低溫地板輻射供暖供冷系統傳熱研究★

劉 軍 　 田 剛 　 陳志峰 　 苗艷姝

(1.黑龍江工程學院，黑龍江 哈爾濱　150050;　2.哈爾濱商業大學，黑龍江 哈爾濱　150000；　3.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱　150000)

0　引言

在嚴寒和寒冷地區，低溫熱水地板輻射供暖系統應用越來越廣，但地板輻射供冷技術發展較慢，隨著輻射供暖技術的日臻成熟，我國科研人員對地板輻射供冷技術越來越重視，進行了深入的探討和研究。低溫地板輻射供暖供冷系統不僅冬天能供暖，而且夏天還能代替空調實現降溫，供暖、空調共用同一套系統不僅減少設備初投資和運行費用，同時該系統也為利用天然冷源提供了條件，可充分利用地表水、冷卻塔、蒸發冷卻等可再生能源和技術。目前已有一些成功的工程實例，如五棵松體育館觀眾休息廳，哈爾濱的辰能溪樹庭院等。相信未來低溫地板輻射供暖供冷技術會有不錯的發展前景。

1　低溫地板輻射供暖供冷系統的特點

低溫地板輻射供暖供冷系統是將加熱管敷設在混凝土填充層內，讓熱(冷)媒在管內循環流動，通過地板表面溫度的升高或降低來調節房間溫度的一種供暖供冷方式。這套系統以輻射換熱為主，對流換熱為輔，所以低溫地板輻射供暖供冷最大優點就是舒適性和節能性。

1)舒適性。低溫地板輻射供暖供冷系統冬季供暖時，圍護結構內表面和室內其他物體表面的溫度都比散熱器供暖時高，人體的輻射散熱損失相應減少，人的實際感覺比相同溫度下散熱器供暖時更加舒適[1]。供暖時室內溫度自下而上逐步升高，給人以“腳暖頭涼”的感受。而夏天輻射供冷時正好相反，圍護結構內表面溫度比常規空調要低，增大了人體輻射散熱的比例，通常人感覺更涼爽一些，輻射供熱供冷時沒有強烈的對流，沒有吹冷熱風的感覺，而且夏季也沒有空調室內機的噪聲問題。因此無論冬夏，低溫地板輻射供暖供冷系統都提高了人的舒適度和滿意度。

2)節能性。在進行房間采暖熱負荷計算時，地板輻射供暖室內計算溫度可比散熱器采暖系統降低2 ℃；在進行房間空調冷負荷計算時，地板輻射供冷室內設計溫度可比常規空調提高0.5 ℃～1.5 ℃[2]。研究表明，低溫地板輻射供暖供冷系統冬季在輻射強度和溫度的綜合作用下，熱負荷比散熱器采暖系統可減少15%左右；而夏天在同等的舒適度條件下，地板輻射供冷系統可比常規空調系統節能28%～40%[3]。

3)壽命長。低溫地板輻射供暖供冷系統加熱管通常采用PE-RT,PE-X等塑料管，塑料管耐腐蝕、便于施工，管材可回收利用，使用壽命一般都在50年以上。

但是低溫地板輻射供暖供冷系統自身也有不可忽視的缺點，由于加熱管敷設混凝土填充內，一旦加熱管損壞無法維修。而且必須控制好熱(冷)媒的供水溫度，冬天熱水溫度過高，會影響加熱管的使用壽命和人的舒適性；夏天冷水溫度過低，不但會影響人的舒適度，嚴重時還可能會引起地板結露，因此如何防止地板表面結露問題是輻射供冷技術關鍵問題之一[4]。

