低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)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(yè)大學，黑龍江 哈爾濱　150000；　3.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱　150000)

0　引言

在嚴寒和寒冷地區(qū)，低溫熱水地板輻射供暖系統(tǒng)應用越來越廣，但地板輻射供冷技術發(fā)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(tǒng)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(tǒng)不僅減少設備初投資和運行費用，同時該系統(tǒng)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(fā)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(fā)展前景。

1　低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)的特點

低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)是將加熱管敷設在混凝土填充層內，讓熱(冷)媒在管內循環(huán)流動，通過地板表面溫度的升高或降低來調節(jié)房間溫度的一種供暖供冷方式。這套系統(tǒng)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(yōu)點就是舒適性和節(jié)能性。

1)舒適性。低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)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(guī)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(tǒng)都提高了人的舒適度和滿意度。

2)節(jié)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(tǒng)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(guī)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)可比常規(guī)空調系統(tǒng)節(jié)能28%～40%[3]。

3)壽命長。低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)換熱分析

低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)地板構造如圖1所示,從圖1中不難看出該系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)域：層流區(qū)(Re<2 300)、過渡區(qū)(2 300≤Re≤10 000)、旺盛湍流區(qū)(Re>10 000)，在三個區(qū)域內流體的對流傳熱規(guī)律不同。低溫地板輻射供暖供冷系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)的優(yōu)缺點，根據輻射供暖供冷系統(tǒng)的傳熱過程分析，分別提出了該系統(tǒng)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(tǒng)的換熱計算，對實際工程的設計有一定的指導意義。