低温地板辐射供暖供冷系统传热研究★

刘 军 　 田 刚 　 陈志峰 　 苗艳姝

(1.黑龙江工程学院，黑龙江 哈尔滨　150050;　2.哈尔滨商业大学，黑龙江 哈尔滨　150000；　3.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨　150000)

0　引言

在严寒和寒冷地区，低温热水地板辐射供暖系统应用越来越广，但地板辐射供冷技术发展较慢，随着辐射供暖技术的日臻成熟，我国科研人员对地板辐射供冷技术越来越重视，进行了深入的探讨和研究。低温地板辐射供暖供冷系统不仅冬天能供暖，而且夏天还能代替空调实现降温，供暖、空调共用同一套系统不仅减少设备初投资和运行费用，同时该系统也为利用天然冷源提供了条件，可充分利用地表水、冷却塔、蒸发冷却等可再生能源和技术。目前已有一些成功的工程实例，如五棵松体育馆观众休息厅，哈尔滨的辰能溪树庭院等。相信未来低温地板辐射供暖供冷技术会有不错的发展前景。

1　低温地板辐射供暖供冷系统的特点

低温地板辐射供暖供冷系统是将加热管敷设在混凝土填充层内，让热(冷)媒在管内循环流动，通过地板表面温度的升高或降低来调节房间温度的一种供暖供冷方式。这套系统以辐射换热为主，对流换热为辅，所以低温地板辐射供暖供冷最大优点就是舒适性和节能性。

1)舒适性。低温地板辐射供暖供冷系统冬季供暖时，围护结构内表面和室内其他物体表面的温度都比散热器供暖时高，人体的辐射散热损失相应减少，人的实际感觉比相同温度下散热器供暖时更加舒适[1]。供暖时室内温度自下而上逐步升高，给人以“脚暖头凉”的感受。而夏天辐射供冷时正好相反，围护结构内表面温度比常规空调要低，增大了人体辐射散热的比例，通常人感觉更凉爽一些，辐射供热供冷时没有强烈的对流，没有吹冷热风的感觉，而且夏季也没有空调室内机的噪声问题。因此无论冬夏，低温地板辐射供暖供冷系统都提高了人的舒适度和满意度。

2)节能性。在进行房间采暖热负荷计算时，地板辐射供暖室内计算温度可比散热器采暖系统降低2 ℃；在进行房间空调冷负荷计算时，地板辐射供冷室内设计温度可比常规空调提高0.5 ℃～1.5 ℃[2]。研究表明，低温地板辐射供暖供冷系统冬季在辐射强度和温度的综合作用下，热负荷比散热器采暖系统可减少15%左右；而夏天在同等的舒适度条件下，地板辐射供冷系统可比常规空调系统节能28%～40%[3]。

3)寿命长。低温地板辐射供暖供冷系统加热管通常采用PE-RT,PE-X等塑料管，塑料管耐腐蚀、便于施工，管材可回收利用，使用寿命一般都在50年以上。

但是低温地板辐射供暖供冷系统自身也有不可忽视的缺点，由于加热管敷设混凝土填充内，一旦加热管损坏无法维修。而且必须控制好热(冷)媒的供水温度，冬天热水温度过高，会影响加热管的使用寿命和人的舒适性；夏天冷水温度过低，不但会影响人的舒适度，严重时还可能会引起地板结露，因此如何防止地板表面结露问题是辐射供冷技术关键问题之一[4]。

