地面輻射供熱系統(tǒng)在高大空間建筑的可行性分析

李宏毅

(山西省工業(yè)設(shè)備安裝集團(tuán)有限公司，山西太原 030000)

1 概述

低溫?zé)崴孛孑椛涔嵯到y(tǒng)作為北方城市比較普遍的供暖形式，具有舒適、節(jié)能及利于裝修等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效利用各種低品位熱能(如地?zé)崴⒐I(yè)廢熱水等)供熱，有利于能源的綜合利用。近年來(lái)，通過(guò)低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)工程實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)限制系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的問(wèn)題主要表現(xiàn)為大空間建筑低溫過(guò)冷及其余建筑超溫過(guò)熱現(xiàn)象。JGJ 142—2012地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程規(guī)定低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)的供回水溫度均由計(jì)算確定，為了避免水垢對(duì)管路的影響，供水溫度不應(yīng)大于60℃，民用建筑供水溫度宜采用40℃ ～50℃;當(dāng)外網(wǎng)提供的熱媒溫度高于60℃時(shí)，如果采用直連的形式，需通過(guò)在分集水器前設(shè)置混水泵抽取室內(nèi)回水混入供水，以降低供水溫度，保持其溫度不高于設(shè)定值。

對(duì)于與外門相連的高大建筑空間，在功能布局和美觀要求的限制下，低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)成為最佳的供暖方案，而在外門啟閉冷風(fēng)沖擊負(fù)荷等的影響下，設(shè)計(jì)熱負(fù)荷往往較大，在此情況下，本文提出將低溫地板輻射供暖系統(tǒng)與市政供暖系統(tǒng)直接連接，簡(jiǎn)化常規(guī)低溫地面輻射供熱系統(tǒng)，同時(shí)滿足溫度要求。市政供暖系統(tǒng)的供水溫度一般保持在70℃ ～95℃之間，高于熱水地面輻射供暖系統(tǒng)限值，本文從保持較低供水溫度的特點(diǎn)和提高供水溫度上限兩個(gè)方面具體分析論證地面輻射供暖系統(tǒng)在高大空間建筑應(yīng)用的可行性。

2 低供水溫度地面輻射供熱系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 高效節(jié)能

人體實(shí)感溫度是由平均輻射溫度與室內(nèi)空氣溫度雙重作用的結(jié)果，對(duì)于地面輻射采熱系統(tǒng)，在充分考慮舒適的前提下，計(jì)算室內(nèi)溫度時(shí)，一般可比對(duì)流采暖方式低2℃ ～3℃，而室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度每降低1℃可節(jié)能10%左右［1］，同時(shí)，低供水溫度條件下，加熱水消耗的能量少，且輸送過(guò)程中無(wú)效熱損失較少。

2.2 提高人體的熱舒適感

地板輻射采暖在輻射強(qiáng)度和溫度的雙重作用下，室內(nèi)地表面溫度均勻一致，所以由于房間的空氣溫度的空間分布的不均勻性對(duì)人體的舒適感的影響變小，室溫自下而上逐漸遞減，形成正向溫度梯度場(chǎng)，符合中醫(yī)“溫足而涼頂”的理論［2］，因而人的舒適感增強(qiáng)，同時(shí)由于房間的熱量大部分都通過(guò)輻射獲得，因此房間的空氣溫度比傳統(tǒng)的散熱器供暖溫度低，從而房間由于換氣而帶來(lái)的損失較小［3］。

2.3 保證地面溫度的均勻

地面溫度分布均勻程度主要受埋管深度，管間距和布管方式等影響。一般說(shuō)來(lái)，管間距越小、埋深越大，地板表面溫度越均勻［3］。低溫地面輻射供暖系統(tǒng)的加熱管都埋設(shè)在填充層內(nèi)，JGJ 142—2012規(guī)定低溫?zé)崴到y(tǒng)填充層厚度宜取50 mm，最大布管間距是300 mm，是為防止地面溫度不均勻而進(jìn)行的要求，這些在供水溫度較低時(shí)比較容易做到。

2.4 保持較大的熱媒流速

由于加熱盤管的輻射是無(wú)坡度的，JGJ142—2012規(guī)定熱水管道無(wú)坡度輻射時(shí)，管內(nèi)的水流速度不得小于0.25 m/s，其目的是使水流能把空氣裹挾帶走，不讓它浮升積聚形成氣塞，影響系統(tǒng)正常工作。地板輻射采暖的供回水溫差較小，一般不宜大于10℃，傳統(tǒng)的散熱器采暖供回水溫差一般為25℃［4］。如地板輻射采暖系統(tǒng)熱負(fù)荷系數(shù)取0.9，計(jì)算可知，同一采暖系統(tǒng)采用地板輻射供暖的水流量約為傳統(tǒng)散熱器供暖水流量的2.25倍，這樣低溫地板輻射供暖系統(tǒng)可以保持較大的熱媒流速［3］。

