太陽輻射及樓板蓄放熱特性綜合影響下地面輻射采暖房間采用室溫控制的意義

孫媛媛

摘要：本文研究了地板采暖房間在太陽輻射、蓄熱等因素綜合影響下的室內(nèi)熱環(huán)境特性，總結(jié)了目前常見的室溫控制措施，提出利用建筑圍護結(jié)構(gòu)本身的蓄熱特性進行室溫控制在工程研究、節(jié)能和應用領(lǐng)域的重要性。

關(guān)鍵詞：地板采暖；蓄熱；太陽輻射；室溫控制

中圖分類號：TU832.16文獻標識碼：A文章編號：1674-3024（2016）13-222-02

引言

我國是一個建筑業(yè)發(fā)展大國，建筑面積逐年快速增長，帶來建筑能耗的快速上升，隨著生活水平不斷升高，采暖能耗所占的比例也越來越大。目前我國住宅較多采用地板采暖，低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)不占用使用面積，具有節(jié)能、環(huán)保、舒適、衛(wèi)生、保健、熱穩(wěn)定性好、無噪聲污染等特點，已逐漸被認可，施工面積逐漸增加。地板采暖目前多以濕式施工方式為主，熱源預埋在混凝土層中，混凝土層較厚且熱容量大，蓄熱作用非常明顯。蓄熱技術(shù)在降低能耗，提高室內(nèi)舒適性以及緩解用電壓力等方面的作用已經(jīng)得到廣泛的認可，國內(nèi)外學者針對建筑圍護結(jié)構(gòu)蓄熱已經(jīng)開展了大量的研究工作，但在實際工程及設(shè)計中的應用及推廣還較少。

利用建筑圍護結(jié)構(gòu)本身進行熱存儲是一種新型的建筑系統(tǒng)，要求利用建筑熱質(zhì)本身的蓄放熱特性進行溫度與能量調(diào)節(jié)，一方面削減能量需求峰值，另一方面減少室內(nèi)熱環(huán)境波動，使得外部氣候的變化不會瞬時傳遞到室內(nèi)，并可以更充分的利用、續(xù)存太陽輻射等自然能源，達到建筑與氣候相互協(xié)調(diào)，相互利用，通過消耗盡量少的資源，給使用者提供更為健康、舒適的生活環(huán)境，同時也節(jié)省了為進行蓄熱而可能占用的建筑空間。為了充分利用太陽輻射以及建筑自身的蓄放熱特性而達到節(jié)能和舒適的作用，采用室溫控制已逐漸成為地板采暖的必要發(fā)展方向，尤其是在推進熱改進程上意義重大。

1.太陽輻射及樓板的蓄放熱特性對地面輻射采暖房間室溫的影響

1.1地面輻射采暖房間樓板的蓄放熱特性

地面輻射采暖系統(tǒng)是以低溫熱水通過埋設(shè)于地面表層下的地熱專用管材把地面加熱，均勻地向室內(nèi)輻射熱量，對房間溫度進行調(diào)節(jié)的采暖方式。地板輻射采暖房間中，熱量主要以輻射的方式傳播，同時伴有對流換熱。輻射采暖房間室內(nèi)溫度通常以黑球溫度衡量，黑球溫度標志著在輻射采暖的環(huán)境中，人或物體受輻射和對流交換綜合作用時，以溫度表現(xiàn)出來的實際感覺。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)將整個地面作為輻射散熱面，通過與其他圍護結(jié)構(gòu)表面進行輻射換熱來提高圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度。地板表面的輻射傳熱將使房間其他表面溫度升高間接影響室溫的變化，而室內(nèi)空氣與各表面間的對流換熱情況則直接影響室內(nèi)溫度。

地面輻射采暖系統(tǒng)的構(gòu)造層是由混凝土等重質(zhì)材料組成，混凝土層具有較大熱容量，蓄熱量大，升溫較慢。如果房間內(nèi)某時間段實際供熱量大于需求熱負荷，多余的熱量可儲存在混凝土蓄熱層（樓板或頂棚）中，待停止供熱或供熱量小于需求熱量時，儲存在蓄熱層中的熱量再以輻射或?qū)α鞯男问结尫懦鰜恚麄€過程地面實際溫度波動幅度不大，且地板裝飾層材料熱阻較大，傳熱緩慢，也使得地表溫度變化幅度進一步減小，室內(nèi)溫度隨之波動也非常緩慢，系統(tǒng)熱穩(wěn)定性好。因此地板采暖系統(tǒng)即使在間歇運行或流量變化情況下，靠其較大的熱容量也可大幅度減少地板表面溫度波動，提高舒適性。

