地面辐射供热系统在高大空间建筑的可行性分析

李宏毅

(山西省工业设备安装集团有限公司，山西太原 030000)

1 概述

低温热水地面辐射供热系统作为北方城市比较普遍的供暖形式，具有舒适、节能及利于装修等优点，能够有效利用各种低品位热能(如地热水、工业废热水等)供热，有利于能源的综合利用。近年来，通过低温热水地面辐射供暖系统工程实际应用，发现限制系统进一步发展的问题主要表现为大空间建筑低温过冷及其余建筑超温过热现象。JGJ 142—2012地面辐射供暖技术规程规定低温热水地面辐射供暖系统的供回水温度均由计算确定，为了避免水垢对管路的影响，供水温度不应大于60℃，民用建筑供水温度宜采用40℃ ～50℃;当外网提供的热媒温度高于60℃时，如果采用直连的形式，需通过在分集水器前设置混水泵抽取室内回水混入供水，以降低供水温度，保持其温度不高于设定值。

对于与外门相连的高大建筑空间，在功能布局和美观要求的限制下，低温热水地面辐射供暖系统成为最佳的供暖方案，而在外门启闭冷风冲击负荷等的影响下，设计热负荷往往较大，在此情况下，本文提出将低温地板辐射供暖系统与市政供暖系统直接连接，简化常规低温地面辐射供热系统，同时满足温度要求。市政供暖系统的供水温度一般保持在70℃ ～95℃之间，高于热水地面辐射供暖系统限值，本文从保持较低供水温度的特点和提高供水温度上限两个方面具体分析论证地面辐射供暖系统在高大空间建筑应用的可行性。

2 低供水温度地面辐射供热系统特点

2.1 高效节能

人体实感温度是由平均辐射温度与室内空气温度双重作用的结果，对于地面辐射采热系统，在充分考虑舒适的前提下，计算室内温度时，一般可比对流采暖方式低2℃ ～3℃，而室内设计温度每降低1℃可节能10%左右［1］，同时，低供水温度条件下，加热水消耗的能量少，且输送过程中无效热损失较少。

2.2 提高人体的热舒适感

地板辐射采暖在辐射强度和温度的双重作用下，室内地表面温度均匀一致，所以由于房间的空气温度的空间分布的不均匀性对人体的舒适感的影响变小，室温自下而上逐渐递减，形成正向温度梯度场，符合中医“温足而凉顶”的理论［2］，因而人的舒适感增强，同时由于房间的热量大部分都通过辐射获得，因此房间的空气温度比传统的散热器供暖温度低，从而房间由于换气而带来的损失较小［3］。

2.3 保证地面温度的均匀

地面温度分布均匀程度主要受埋管深度，管间距和布管方式等影响。一般说来，管间距越小、埋深越大，地板表面温度越均匀［3］。低温地面辐射供暖系统的加热管都埋设在填充层内，JGJ 142—2012规定低温热水系统填充层厚度宜取50 mm，最大布管间距是300 mm，是为防止地面温度不均匀而进行的要求，这些在供水温度较低时比较容易做到。

2.4 保持较大的热媒流速

由于加热盘管的辐射是无坡度的，JGJ142—2012规定热水管道无坡度辐射时，管内的水流速度不得小于0.25 m/s，其目的是使水流能把空气裹挟带走，不让它浮升积聚形成气塞，影响系统正常工作。地板辐射采暖的供回水温差较小，一般不宜大于10℃，传统的散热器采暖供回水温差一般为25℃［4］。如地板辐射采暖系统热负荷系数取0.9，计算可知，同一采暖系统采用地板辐射供暖的水流量约为传统散热器供暖水流量的2.25倍，这样低温地板辐射供暖系统可以保持较大的热媒流速［3］。

2.5 有效防止结垢

低温地面辐射采暖系统的运行温度在60℃以下时，这一水温不足为水的结垢点，因此系统不易产生水垢，且系统水是不需要更换的，如果每年更换新水则容易产生水垢，而结过垢的水，不易继续结垢。

2.6 热源选择灵活

地面辐射供热的热水水源温度不超过60℃，属低位热源，可以综合利用采暖、空调回水、余热热水进行供热，在有地下热水资源的区域，可以直接利用地热水或经过处理后的地热水供热，达到节能降耗的目的。

3 提高供水温度上限的可行性分析

3.1 供热系统寿命

影响塑料加热管使用寿命的主要因素为系统工作温度，保持工作压力不变条件下，随着管材工作温度的升高，也将会影响塑料管的使用寿命。管材长期工作温度和使用寿命之间的关系如表1 所示［5-10］。

表1 管材长期工作温度和使用寿命

由表1可以看出，除聚丙烯管和铝塑复合管外，地面辐射供暖系统常用管材在70℃ ～95℃之间使用寿命仍可达到50年，地面辐射供暖系统具备与市政供暖直接相连条件。

3.2 热舒适感的限值

随着供水温度的升高，地面温度、地面热流密度及房间温度都随之升高，地面一般直接或间接和人体接触，表面温度不能太高。限制地表面的平均温度，主要是出于满足舒适要求的考虑。根据行业相关技术资料，在综合考虑人体舒适和安全角度，对辐射供暖的辐射体表面温度及最大散热量做了具体规定，结果如表2所示。

表2 不同环境条件下最大散热量

费玉敏等［11］介绍了新型低温热水辐射供暖地面构造，建立了实验系统并进行了地面供暖热工性能实验研究，得出结论:辐射面温度及热流密度随水温变化近似呈线性关系，其中当面层为瓷砖时拟合关系式为:

当供水温度最高为90℃时，计算地面温度最高为29.62℃，此时最大散热量为115.9W/m2，由表2分析可知，符合人员短期停留区域的环境条件要求。

3.3 地面温度均匀性

芮文琴等［12］利用CFD模拟技术通过对不同参数下的温度场模拟，得出随着管内介质流速的增加，房间各个区域内的温度增加，室内温度在距地面0.1 m处迅速达到稳定状态，达到稳定状态后，房间内纵向温差不超过3℃。流速变化对室内温度纵向变化和地面温度场的均匀性的影响不是很大。

提高供水温度势必增加布管间距，通常采用的豆石混凝土填充层的导热系数低，若采用更大间距的话，为保证地面温度均匀需要对填充层材料进行优化，如采用新型的导热系数更大的填充材料可解决温度不均的问题。

3.4 结垢和排气

提高供水温度，要求加热盘管中的水流速下降，此时产生的气体也将增多，不利于系统内空气的排除;供水温度上升，由于与市政供暖系统直连，结垢也将容易发生，需要做好系统的放气和排污设计。

4 结语

低温地面辐射供暖系统在安全可靠的运行和相对节能的前提下保证了系统的供暖效果。在一些设计热负荷较大且人员短期停留的特定高大空间建筑场合，将低温地面辐射供暖系统与集中供暖系统连接的方案就可以满足供暖要求。通过对比分析常规低温辐射供暖系统，将低温地板辐射供暖系统与集中供暖系统直连的方案具有一定的实用性与便利性。