2　低溫地板輻射供暖供冷系統換熱分析

低溫地板輻射供暖供冷系統地板構造如圖1所示,從圖1中不難看出該系統傳熱過程包含熱傳導、對流換熱、輻射換熱三種方式，是一個比較復雜的傳熱過程。具體可分為三部分：

1)加熱管內的熱(冷)媒與管壁的對流換熱；

2)加熱管管壁與樓板、混凝土填充層、裝飾面層等的熱傳導；

3)裝飾面層與房屋內表面、屋內其他物體表面、室內空氣的輻射換熱和對流換熱。

2.1　加熱管內的熱(冷)媒與管壁的對流換熱

低溫地板輻射供暖供冷系統加熱管內的熱(冷)媒與管壁的換熱屬于管內強迫對流換熱。管內強迫對流根據雷諾數的大小分為三個不同的區域：層流區(Re<2 300)、過渡區(2 300≤Re≤10 000)、旺盛湍流區(Re>10 000)，在三個區域內流體的對流傳熱規律不同。低溫地板輻射供暖供冷系統的特征溫度通常取其熱(冷)媒的平均值。冬季供暖工況時，熱水的平均溫度一般控制在35 ℃～55 ℃范圍內；而夏季供冷工況時，冷凍水的平均溫度一般為18 ℃～22 ℃左右。為了獲得比較舒適且合理的地板輻射面溫度，通常低溫地板輻射供暖供冷系統的供、回水溫差較小，基本在2 ℃～4 ℃之間。因此，可將加熱管壁溫簡化成常壁溫進行處理。低溫地板輻射供暖供冷系統加熱管通常采用PE-RT塑料管，型號為φ20×2.0，故特征尺寸為加熱管內徑16 mm。因此加熱管內的熱(冷)媒與管壁的對流換熱量Q1可用式(1)計算：

Q1=αtFtΔt

(1)

其中，αt為加熱管內壁處的對流換熱系數，W/(m2·K)；Ft為加熱管的換熱面積，m2；Δt為熱(冷)媒與加熱管管壁的對數平均溫差，℃。

2.2　加熱管管壁通過混凝土填充層、裝飾面層的導熱量

低溫地板輻射供暖供冷系統加熱管敷設在混凝土填充層內，加熱管管壁與裝飾面層之間存在溫差，因此必然有熱量交換，此換熱方式為多層平板導熱換熱，其導熱換熱量Q2按照式(2)計算：

(2)

其中，tg為加熱管的管壁溫度，℃；tpj為地板輻射面表面的平均溫度，℃；Fm為地板的面積，m2；δi為加熱管到裝飾面層之間各層材料的厚度，m；λi為加熱管到裝飾面層之間各層材料的導熱系數，W/(m·K)。

2.3　裝飾面層與房間的換熱

裝飾面層與房間的換熱分為輻射換熱與對流換熱兩部分，其中輻射換熱為主，對流換熱為輔。低溫地板輻射供暖供冷系統的冬季供暖時，裝飾面層溫度較高，室內的溫度自下而上的逐漸降低，空氣的溫度越高而密度越小，由此產生的浮升力成為室內空氣運動的動力；夏季供冷時，裝飾面層溫度較低，致使密度較大的冷空氣下沉，室內的溫度自上而下逐漸降低。裝飾面層與房間的輻射換熱，主要發生在溫度不同且互不接觸的物體表面之間，即裝飾面層與房間圍護結構內表面、人體表面、家具等物體表面之間。裝飾面層與房間的換熱量Q3按照式(3)計算：

Q3=Qf+Qd

(3)

Qf=5×10-8Fm|(tpj+273)4-(tfj+273)4|

(4)

供暖時：

Qd=2.13Fm(tpj-tn)1.31

(5)

供冷時：

Qd=0.87Fm(tn-tpj)1.25

(6)

其中，Qf為裝飾面層輻射換熱量，W；Qd為裝飾面層對流換熱量，W；tfj為室內非加熱表面的面積加權平均溫度，℃；tn為室內空氣溫度，℃。

2.4　地板下表面的散熱損失

由于加熱管內熱(冷)媒與下層房間存在較大的溫差，即使二者之間存在絕熱層，熱(冷)媒還會和下層房間進行熱量傳遞。對于下層房間這部分熱量可以視為得熱量，但對于功能房間而言就是無效熱量，即散熱損失，散熱損失包含輻射換熱和對流換熱兩部分，其中輻射換熱損失可以用式(4)進行計算；對流換熱損失可按式(7)和式(8)計算：

供暖時：

Qd,下=0.134Fm(tpj,下-tn)1.25

(7)

供冷時：

Qd,下=2.13Fm(tn-tpj,下)1.31

(8)

其中，Qd,下為地板下表面對流換熱損失，W；tpj,下為地板下表面的平均溫度，℃。

3　結語

簡要敘述了低溫地板輻射供暖供冷系統的優缺點，根據輻射供暖供冷系統的傳熱過程分析，分別提出了該系統在不同工況(供暖/供冷)下換熱的計算公式，不僅有向功能房間傳遞有效熱量的計算公式，而且也給出了熱損失(向下層房間傳熱)的計算方法。該方法可以很方便地應用于低溫地板輻射供暖供冷系統的換熱計算，對實際工程的設計有一定的指導意義。