1.2太陽輻射及樓板的蓄放熱特性對室溫的綜合影響

太陽輻射得熱由幾部分組成。第一部分是陽光的透射直接給室內(nèi)形成的一部分得熱，陽光照射到玻璃窗表面后，一部分被反射掉，全部不會成為房間的得熱，一部分直接透過玻璃窗進入室內(nèi)，全部成為房間得熱：第二部分是陽光照射到玻璃表面，有一部分熱量全被玻璃吸收，使玻璃溫度提高，這樣其中一部分將以長波熱輻射和對流方式傳至室內(nèi)，另一部分同樣以長波熱輻射和對流方式散至室外，不會成為房間的得熱。透過玻璃窗的太陽輻射得熱量，也與玻璃窗的材質(zhì)、朝向有關(guān)，并隨建筑物所在地理位置、季節(jié)和每天的具體時刻而變化。

太陽輻射得熱的輻射得熱部分并不直接傳入空氣中，而是通過長波輻射的方式傳遞到各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和家具的外表面提高這些表面的溫度并進行熱量存儲，玻璃窗對長波輻射有阻擋作用，減少了室內(nèi)向外的輻射散熱損失。因此，以輻射換熱方式為主的地板采暖系統(tǒng)中，太陽輻射得熱的大部分熱量被保留在樓板等蓄熱體中，形成了附加的室內(nèi)供熱量，使得在太陽輻射影響下，白天室內(nèi)一段時間內(nèi)得熱量會高于熱源實際供熱量，供熱周期內(nèi)存儲的熱量也會大于間歇時間段內(nèi)釋放的熱量，不僅可以滿足室內(nèi)的熱負荷需求，樓板等蓄熱體還會存在一定溫升，使得有太陽輻射周期內(nèi)，樓板蓄熱體溫度會高于同期無太陽輻射時的溫度，加大地表溫度及波動幅度，室內(nèi)溫度均會隨之升高及波動。若沒有室溫控制及調(diào)整措施，很有可能造成地表溫度和室內(nèi)溫度在一段時間內(nèi)（例如午后）超出舒適性溫度范圍，甚至高于規(guī)范規(guī)定的上限值，不僅不能節(jié)約能源，還導致室內(nèi)環(huán)境不舒適。

2.考慮蓄熱影響的地板采暖房間采用室溫控制的必要性及措施

2.1必要性

根據(jù)前面的闡述，我們可以了解到地面輻射采暖系統(tǒng)中室內(nèi)蓄熱體的蓄放熱特性在提高室內(nèi)熱舒適性以及節(jié)約能源能源方面有非常大的作用，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先當室外溫度高于室外設(shè)計溫度時，如果沒有進行適當?shù)倪\行調(diào)節(jié)，室內(nèi)實際得熱量就會大于瞬時熱負荷，導致室溫升高，室內(nèi)出現(xiàn)過熱，即便通過開窗換氣降溫，也很難緩解室內(nèi)過熱的狀況，同時也會浪費能源。其次，在新建住宅中，南向房間的窗墻比一般較大，使得太陽輻射得熱量增加，室內(nèi)蓄熱體的蓄熱量增加，增加的蓄熱量在放熱階段主要是以長波輻射的形式釋放出來，由于玻璃窗對長波輻射的阻擋作用，這部分熱量便是運行中增加的室內(nèi)得熱量，會使得一段時間內(nèi)室內(nèi)實際得熱量大于熱負荷，也會導致室溫升高、過熱等現(xiàn)象。為了避免在實際運行中出現(xiàn)上述情況，應將如何充分利用蓄熱體的蓄放熱特性進行系統(tǒng)溫度控制視為一個重要的節(jié)能研究、發(fā)展和推廣方向。室溫控制可實現(xiàn)室內(nèi)溫度自由設(shè)定，可分時段進行室內(nèi)溫度控制，能充分利用房間內(nèi)所有物體的蓄放熱量，甚至包括室內(nèi)照明散熱等，當房間實際得熱大于房間所需供熱量時，溫控系統(tǒng)供暖環(huán)路自動關(guān)斷，減少能源浪費，平衡室溫波動。

