低温热辐射地板研究现状与展望∗

徐 伟 张烁培 吴智慧 詹先旭 陶 鑫 杨 勇

1 低温热辐射地板概述

低温热辐射地板是地板行业研究的热点所在，是当下以节能、环保为主题的应势发展之需。其主要采用低温辐射进行采暖，是国内外普遍认可的理想供暖方式。

低温热辐射是指通过埋于地板下的热源，来加热采暖空间的地板，以整个地板铺设面作为散热面，实现向使用空间散热供暖的一种采暖形式[1]，其原理及散热形式如图1所示。

低温热辐射地板采暖具有以下特点：

地表空间温度呈梯形均匀变化。以整个铺设地面为散热面向外界辐射热量，使得室内空间温度随着高度的增加呈梯度形式自下而上不断递减变化形式呈现下降趋势，地板表层温度稍高，符合温度变化特点。

图1 低温辐射供暖原理及散热形式示意图Fig.1 Schematic diagram of low temperature radiant heating principles and radiating forms

舒适度比较高。按照中医 “热从头生，寒从足入”的理论[2]可知，脚底温暖，更益于健康。人的脚底在达到一定温度时，能促进足部血液循环，从而改善全身血液循环，促进新陈代谢，提高人体免疫力，增强抵抗力，进而使人体舒适度达到最高。同时，低温热辐射地板采暖系统的空间温度变化适宜人体接触，给人以舒适感。

热源选择范围广，减少环境污染。由于低温热辐射采暖系统采用低温热源，故可以有效地利用多种低温热源[3]。如低温锅炉供热、地热、水供热，还可利用空调采暖的回水、发电厂余热、城市供热管网的回水等资源进行供热，减少化石燃料燃烧产物及废弃物对环境的污染。

低温热辐射地板的采暖舒适性愈来愈激发来自国内外各个行业的学者们的研究兴趣。在国内，王艳伟、孙伟圣[4]等人根据发热地板表面实木材料的要求与特点，对其材料进行了研究，并总结出了几种实木材料的改性方式；王艳伟、吴忠其[5]等人又从结构与发热机理、产品特点以及国内外研究进展等方面，介绍了碳纤维电加热地板；董建征[6]通过对温控器工作原理的深入研究，开发了一种新型地板用智能温控装置；陈思婷[7]的实验得出具有相变材料层的电加热地板辐射采暖系统不仅可以延长电热膜寿命，还可实现建筑供暖热舒适及经济节能效果的结论；陈进[8]对以水为媒介的发热地板采暖设计方案改进进行了一系列理论阐述；常缨[9]通过对不同供暖方式的比较分析，得出以电为媒介的发热方式优势更为明显，提倡更为节能的采暖方法；潘彪、石江涛、朱一辛[10]等人研究得出杉木板材的纵横交错层积排列对地板的耐热干缩率和耐湿膨胀率有明显帮助等，对地板面层材料、基层材料的选用方面有一定的指导作用。

在国外，Heba A.L. Maleh 等[11]人研究了太阳能热水地板辐射采暖系统，发现其需要的热水温度低于被动式热空气采暖系统，可充分利用可再生太阳能资源，大幅度减少了建筑物采暖能耗； P.R.Gibbs[12]建立了地板辐射采暖的多房间控制模型，采用3种不同控制方式进行控制，结果表明室外设定控制和脉动控制阀门相结合控制方式效果较好；Jungki Seo和Jisoo Jeon等[13]研究了不同木地板构造对地板辐射采暖系统的热工性能的影响，表明复合木地板因密度高和厚度薄，具有好的导热系数，适用于地板辐射采暖系统的木质使用材料等，为今后辐射采暖系统的细节研究以及系统优化提出了新的思路以及研究方向。

2 低温热辐射地板采暖方式分类

大量研究表明，针对不同形式地板采暖供暖源的研究，主要是根据各国国情，围绕降低能源消耗这一核心目标。为此，出现了多种有关热辐射地板采暖形式的分类方法，最常见的是按照供热方式进行分类，可以分为水暖、电暖两大类。

