輻射供暖系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間對(duì)比分析

陳金華 黃敏 姜冬 高崇

1 重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2 低碳綠色建筑國(guó)際聯(lián)合研究中心

0 引言

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡绞皆谏鲜兰o(jì)二三十年代就已經(jīng)在國(guó)外開始得到應(yīng)用，國(guó)內(nèi)在近一二十年也開始了其應(yīng)用研究。從系統(tǒng)舒適度和節(jié)能性來(lái)說(shuō)，低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)[1-2]，但同時(shí)也存在響應(yīng)慢，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)作為一種新型低溫?zé)崴椛涔┡问?，具有舒適度高、安靜、衛(wèi)生安全、節(jié)能、蓄熱能力較強(qiáng)、節(jié)省建筑空間、布置靈活、可利用低品位能源等諸多優(yōu)勢(shì)，特別是在節(jié)能方面有顯著優(yōu)勢(shì)[3]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)舒適性及節(jié)能性研究較多[4-8]，但對(duì)其響應(yīng)時(shí)間研究較少，且現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究均是通過(guò)模擬與理論計(jì)算兩種輻射系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)從室內(nèi)溫度和輻射表面溫度兩方面對(duì)兩種供暖末端溫升情況進(jìn)行直接對(duì)比分析。本文對(duì)30 ℃，35 ℃，40 ℃三種不同供水溫度，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種不同流量下常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)研究，著重從輻射表面溫度的變化情況和室內(nèi)空氣溫度的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，為分析輻射供暖間歇運(yùn)行及應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)房間介紹

本實(shí)驗(yàn)在重慶大學(xué)輻射供暖實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)對(duì)象如圖1 所示兩間相同房間，房間1 和房間2。每個(gè)房間面積為21 m2，房間尺寸為6000 mm×3500 mm×2700 mm（長(zhǎng)×寬×高），門尺寸800 mm×2100 mm（寬×高），外窗尺寸2700 mm×2000 mm（寬×高）。窗戶為鋁合金單層窗，玻璃厚度為6 mm，內(nèi)敷設(shè)藍(lán)色厚窗簾。建筑外墻為240 mm 的實(shí)心磚墻（未做保溫），內(nèi)墻為200 mm 厚的實(shí)心磚墻。

圖1 實(shí)驗(yàn)房間平面圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)冷熱源采用空氣源熱泵機(jī)組作為熱源，通過(guò)中間換熱水箱調(diào)節(jié)供水溫度，供給輻射末端。原理圖如圖2 所示。

圖2 冷熱源原理圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)┒?/p>

房間1 地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，輻射面積為10.5 m2。房間2 地面敷設(shè)常規(guī)地盤管，輻射面積為21 m2，裝飾層均為木地板。以水為傳熱介質(zhì)，毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)液體流動(dòng)速度在0.05～0.2 m/s 之間，常規(guī)地暖根據(jù)規(guī)程[9]加熱供冷管和輸配管流速不宜小于0.25 m/s。根據(jù)工程常用管材，毛細(xì)管網(wǎng)采用PP-R 管為原料，外徑為5.0 mm（壁厚0.9mm），規(guī)格為1000×3000 mm，間距為20 mm。常規(guī)地暖采用PEXa 耐熱聚乙烯管，盤管管徑為φ20，壁厚為2.0 mm，間距為300 mm。地面毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)和常規(guī)地暖的敷設(shè)結(jié)構(gòu)如圖3～4 所示。

圖3 地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖

圖4 常規(guī)地暖構(gòu)造示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2017 年12 月23 號(hào)至2018 年1 月1號(hào)，早上9:00-下午17:00 進(jìn)行兩個(gè)房間的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)期間室外天氣相似，室外溫度從9 ℃到12 ℃左右。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)供暖時(shí)，供水溫度宜30～40 ℃，供回水溫差宜采用3～6 ℃。因此本實(shí)驗(yàn)測(cè)試在30 ℃，35 ℃，40 ℃三種不同供水溫度下，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種不同流量下地面毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)和常規(guī)地暖系統(tǒng)下測(cè)試室內(nèi)外溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)地面溫度等參數(shù)，分析空氣溫度和輻射供暖表面的溫度變化情況以及達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)房間相鄰房間均為供暖房間，實(shí)驗(yàn)人員1人。測(cè)點(diǎn)按照文獻(xiàn)[10]相關(guān)規(guī)定布置，具體見圖5。測(cè)試時(shí)間間隔均為10 min 一次，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖5 地面表面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

1）地面分別布置a、b、c、d、e 5 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。輻射表面溫度取值為6 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的平均值。

2）空間測(cè)點(diǎn)在a、b、c、d、e 5 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位置，距地0.1 m（腳踝），0.6 m（膝蓋），1.1 m（坐姿頭頂），1.7 m（站姿頭頂），2.5 m（房間上部）處布置溫度測(cè)點(diǎn)，故空間共布有25 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。室內(nèi)空氣溫度取值為25 個(gè)空間測(cè)點(diǎn)溫度的平均值。