2.5 有效防止結(jié)垢

低溫地面輻射采暖系統(tǒng)的運(yùn)行溫度在60℃以下時(shí)，這一水溫不足為水的結(jié)垢點(diǎn)，因此系統(tǒng)不易產(chǎn)生水垢，且系統(tǒng)水是不需要更換的，如果每年更換新水則容易產(chǎn)生水垢，而結(jié)過(guò)垢的水，不易繼續(xù)結(jié)垢。

2.6 熱源選擇靈活

地面輻射供熱的熱水水源溫度不超過(guò)60℃，屬低位熱源，可以綜合利用采暖、空調(diào)回水、余熱熱水進(jìn)行供熱，在有地下熱水資源的區(qū)域，可以直接利用地?zé)崴蚪?jīng)過(guò)處理后的地?zé)崴幔_(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 提高供水溫度上限的可行性分析

3.1 供熱系統(tǒng)壽命

影響塑料加熱管使用壽命的主要因素為系統(tǒng)工作溫度，保持工作壓力不變條件下，隨著管材工作溫度的升高，也將會(huì)影響塑料管的使用壽命。管材長(zhǎng)期工作溫度和使用壽命之間的關(guān)系如表1 所示［5-10］。

表1 管材長(zhǎng)期工作溫度和使用壽命

由表1可以看出，除聚丙烯管和鋁塑復(fù)合管外，地面輻射供暖系統(tǒng)常用管材在70℃ ～95℃之間使用壽命仍可達(dá)到50年，地面輻射供暖系統(tǒng)具備與市政供暖直接相連條件。

3.2 熱舒適感的限值

隨著供水溫度的升高，地面溫度、地面熱流密度及房間溫度都隨之升高，地面一般直接或間接和人體接觸，表面溫度不能太高。限制地表面的平均溫度，主要是出于滿足舒適要求的考慮。根據(jù)行業(yè)相關(guān)技術(shù)資料，在綜合考慮人體舒適和安全角度，對(duì)輻射供暖的輻射體表面溫度及最大散熱量做了具體規(guī)定，結(jié)果如表2所示。

表2 不同環(huán)境條件下最大散熱量

費(fèi)玉敏等［11］介紹了新型低溫?zé)崴椛涔┡孛鏄?gòu)造，建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了地面供暖熱工性能實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論:輻射面溫度及熱流密度隨水溫變化近似呈線性關(guān)系，其中當(dāng)面層為瓷磚時(shí)擬合關(guān)系式為:

當(dāng)供水溫度最高為90℃時(shí)，計(jì)算地面溫度最高為29.62℃，此時(shí)最大散熱量為115.9W/m2，由表2分析可知，符合人員短期停留區(qū)域的環(huán)境條件要求。

3.3 地面溫度均勻性

芮文琴等［12］利用CFD模擬技術(shù)通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)模擬，得出隨著管內(nèi)介質(zhì)流速的增加，房間各個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度增加，室內(nèi)溫度在距地面0.1 m處迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，房間內(nèi)縱向溫差不超過(guò)3℃。流速變化對(duì)室內(nèi)溫度縱向變化和地面溫度場(chǎng)的均勻性的影響不是很大。

提高供水溫度勢(shì)必增加布管間距，通常采用的豆石混凝土填充層的導(dǎo)熱系數(shù)低，若采用更大間距的話，為保證地面溫度均勻需要對(duì)填充層材料進(jìn)行優(yōu)化，如采用新型的導(dǎo)熱系數(shù)更大的填充材料可解決溫度不均的問(wèn)題。

3.4 結(jié)垢和排氣

提高供水溫度，要求加熱盤管中的水流速下降，此時(shí)產(chǎn)生的氣體也將增多，不利于系統(tǒng)內(nèi)空氣的排除;供水溫度上升，由于與市政供暖系統(tǒng)直連，結(jié)垢也將容易發(fā)生，需要做好系統(tǒng)的放氣和排污設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫地面輻射供暖系統(tǒng)在安全可靠的運(yùn)行和相對(duì)節(jié)能的前提下保證了系統(tǒng)的供暖效果。在一些設(shè)計(jì)熱負(fù)荷較大且人員短期停留的特定高大空間建筑場(chǎng)合，將低溫地面輻射供暖系統(tǒng)與集中供暖系統(tǒng)連接的方案就可以滿足供暖要求。通過(guò)對(duì)比分析常規(guī)低溫輻射供暖系統(tǒng)，將低溫地板輻射供暖系統(tǒng)與集中供暖系統(tǒng)直連的方案具有一定的實(shí)用性與便利性。