帶分環路流量調節及顯示的分集水器

圖4 某單元式住宅標準層平面圖

3 結語

低溫熱水地面輻射采暖方式在居住建筑中已有運用，但其熱力失調現象往往常被設計者所忽視，因此，這就需要我們的設計人員加強責任意識，盡可能多地了解居住的實際使用狀況，避免熱力失調的產生。

[1]陸耀慶.供熱空調設計手冊（第二版）.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]地面輻射供暖技術規程（JGJ142-2004）[S].