2.1 以热水为媒介的发热方式

低温热辐射采暖系统由四部分构成，即：热源、分水器、采暖管道和集水器[14]，其发热原理是指：以温度不高于60 ℃的热水为热媒，供水温度不超过辐射表面温度的辐射供暖[15]，热水在加热管内循环流动，以辐射和对流的传热方式向室内供热的供暖方式。地面被加热后，能释放8～13μm的远红外线，对人体产生刺激，使人感到温暖[16]，其连接形式如图2所示。

图2 低温热水供暖结构示意图Fig.2 Schematic diagram of low temperature hot water heating structure

在国内，以水为热源的加热方式，其供应系统按照热的加热方式不同可以分为集中式、电热水器、燃气、燃油热水器、太阳能热水器几大类[17]。韩国、日本、德国、芬兰、意大利、奥地利等国家根据自己国家的国情及地域等特征的不同采用的热水供暖形式也略有不同。

2.2 以电为媒介的发热方式

以电为媒介的发热方式又分为发热电缆辐射供暖和低温电热膜辐射采暖两种形式。

2.2.1 以发热电缆为媒介的辐射供暖

发热电缆地面辐射供暖的方式是以电力为能源，发热电缆为发热体，将电能转化为热能，以采暖房间的铺设面为传热媒介，以低温辐射对流的传热方式向室内供热的一种供暖方式。常用发热电缆分为单芯电缆和双芯电缆[18]，发热电缆由电热线、特氟龙绝缘外套和不锈钢丝编织网保护层三部分组成[19]。电缆发热内芯外包裹的绝缘层，用以对抗电流、电压、电场等对外界的影响，因此在设计发热材料的紧密层积结构时，要有绝缘材料的使用，防止漏电产生危险，如使用耐高温、变形小、抗压性好的聚氨酯树脂材料。

以电缆为媒介的采暖形式采用对流的形式，而研究表明，在对流、传导、辐射三种热量传递方式中人们对低温辐射传热的感觉最好，能给人以舒适的温度体验，其加热连接形式如图3所示。

通过本综述，我们认识到脂肪不只是传统认为的储备器官，也可能是一个启动能量平衡调节的内分泌器官，因此，是否可以将瘦素作为肝病的常规/辅助监测项目，或作为一种治疗药物（治疗肥胖、不育症，抗肿瘤）等仍有待进一步研究。

图3 发热电缆辐射供暖结构示意图Fig.3 Schematic diagram of heating cable radiation heating structure

2.2.2 以电热膜为媒介的辐射供暖

低温辐射电热膜是一种通电后能发热的半透明聚酯薄膜，由可导电的特制油墨、金属载流条经加工、热压在双层绝缘聚酯薄膜间的纯电阻式发热体[20]。

以低温辐射电热膜为发热介质的采暖方式的发热原理是以墙壁、地面或顶棚为嵌入点，利用建筑物的墙壁、地面和屋顶对辐射源发出的红外线进行反射，将热量以辐射的形式送入空间，使人体得到温暖。此种形式并非以空气为加热媒介，而是依靠墙壁、地面、家具等吸收热量，在其温度升高后散发出辐射热，均匀提高室内温度，达到最佳供暖效果。此种连接形式[21]如图4所示。

图4 电热膜辐射供暖系统结构示意图Fig.4 Schematic diagram of electrothermal membrane radiant heating system

此种供暖方式在日本、韩国等国家的需求量日益增加，而我国也由早期的顶棚供暖形式逐渐地转为电热膜采暖形式，并且逐步扩大了其应用范围[22]。

3 低温热辐射地板铺设结构形式

以不同元件为媒介的发热形式对应不同的地板铺设结构，而对不同铺设结构的研究能对发热地板的层积结构形式有一定的指导作用，并对其加工工艺产生一定的影响。

3.1 以热水为媒介的铺设结构

以热水为媒介的铺设方式较为成熟，但消费者对其褒贬不一。任何采暖方式都有一定的限制，有一定的适用范围，热水温度通常不超过50 ℃，否则会影响盘管的使用寿命。此种形式设有填充层，热稳定性较好，散热产热性能较好。为了达到良好的采暖效果，常见的地板结构为混凝土埋管式低温热水辐射地板，其主要构造方式从上到下依次可为：地面层、找平层、填充层、盘管、保温层、防潮层[23]，大致结构如图5所示。

