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(hù)結(jié)構(gòu)本身的蓄熱特性進(jìn)行室溫控制在工程研究、節(jié)能和應(yīng)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(hào)：TU832.16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-3024（2016）13-222-02

引言

我國是一個(gè)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?zé)崴孛孑椛涔┡到y(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(diǎn)，已逐漸被認(rèn)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(yù)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(rèn)可，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱已經(jīng)開展了大量的研究工作，但在實(shí)際工程及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及推廣還較少。

利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行熱存儲(chǔ)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(jìn)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(dòng)，使得外部氣候的變化不會(huì)瞬時(shí)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(dá)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(shí)也節(jié)省了為進(jìn)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(dá)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(jìn)熱改進(jìn)程上意義重大。

1.太陽輻射及樓板的蓄放熱特性對(duì)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?zé)崴ㄟ^埋設(shè)于地面表層下的地?zé)釋Ｓ霉懿陌训孛婕訜?，均勻地向室?nèi)輻射熱量，對(duì)房間溫度進(jìn)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(shí)伴有對(duì)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(biāo)志著在輻射采暖的環(huán)境中，人或物體受輻射和對(duì)流交換綜合作用時(shí)，以溫度表現(xiàn)出來的實(shí)際感覺。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)將整個(gè)地面作為輻射散熱面，通過與其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行輻射換熱來提高圍護(hù)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(duì)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(shí)間段實(shí)際供熱量大于需求熱負(fù)荷，多余的熱量可儲(chǔ)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(shí)，儲(chǔ)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€(gè)過程地面實(shí)際溫度波動(dòng)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(jìn)一步減小，室內(nèi)溫度隨之波動(dòng)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(yùn)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(dòng)，提高舒適性。

1.2太陽輻射及樓板的蓄放熱特性對(duì)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(huì)成為房間的得熱，一部分直接透過玻璃窗進(jìn)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(duì)流方式傳至室內(nèi)，另一部分同樣以長波熱輻射和對(duì)流方式散至室外，不會(huì)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(shí)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(hù)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(jìn)行熱量存儲(chǔ)，玻璃窗對(duì)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(shí)間內(nèi)得熱量會(huì)高于熱源實(shí)際供熱量，供熱周期內(nèi)存儲(chǔ)的熱量也會(huì)大于間歇時(shí)間段內(nèi)釋放的熱量，不僅可以滿足室內(nèi)的熱負(fù)荷需求，樓板等蓄熱體還會(huì)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(huì)高于同期無太陽輻射時(shí)的溫度，加大地表溫度及波動(dòng)幅度，室內(nèi)溫度均會(huì)隨之升高及波動(dòng)。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(shí)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(dǎo)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(gè)方面：首先當(dāng)室外溫度高于室外設(shè)計(jì)溫度時(shí)，如果沒有進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行調(diào)節(jié)，室內(nèi)實(shí)際得熱量就會(huì)大于瞬時(shí)熱負(fù)荷，導(dǎo)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(shí)也會(huì)浪費(fèi)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(duì)長波輻射的阻擋作用，這部分熱量便是運(yùn)行中增加的室內(nèi)得熱量，會(huì)使得一段時(shí)間內(nèi)室內(nèi)實(shí)際得熱量大于熱負(fù)荷，也會(huì)導(dǎo)致室溫升高、過熱等現(xiàn)象。為了避免在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)上述情況，應(yīng)將如何充分利用蓄熱體的蓄放熱特性進(jìn)行系統(tǒng)溫度控制視為一個(gè)重要的節(jié)能研究、發(fā)展和推廣方向。室溫控制可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度自由設(shè)定，可分時(shí)段進(jìn)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(dāng)房間實(shí)際得熱大于房間所需供熱量時(shí)，溫控系統(tǒng)供暖環(huán)路自動(dòng)關(guān)斷，減少能源浪費(fèi)，平衡室溫波動(dòng)。

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(jì)量事業(yè)發(fā)展很快，熱量的計(jì)量與收費(fèi)已經(jīng)成為了一種必然趨勢，能推進(jìn)這個(gè)進(jìn)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(duì)應(yīng)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(shí)際應(yīng)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(gè)房間單獨(dú)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(duì)應(yīng)供暖環(huán)路的電動(dòng)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(gè)性化的實(shí)現(xiàn)分室溫度設(shè)定，可分時(shí)段實(shí)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(gè)溫控器控制多個(gè)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(dòng)或電熱執(zhí)行器，二是通過分配器再控制各個(gè)房間的電動(dòng)或電熱執(zhí)行器，改變各房間對(duì)應(yīng)環(huán)路的水流量，實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(gè)環(huán)路同時(shí)動(dòng)作，可以精確的控制每一個(gè)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(duì)加熱管進(jìn)行分環(huán)路控制。此種方式適合改造項(xiàng)目以及遠(yuǎn)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(dòng)作信號(hào)，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(yīng)室內(nèi)溫度并控制，獨(dú)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(shí)際使用時(shí)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(jìn)行對(duì)比分析后進(jìn)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(shí)現(xiàn)分戶或分室（區(qū)）熱量（費(fèi)）分?jǐn)?。由于地板采暖房間有很厚的混凝土填充層等進(jìn)行蓄熱，因此其室溫控制過程具有很多自身的特點(diǎn)，例如系統(tǒng)有很大的熱情性，控制過程反饋滯后，有時(shí)間延遲等，實(shí)際運(yùn)用過程需較傳統(tǒng)控制方式有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)和研究，使得運(yùn)行更加節(jié)能。

熱量存儲(chǔ)是一種正確平衡能源供需要求的方法，它能夠?yàn)樯鐣?huì)更有效更環(huán)保的應(yīng)用能源做出很大貢獻(xiàn)。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(chǔ)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(duì)較涼爽時(shí)蓄存冷量減少白天制冷用空調(diào)負(fù)荷。優(yōu)化的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱技術(shù)應(yīng)用可以明顯降低建筑冷、熱負(fù)荷，節(jié)省設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用，在工程應(yīng)用中的發(fā)展前景十分廣闊。