地板供暖技術研究論文

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摘要就目前地板供暖迅速普及發展中所遇到的幾個重要技術關鍵問題進行初步探討，提出一些解決問題的方法及建議。這些問題包括：地板表面的發熱量計算問題，房間熱負荷問題，填充層的最佳厚度問題，與散熱器不系統共用熱源問題，與地板供暖配套的地面裝修層定型方案以及承壓保溫地面層結構問題。文中還對地板采暖的節能問題進行了初步分析。

關鍵詞地板供暖

一、前言

低溫熱水地板輻射供暖是一種優良的房間加熱方式，在世界各地擁有眾多用戶。至1994年為止，韓國約有85%的住宅建筑裝設了低溫熱水地板輻射供暖系統，這一數字在加拿大為65%，瑞士為48%，德國為41%，法國為20%，日本把低溫熱水地板輻射供暖當成提高人們居住質量的舉措，未設置低溫熱水地板輻射供暖的住宅較難出售地板供暖。在我國北方也已呈迅猛發展之勢。

關于地板供暖的優越性，文獻中已有大量論述。在研究方面，國內外都已做了大量的工作。關于設計也已有了一些地方標準、企業標準，國家標準正在修訂之中。然而，筆者在親身從事的大量工程實踐中，感到目前國內關于這種采暖方式的研究仍然不夠深入，不夠系統，還有一些主要的技術環節理論上不清晰，實踐中缺少可靠依據。反映到目前的一些標準中使人感到還遠遠沒有散熱器采暖那樣成熟。目前在已有的諸多地方標準與企業標準中許多內容是互相照搬，追根溯源，并沒有足夠的研究基礎作為依據。特以此文將這些問題提出來，并提出初步看法，與同行商榷。

二、地板表面的發熱量問題

地板表面的發熱量是設計中最主要的參數之一。對這一問題，國內外都已開展過大量的研究。

然而這些研究仍然顯得不足。有些研究在進行傳熱過程的數值模擬時，反地板表面邊界條件中的對流換熱系數及當量輻射換熱系數取為了定值，而實際上它們是地板表面溫度和室溫的函數。另外許多研究只是針對某一結構進行數值計算或實驗，而實際上種種沒的地板結構有著不同的傳熱性能。

目前諸多地方與企業標準中的地板發熱量計算表格大都源自文獻[1]，據筆者了解，這些表格源自于國外，國內沿沒有人對這些表格的正確性與實用性進行校核與考查。據筆者的有限元分析與計算，認為這些表格存在如下問題：1）實際工程中填充層厚度有爭議，其值人在一個范圍內有所變化，而且有不同管徑的交聯聚乙烯管可以選取，但發熱量卻都用一個表查取，顯然是不確切的；2）表中數據表明，發熱量隨管間距增大而減少，其趨勢是正確的，但減少的幅度不夠，這可能由于填充層選的過厚，數據過于保守造成的；3）標準中只有關于地面散熱量的表格數據，沒有計算公式，當地板結構尺寸與表中規定數據不符時，設計者將無所適從。

地板表面的發熱量q與管徑d、覆蓋層（含水量填充、找平與裝修層）材質與厚度、水溫ts、室溫tf及管間距s等諸多因素有關，即

(1)

式中：δi--地面結構中各層的厚度，λi--地面結構中各層的導熱系數。

筆者已從上式出發，對地板發熱過程中的導熱、對流與輻射問題已經進行了大量的有限元分析與計算，對上式中諸多變量的種種可能組合，計算并得到了大量新的關于地板板體地面散熱量的計算表格以及總結出當量導熱熱阻方面的簡易實驗公式，這些成果容另文介紹。

三、地板加熱負荷的確定問題

一般而言，地板供暖的設計加熱負荷應該根據房間熱負荷得出，后者是根據圍護結構散熱損失計算得出的。然而在設計實踐中仍然遇到一些值得研究解決的問題。

1家具的覆蓋率問題

被貼地家具（如實底床、實底柜等）覆蓋的地板表面，其上部熱阻近乎無窮大，該面積基本上可視為不散熱，設覆蓋率為A，則

（2）

式中：q′--房間熱負荷，

q--地板的設計加熱負荷。

問題是在進行住宅地板供暖設計時無法預知各家各戶覆蓋率為多少，覆蓋的位置在哪里，當不可預知的家具覆蓋率有較大差別時，勢必引起室溫不一致。

地板供暖的一個優點為，可方便的進行單戶、甚至單室調節，同時還可以進行中央調節。若實現了單戶計量按用熱量收費，那么我們可以給地板設計一個大的加熱能力，實際運行時用戶可自行調節，但若仍是按面積收費，則問題就會很大。假如對水溫進行嚴的中央控制，則在照顧大覆蓋率的房間用戶，保證其可達到18℃時，會給覆蓋率小的用戶以超標準用熱的方便條件：若按小覆蓋率的情況控制供水溫度，大覆蓋率房間就達不到規定的室內設計溫度。這個問題，筆者認為應該取下述措施解決。1）應大力推廣單戶按用熱量收費，采用地板供暖時，水系統的平衡條件比散熱器系統好得多；。2）不能單戶計量時，應在發給用戶的地板供暖的使用說明中，對地板面積的覆蓋率加以限定。