1.3.2 測(cè)試儀器

主要儀器設(shè)備如表1 所示：

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 常規(guī)地暖系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

2.1.1 流量對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

響應(yīng)時(shí)間定義為系統(tǒng)由開始到達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度時(shí)所需要的時(shí)間。

當(dāng)供水溫度40 ℃的時(shí)候，輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的溫升情況，如圖6 所示。

圖6 不同流量下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

由圖6 可知，供水溫度為40 ℃時(shí)：流量為0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h輻射表面溫度分別在6.2 h，6.5 h，8.3 h 后達(dá)到21 ℃，室內(nèi)空氣溫度分別在5 h，6.2 h 后達(dá)到16 ℃，0.5 m3/h 流量下8.3 h 后僅達(dá)到15.8 ℃。

室內(nèi)溫度達(dá)到房間設(shè)定溫度的響應(yīng)時(shí)間和輻射表面溫度的響應(yīng)時(shí)間均隨著流量的加大而減小，流量越大，變化趨勢(shì)越平緩。熱水在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流體與壁面進(jìn)行換熱，引起壁面法線方向上溫度分布變化，形成溫度梯度，近壁處流體溫度變化顯著區(qū)域?yàn)闊徇吔鐚?。流體的流速增大，流動(dòng)邊界層的厚度減小，熱邊界層厚度減小，從而減小流體與管壁熱阻，增強(qiáng)換熱。但流量增大對(duì)輻射表面的響應(yīng)時(shí)間影響較小，是因?yàn)榈匕寤靥顚虞^厚，管壁與地板傳熱過(guò)程較慢。

2.1.2 供水溫度對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

當(dāng)流量為0.83 m3/h，輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的溫升情況，如圖7 所示。

圖7 不同供水溫度下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

由圖7 可知流量為0.83 m3/h 時(shí)：40 ℃，35 ℃，30 ℃三種供水溫度下，6.6 h 后輻射表面溫度分別為21.6 ℃，20.1 ℃，17.5 ℃，均不滿足要求，室內(nèi)空氣溫度分別為16.7 ℃，16.0 ℃，14.5 ℃。流量一定時(shí)，供水溫度對(duì)常規(guī)地暖系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間影響較大，同時(shí)對(duì)輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的極值有較大的影響。當(dāng)供水溫度為30 ℃時(shí)，室內(nèi)溫度未達(dá)到規(guī)程[9]≥16 ℃的要求。

由于流量保持不變，當(dāng)供水溫度升高后，系統(tǒng)回水溫度也會(huì)相應(yīng)升高，使得系統(tǒng)的供回水平均溫度上升，系統(tǒng)的供熱量隨之增加，從而使室內(nèi)溫升速率增加，同時(shí)與輻射板的換熱也增強(qiáng)，對(duì)輻射表面溫度的影響較大。

2.2 毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

2.2.1 流量對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖8 可知，供水溫度為40 ℃時(shí)：0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種流量下，輻射表面溫度均在3.50 h、2.83 h、3.16 h 達(dá)到25.0 ℃，極值為27.3 ℃。室內(nèi)空氣溫度分別在3.3 h，3.0 h，3.75 h 后達(dá)到16.0 ℃，值分別為18.3 ℃，18.2 ℃，17.5 ℃。由于地板回填層較厚，管壁與地板換熱過(guò)程中較慢，流量增大，輻射表面溫度的響應(yīng)時(shí)間減少，但是變化緩慢。

圖8 不同流量下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

2.2.2 供水溫度對(duì)響應(yīng)時(shí)間的影響

由圖9 可知，流量0.83 m3/h 時(shí)：40 ℃，35 ℃，30 ℃三種供水溫度下，地板表面溫度分別在3.2 h、5.67 h 達(dá)到25 ℃，30 未達(dá)到25 ℃，極值分別為27 ℃，25 ℃，21.8 ℃，室內(nèi)空氣溫度分別在3.5 h，4.0 h，4.5 h 后達(dá)到16.0 ℃，極值分別為18.3 ℃，17.5 ℃，16.3 ℃。

圖9 不同供水溫度下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

流量一定的時(shí)候，供水溫度對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的輻射表面溫度和房間室內(nèi)溫度的響應(yīng)時(shí)間均有影響，同時(shí)對(duì)輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的極值有較大的影響。這是因?yàn)楣┧疁囟忍岣?，根?jù)傳熱學(xué)公式Q=cm△t，系統(tǒng)散熱量增加，系統(tǒng)向房間傳熱增加，相同室外條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定后溫度極值更高。

2.3 不同供暖末端的響應(yīng)時(shí)間、溫升情況對(duì)比

通過(guò)之前分別對(duì)常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的分析，供水溫度較低的時(shí)候，常規(guī)地暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度未達(dá)到要求且輻射表面溫度較低。故現(xiàn)取40 ℃的供水溫度，流量均為0.83 m3/h 下的相同條件下，對(duì)常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3.1 響應(yīng)時(shí)間