2　低温地板辐射供暖供冷系统换热分析

低温地板辐射供暖供冷系统地板构造如图1所示,从图1中不难看出该系统传热过程包含热传导、对流换热、辐射换热三种方式，是一个比较复杂的传热过程。具体可分为三部分：

1)加热管内的热(冷)媒与管壁的对流换热；

2)加热管管壁与楼板、混凝土填充层、装饰面层等的热传导；

3)装饰面层与房屋内表面、屋内其他物体表面、室内空气的辐射换热和对流换热。

2.1　加热管内的热(冷)媒与管壁的对流换热

低温地板辐射供暖供冷系统加热管内的热(冷)媒与管壁的换热属于管内强迫对流换热。管内强迫对流根据雷诺数的大小分为三个不同的区域：层流区(Re<2 300)、过渡区(2 300≤Re≤10 000)、旺盛湍流区(Re>10 000)，在三个区域内流体的对流传热规律不同。低温地板辐射供暖供冷系统的特征温度通常取其热(冷)媒的平均值。冬季供暖工况时，热水的平均温度一般控制在35 ℃～55 ℃范围内；而夏季供冷工况时，冷冻水的平均温度一般为18 ℃～22 ℃左右。为了获得比较舒适且合理的地板辐射面温度，通常低温地板辐射供暖供冷系统的供、回水温差较小，基本在2 ℃～4 ℃之间。因此，可将加热管壁温简化成常壁温进行处理。低温地板辐射供暖供冷系统加热管通常采用PE-RT塑料管，型号为φ20×2.0，故特征尺寸为加热管内径16 mm。因此加热管内的热(冷)媒与管壁的对流换热量Q1可用式(1)计算：

Q1=αtFtΔt

(1)

其中，αt为加热管内壁处的对流换热系数，W/(m2·K)；Ft为加热管的换热面积，m2；Δt为热(冷)媒与加热管管壁的对数平均温差，℃。

2.2　加热管管壁通过混凝土填充层、装饰面层的导热量

低温地板辐射供暖供冷系统加热管敷设在混凝土填充层内，加热管管壁与装饰面层之间存在温差，因此必然有热量交换，此换热方式为多层平板导热换热，其导热换热量Q2按照式(2)计算：

(2)

其中，tg为加热管的管壁温度，℃；tpj为地板辐射面表面的平均温度，℃；Fm为地板的面积，m2；δi为加热管到装饰面层之间各层材料的厚度，m；λi为加热管到装饰面层之间各层材料的导热系数，W/(m·K)。

2.3　装饰面层与房间的换热

装饰面层与房间的换热分为辐射换热与对流换热两部分，其中辐射换热为主，对流换热为辅。低温地板辐射供暖供冷系统的冬季供暖时，装饰面层温度较高，室内的温度自下而上的逐渐降低，空气的温度越高而密度越小，由此产生的浮升力成为室内空气运动的动力；夏季供冷时，装饰面层温度较低，致使密度较大的冷空气下沉，室内的温度自上而下逐渐降低。装饰面层与房间的辐射换热，主要发生在温度不同且互不接触的物体表面之间，即装饰面层与房间围护结构内表面、人体表面、家具等物体表面之间。装饰面层与房间的换热量Q3按照式(3)计算：

Q3=Qf+Qd

(3)

Qf=5×10-8Fm|(tpj+273)4-(tfj+273)4|

(4)

供暖时：

Qd=2.13Fm(tpj-tn)1.31

(5)

供冷时：

Qd=0.87Fm(tn-tpj)1.25

(6)

其中，Qf为装饰面层辐射换热量，W；Qd为装饰面层对流换热量，W；tfj为室内非加热表面的面积加权平均温度，℃；tn为室内空气温度，℃。

2.4　地板下表面的散热损失

由于加热管内热(冷)媒与下层房间存在较大的温差，即使二者之间存在绝热层，热(冷)媒还会和下层房间进行热量传递。对于下层房间这部分热量可以视为得热量，但对于功能房间而言就是无效热量，即散热损失，散热损失包含辐射换热和对流换热两部分，其中辐射换热损失可以用式(4)进行计算；对流换热损失可按式(7)和式(8)计算：

供暖时：

Qd,下=0.134Fm(tpj,下-tn)1.25

(7)

供冷时：

Qd,下=2.13Fm(tn-tpj,下)1.31

(8)

其中，Qd,下为地板下表面对流换热损失，W；tpj,下为地板下表面的平均温度，℃。

3　结语

简要叙述了低温地板辐射供暖供冷系统的优缺点，根据辐射供暖供冷系统的传热过程分析，分别提出了该系统在不同工况(供暖/供冷)下换热的计算公式，不仅有向功能房间传递有效热量的计算公式，而且也给出了热损失(向下层房间传热)的计算方法。该方法可以很方便地应用于低温地板辐射供暖供冷系统的换热计算，对实际工程的设计有一定的指导意义。