2可能的房間過熱或超標準用熱問題

與散熱器采暖不同，較大的地板加熱面積對房間個有巨大的加熱能力。根據對流與輻射的計算，當采暖單位面積熱指標為60w/m2，若地面為大理石，管間距s=300mm，管徑d=16mm，填充層厚δ3=50mm時供回水平均為40℃，室內溫度18℃,單位面積熱指標就可達到84w/m2，超過采暖單位面積熱指標。而且實際上絕大多數采暖熱源，供應更高水溫的水都毫無困難。而且目前在地板供暖的推廣時期，各廠家很少有將管間距安排為300mm的，多為200mm。這樣，地板的發熱能力就遠遠地大于房間熱負荷。水溫高于設計值，房間過熱或超標準用熱的情況屢屢發生。為解決這一問題筆者建議：1）盡量實行單戶計量；2）在運行中加強對水溫的中央控制環節，避免超標準用熱。

四填充層及找平層的厚度問題

由于我國的國家標準還沒有出臺，各地方標準因參考的國外標準不同而對地板板體的結構要求不統一。文獻[1]規定加熱管以上的填充層厚度不應小于30mm，其附表中選取的模型結構為填充層厚度為60mm，而文獻[2]中指出填充層厚度應為30～40mm。從填充層的功能來看，其主要目的是保護加熱盤管、使地板表面溫度均勻、增加熱穩定性等，它的厚度不僅與地板的散熱量有關，而且還直接影響到建筑層高、設計荷載和初投資。其取值應取決于所選管材、管徑及對該問題的經濟分析、技術分析及優化。

五與散熱器采暖水系統共用熱源問題

目前在地板供暖技術的推廣應用中，這是最常遇到的問題，因為地板供暖作為我國一種新興的采暖方式，它常常處于周圍全是散熱器采暖的包圍之中。通常散熱器供水溫度在最冷天需80℃以上，且水系統阻力損失很小，而地板供暖需供水溫低于60℃，有些情況下30～40℃就夠，而其末端阻力可高達3米水柱左右。因此，兩種采暖方式簡單地共用一個水系統是有問題的。

而實際上卻常常提出共用水系統的要求。一方面，房屋開發商希望在散熱器采暖的樓群中劃出一或幾棟樓安裝地板供暖，更有甚者，有的開發商要求在一棟散熱器采暖的樓中，某幾層、甚至幾個房間安裝地板供暖。這種情況有時是由于建筑物補建、擴建造成的，也有時是開發商對較新的事物有個認識過程，非要親自看到效果才肯大面積推廣。另一方面，很少能夠為地板供暖單獨安排低溫熱源，而只能用散熱器采暖的高溫（相對而言）水熱源，例如城市熱網，區域鍋爐房等。面對這種情況，作為工程技術人員，簡單說"不"是不利于新技術推廣的。

應該研究出一系列可靠的辦法解決各種各樣情況下的共用熱源問題。可供考慮的采用單一熱源多參數供熱的辦法有：1）使用換熱器，這是最成熟穩定的辦法，但投資較高；2）使用引射泵混水，這是前蘇聯文獻中介紹的方法，需要有較大的資用壓頭，但地板供暖與散熱器采暖系統并聯時，這一條件常常難以滿足；3）使用附加泵混水，獲得所需的要的水溫與水量；4）串聯法，即散熱器系統回水作地板供暖供水的方法。這是一個很有吸引力的想法，一般散熱器水系統循環泵的壓頭都遠大于循環阻力，在回水干管上加設一個旁通管，即可將回水經旁路引至地板盤管供地板供暖使用，水的溫度及溫降區間采暖高峰期和非高峰期隨著散熱體來看，節省了泵的功率消耗。此種方法需要在兩種系統連接處增設水處理系統，保證整個系統的水質無污染；5）并聯法，當地面裝修材料允許水溫高于60%時，此時可考慮與散熱器采暖水系統簡單并聯。地板盤管當然應將管徑選大一些，單程管長選短一些，使一人環路的水流阻力與散熱器采暖的水流阻力基本相同，達到水力平衡，雖然如此，由于末端阻力仍大于散熱器，地板供暖系統仍將是高水溫、低水量、大溫降運行，與正常設計參數相比，供水溫度高許多，水量小許多，但基本能達到采暖功能。當然，這樣做塑料管材的壽命會受到一定的影響。而且對系統的水質要求同樣較高。