2.2蓄放熱特性影響下室溫控制措施

過去幾年里，溫控與熱計量事業(yè)發(fā)展很快，熱量的計量與收費已經(jīng)成為了一種必然趨勢，能推進這個進程的重要特征便是住戶可以自主調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度及其對應的供熱量。為了充分利用樓板的蓄熱特性以及更加的節(jié)約能源，采用室溫控制裝置是最合適的方案。目前實際應用中，根據(jù)舒適性及使用要求、場合等的不同，室溫控制有如下幾種常見形式：

（1）簡單的總體控制方式選取典型房間設(shè)置溫度控制器，通過溫度反饋控制安裝于分集水器前部閥門的啟閉，控制整套房屋的溫度，需外接電源。此方式一般用于房間控制溫度要求不高的場所，特別適用于大面積房間需要需要統(tǒng)一控制溫度的場所，投資少，安裝方便：

（2）分環(huán)路控制方式：每個房間單獨設(shè)置溫度控制器，由房間溫度控制器控制分集水器上該房間對應供暖環(huán)路的電動或電熱執(zhí)行器的啟閉，需外接電源，分室溫控是室溫控制中最為靈活的一種控制方式，能個性化的實現(xiàn)分室溫度設(shè)定，可分時段實現(xiàn)不同的溫度需求，調(diào)節(jié)室內(nèi)舒適性，避免造成過熱、過冷或冷熱不均現(xiàn)象。

（3）總控與分環(huán)路綜合控制方式：首先要具有簡單總控方式的配置，用一個溫控器控制多個房間，與分環(huán)路控制不同的是，房間溫度控制器不是直接控制該房間供暖環(huán)路電動或電熱執(zhí)行器，二是通過分配器再控制各個房間的電動或電熱執(zhí)行器，改變各房間對應環(huán)路的水流量，實現(xiàn)各個房間的設(shè)定溫度，需外接電源。該方式適用于面積較大的房間，投資較少，控制精度高，能夠控制幾個環(huán)路同時動作，可以精確的控制每一個房間的溫度。

（4）無線控制利用無線射頻型房間溫度控制器和接收器，通過分集水器處電熱執(zhí)行器對加熱管進行分環(huán)路控制。此種方式適合改造項目以及遠距離控制。

（5）采用自力式溫度控制閥方式：室內(nèi)溫控閥的閥頭作為溫度傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度作為溫控閥的動作信號，傳感器安裝在距地面1.4-1.5m處，加熱管也需嵌墻延伸至此高度。此種控制方式無需外接電源，不耗用電能感應室內(nèi)溫度并控制，獨立性、節(jié)能性好；

綜上所述，地板采暖房間室溫控制方式有很多種，我們實際使用時需根據(jù)投資定位、使用場所、控制及舒適性要求等多方面進行對比分析后進行選擇，使其最大限度的滿足投資少、控制精度高、舒適性高及節(jié)能等效果。

3.結(jié)論

在地面輻射采暖系統(tǒng)中，采用分室溫度控制使得室溫調(diào)節(jié)更加方便，大大提高房間的熱舒適性，減少能源的消耗，便于實現(xiàn)分戶或分室（區(qū)）熱量（費）分攤。由于地板采暖房間有很厚的混凝土填充層等進行蓄熱，因此其室溫控制過程具有很多自身的特點，例如系統(tǒng)有很大的熱情性，控制過程反饋滯后，有時間延遲等，實際運用過程需較傳統(tǒng)控制方式有針對性的進行改進和研究，使得運行更加節(jié)能。

熱量存儲是一種正確平衡能源供需要求的方法，它能夠為社會更有效更環(huán)保的應用能源做出很大貢獻。混凝土等建筑結(jié)構(gòu)通過自身的調(diào)節(jié)作用（蓄、放熱特性），在供暖季節(jié)將多余的熱量（比如白天吸收的太陽能）儲存起來于供暖間歇期釋放，減少室內(nèi)所需供熱量，在供冷季節(jié)夜間氣溫相對較涼爽時蓄存冷量減少白天制冷用空調(diào)負荷。優(yōu)化的建筑圍護結(jié)構(gòu)蓄熱技術(shù)應用可以明顯降低建筑冷、熱負荷，節(jié)省設(shè)備投資及運行費用，在工程應用中的發(fā)展前景十分廣闊。