图5 采暖地板结构层构造示意图Fig.5 Schematic diagram of construction of heating floor structure

3.2 以发热电缆为媒介的铺设结构

在铺设时，首先根据设计方案采用的发热功率，确定电缆的规格尺寸，进一步确定电缆铺设间距，继而根据单位面积的实际发热效能，选择一定规格的温度控制装置[24]，此种方式解决了传统暖水管道供暖的维修难、寿命短等缺陷，不仅缩短了施工工期，更降低了工程成本。

根据此种发热方式的优缺点，确定了发热电缆低温辐射供暖技术的构造作法，从下至上可以大致铺设为: 地面混凝土找平层、聚苯板绝热、铝箔热反射层、固定钢丝网、尼龙带绑扎固定发热电缆、混凝土覆盖层和墙面温度控制器[25]，如图6所示。

3.3 以电热膜为媒介的铺设结构

图6 发热电缆地面辐射供暖结构图Fig.6 Structure diagram of heating cable radiant floor heating

图7 电热膜辐射地板楼板构造示意图Fig.7 Schematic diagram of the electrothermal radiant floor construction

对比三种形式的发热、产热的优缺点，电热膜材料的使用发热效果相对较好，其热的转化率较高，安全性高。相对于电热膜的使用，碳纤维发热材料具有多种优良特性，其主要表现在：轴向强度和模量高，密度低、比强度高，耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，导电导热性能好，热膨胀系数小且具各向异性，是发热地板核心材料的首选。

4 低温热辐射地板展望

笔者通过对低温热辐射地板采暖结构及其铺装特点现状进行论述，对发热地板结构形式的创新具有一定的借鉴意义。地板的铺装核心在于发热原件，这也是发热地板结构的核心所在，采用碳纤维发热材料，能更好地保证热量的传递形式，并且能有效地转化热能。

而为了保证电能等能源能最大化转化为热能，提高能量的利用效率，地板产品不仅具有发热性能，还应有保温隔热的性能。对于保温材料的选择，通常选用保温性能好的反射膜，阻隔能量向下传递，进一步降低能量损失，反射层设在发热层与保温层之间[26]，这与铺设地板时的保温层具有异曲同工之效。

在铺设地板时，在基材层与发热层之间会设置找平层。对于面型构件而言，不需要相应的层面，但要求面型构件具有较好的表面平整度，故在制备成品地板时对压力的均匀性及材料的平整性提出一定要求，通常选用实木复合材料或者重组木等性能较好的实木材料。

在材料的主层结构初步确定后，外包装结构也应该进行优质选择，以吸引消费者目光，即设置地板表面装饰材料层。木材的装饰类型有刨切薄木或者油漆等，而油漆在低湿度，超室温条件下，可能产生龟裂等缺陷，拟采用科技木等刨切薄木装饰，其优点为纹理优美、能避免原木材料的缺陷，是装饰材料层的较优选择。

根据地板自身特性，双面都会设置基材，通常情况下，表面与底面会使用同种材料，以保证地板的功能特性。根据应力平衡原则以及结构对称原则，会在基材底部设置平衡层，防止地板在使用过程中产生一定缺陷，对后期地板的使用有不良影响。

通过以上概述，得出的发热地板可能存在的结构形式，从底层到面层为：平衡层、基层、绝缘层、保温层、发热层、绝缘层、面层和装饰面层，成品结构形式如图8所示。

图8 发热木地板结构示意图Fig.8 Schematic diagram of the heating wood floor structure

5 结语

1）笔者总结归纳了低温辐射采暖地板发热方式及其结构形式的研究现状；

2）通过对辐射地板铺设结构形式的研究，对发热地板的结构形式进行创新，希望对发热地板结构的进一步研究有一定的指导作用。

随着人们对生活品质的追求不断提高，对舒适度的要求亦愈加强烈，室内外的方便舒适遍及衣食住行各个方面，地板是舒适度的小部分构成，希望通过新型发热地板结构的研究，能在节约能源及优化结构等方面产生一定影响，促进发热地板行业的进一步发展。

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