上述方法中，除第2種以外，筆者均已在設計實踐中嘗試使用，并已付諸工程實施。理論上應該是可行的，實際效果方面，有的將在今年的采暖實踐中得到驗證。但筆者認為，地板供暖屬新技術，上述方法無論從理論上還是從實踐角度看都還不夠規范、成熟。有必要組織開發系統、詳細的研究。

六承壓保溫地面結構層的研制問題

地板供暖方式特別適用于博覽會展廳、廠房等大寬度房間。這類房間一般位于底層，地板盤管下部是必須保溫的。但在這種發問下的包括保溫材料在內的地板板體必須有大的承壓能力，能承受汽車、設備等的壓力。這類保溫材料國外已有成熟產品，國內則還沒有研制或引進生產技術。這就需要進行高強度無機非金屬膠凝材料的實驗開發研究，使其技術性能達到干燥收縮度小，無開裂，具有良好的密實性與導熱性能的要求。

七與地板供暖配套的地面裝修層定型方案與產品的研制

地面裝修是受到居民極大關注的重要問題。能否找到可靠的，居民滿意后來居上地板供暖配合的地面裝修方案與產品是地板供暖技術能否大面積推廣的關鍵。不言而喻，地板供暖對地面裝修是有一定的要求的，即能夠承受特定的溫度與濕度狀況下而長時間不變形。目前國外已有專門用于地板供暖的木質地板產品，國內則還沒有，應研究開發與地板供暖配套的地面裝修的若干種定型方案，使居民能夠放心、方便地選擇。這就需要進行在干、濕，急熱、爭冷循環條件下地面裝修材料（木材與石材等）變形與抗熱老化的實驗研究，開發與地板供暖相配套的地面裝修定型方案。

八關于地板供暖的節能問題

文獻中有說地板供暖可比散熱器采暖節能30%，筆者認為這是不確切的。在確定的室內外溫度條件下，采暖耗能主要是由圍護結構的保溫性能決定的，通過圍護結構傳到室外的熱量，無論采用哪種房間加熱方式，這部分能耗都必須被如數補充。

因此可以說，采用哪種房間加熱方式與采暖耗能關系不大。但仔細分析起來，地板供暖與散熱器采暖相比，是可以少量節能的，原因為：1）文獻[3]指出，當室內風速小于0.05m/s時，平均輻射溫度變化1℃與空氣溫度變化1℃對人體熱感覺的影響基本相同，由于地板供暖所產生的平均輻射溫度較高[4]，而且室內沿高度方向上溫度分均勻，溫度梯度小，人處于加熱區內，而散熱器溫度最高區在房間上方，溫度梯度大，當人的感覺溫度相同時，地板輻射供暖房間的室內空氣平均溫度要低于對流采暖房間的空氣溫度，降低房間熱負荷。2）地板輻射供暖采用低溫熱水，而溫度較低的熱水在傳輸過程中比散熱器傳輸時散熱損失小。3）可利用低位能源，如余熱，太陽能等，節約高位能源。4）散熱器置于窗下靠墻，會有一小部分熱量短路至室外，而地板供暖沒有這一弊端。5）當冬季進行通風時，由于室內外溫差較對流系統的溫差小而節約能量。

但需說明的是，地板的加熱能力通常會比房間熱負荷大，若不對房間溫度的嚴格控制措施，則有些用戶可能會超標準用熱而造成額外能耗。

究竟地板供暖比散熱器采暖節能多少，需對上述各項逐項進行仔細的分析。這將涉及房間熱過程的許多方面問題，諸如空氣溫度分布，墻體導熱，散熱器散熱過程等，這方面的研究還不系統完善。

上述問題都是筆者在地板供暖技術推廣實踐中所遇到的實際問題，而且都還沒有真正解決好。筆者希望以此文引發廣大同行進一步的討論與研究，促進地板供暖技術推廣事業健康發展。

參考文獻：

[1]DBJT01-49-00，低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程。

[2]陸耀慶，經濟型地板輻射供暖模式的探討，暖通空調新技術，2000，（2）：94～99。

[3]亢燕銘，沈恒根，徐惠英等，地板輻射供暖的節能效應，暖通空調，2001，31（4）：4～6

[4]AthienitisAK,TYChen,Experimentalandtheoreticalinvestigationoffloorheatingwiththermalstorage.In:ASHRAETrans,1993,99(1).1049～1057