由圖10 可知，根據(jù)規(guī)范[9]，輻射表面溫度設(shè)計(jì)溫度取25 ℃。毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)極值為27.6 ℃，從輻射表面溫度角度分析，響應(yīng)時(shí)間為3.2 h，常規(guī)供暖系統(tǒng)極值為21.6 ℃，未達(dá)到規(guī)范要求。

圖10 不同供暖末端的地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

根據(jù)規(guī)范[9]，室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)溫度取16 ℃。從室內(nèi)溫度角度分析，常規(guī)地暖系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為5.3 h，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)為3.2 h。毛細(xì)管網(wǎng)相比常規(guī)地暖熱響應(yīng)時(shí)間偏短40%。毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度極值為18.3 ℃，而常規(guī)地暖系統(tǒng)極值為16.6 ℃。

毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)相比常規(guī)地暖系統(tǒng)具有熱響應(yīng)時(shí)間短，地面溫度及房間溫度上升快等特點(diǎn)，且輻射表面溫度及室內(nèi)溫度均能較好的滿足規(guī)程要求。毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)在室內(nèi)溫度和輻射表面溫度均滿足規(guī)范要求，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，主要原因是由于毛細(xì)管表面敷設(shè)較厚的回填層導(dǎo)致的。

2.3.2 溫升情況

單位時(shí)間溫升定義為初始值達(dá)到設(shè)定值的差值與時(shí)間之比。

1）供水溫度為40 ℃，不同流量的溫升

由圖11～12 可知，從地板表面溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時(shí)間溫升4 ℃/h，從室內(nèi)空氣溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時(shí)間溫升2.2 ℃/h。

圖11 不同供暖末端在不同流量下地板表面單位時(shí)間溫度變化（℃/h）

圖12 不同供暖末端在不同流量下室內(nèi)空氣單位時(shí)間溫度變化（℃/h）

在一定供水溫度，變流量情況下，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)時(shí)間溫升效果優(yōu)于常規(guī)地暖系統(tǒng)且可達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度。不同流量對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時(shí)間溫升有較大影響，對(duì)常規(guī)地暖系統(tǒng)影響較小。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)地暖系統(tǒng)的管間距較大，改變流量對(duì)其系統(tǒng)的換熱影響較小，但毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的管間距較小，所以換熱能力較強(qiáng)，相比之下改變流量對(duì)其影響較大。

圖13 不同供暖末端在不同供水溫度下地板表面單位時(shí)間溫度變化（℃/h）

圖14 不同供暖末端在不同供水溫度下室內(nèi)空氣單位時(shí)間溫度變化（℃/h）

2）流量為0.7m3/h，不同溫度的溫升

由圖13～14 可知，從地板表面溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位的時(shí)間溫升3.3 ℃/h，從室內(nèi)空氣溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位的時(shí)間溫升為1.35 ℃/h。

在一定流量、變供水溫度的情況下，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)可達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度，且單位時(shí)間溫升效果優(yōu)于常規(guī)地暖系統(tǒng)。當(dāng)供水溫度低于35 ℃時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)和常規(guī)地暖系統(tǒng)溫度上升較慢。

不同供水溫度對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時(shí)間輻射表面溫升有較大影響，室內(nèi)空氣單位溫升影響較小，但是常規(guī)地暖系統(tǒng)影響較小。這是因?yàn)橄嗤块g面積，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)由于管間距較小，管網(wǎng)面積大，因此換熱能力更強(qiáng)，地板表面溫度上升更快。但是室內(nèi)溫度上升受室外溫度影響，當(dāng)室外溫度較低時(shí)，相同條件下室內(nèi)空氣溫度上升較慢。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)兩種不同末端的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行研究，在不同供水溫度，不同流量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1）相同條件下，從輻射表面溫度的角度，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)的溫度極值為27.6 ℃，常規(guī)地暖系統(tǒng)未達(dá)到設(shè)定溫度,溫度極值為21.6 ℃。從室內(nèi)空氣溫度的角度，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)溫度極值為18.3 ℃，常規(guī)地暖系統(tǒng)溫度極值為16.6 ℃，均滿足規(guī)范要求。

2）既有建筑中，若無(wú)法改變輻射供暖末端形式，相比增大供水流量，提高供水溫度更有利于減少響應(yīng)時(shí)間。在新建建筑中，為了提高輻射供暖溫升速率，輻射供暖系統(tǒng)末端形式可采用毛細(xì)管網(wǎng)地板供暖末端。

3）毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)對(duì)供水溫度要求相比常規(guī)地暖較低，相同的條件下，采用較低的供水溫度，且在較快的時(shí)間內(nèi)滿足室內(nèi)舒適性的要求，達(dá)到節(jié)能的目的。

4）一定供水溫度和流量下，毛細(xì)管網(wǎng)相比常規(guī)地暖熱響應(yīng)時(shí)間偏短40%，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)的單位時(shí)間溫升高于常規(guī)地暖系統(tǒng)71%，故在較短時(shí)間內(nèi)，房間及輻射表面溫度可達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，為長(zhǎng)江流域輻射供暖間歇運(yùn)行的可行性提供了依據(jù)。