辐射供暖系统响应时间对比分析

陈金华 黄敏 姜冬 高崇

1 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室

2 低碳绿色建筑国际联合研究中心

0 引言

低温热水地板辐射供暖方式在上世纪二三十年代就已经在国外开始得到应用，国内在近一二十年也开始了其应用研究。从系统舒适度和节能性来说，低温热水地板辐射供暖系统具有一定的优势[1-2]，但同时也存在响应慢，反应时间长等问题。毛细管网辐射供暖系统作为一种新型低温热水辐射供暖形式，具有舒适度高、安静、卫生安全、节能、蓄热能力较强、节省建筑空间、布置灵活、可利用低品位能源等诸多优势，特别是在节能方面有显著优势[3]。

国内外对毛细管网辐射系统舒适性及节能性研究较多[4-8]，但对其响应时间研究较少，且现有的文献研究均是通过模拟与理论计算两种辐射系统的响应时间，并没有通过实验从室内温度和辐射表面温度两方面对两种供暖末端温升情况进行直接对比分析。本文对30 ℃，35 ℃，40 ℃三种不同供水温度，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三种不同流量下常规地暖系统和毛细管网地板辐射系统开展实验研究，着重从辐射表面温度的变化情况和室内空气温度的变化情况进行对比分析，为分析辐射供暖间歇运行及应用提供一定的参考价值。

1 实验

1.1 实验房间介绍

本实验在重庆大学辐射供暖实验台进行。实验对象如图1 所示两间相同房间，房间1 和房间2。每个房间面积为21 m2，房间尺寸为6000 mm×3500 mm×2700 mm（长×宽×高），门尺寸800 mm×2100 mm（宽×高），外窗尺寸2700 mm×2000 mm（宽×高）。窗户为铝合金单层窗，玻璃厚度为6 mm，内敷设蓝色厚窗帘。建筑外墙为240 mm 的实心砖墙（未做保温），内墙为200 mm 厚的实心砖墙。

图1 实验房间平面图

1.2 实验系统

1.2.1 冷热源

实验系统冷热源采用空气源热泵机组作为热源，通过中间换热水箱调节供水温度，供给辐射末端。原理图如图2 所示。

图2 冷热源原理图

1.2.2 实验末端

房间1 地面敷设毛细管网，辐射面积为10.5 m2。房间2 地面敷设常规地盘管，辐射面积为21 m2，装饰层均为木地板。以水为传热介质，毛细管网内液体流动速度在0.05～0.2 m/s 之间，常规地暖根据规程[9]加热供冷管和输配管流速不宜小于0.25 m/s。根据工程常用管材，毛细管网采用PP-R 管为原料，外径为5.0 mm（壁厚0.9mm），规格为1000×3000 mm，间距为20 mm。常规地暖采用PEXa 耐热聚乙烯管，盘管管径为φ20，壁厚为2.0 mm，间距为300 mm。地面毛细管网辐射系统和常规地暖的敷设结构如图3～4 所示。

图3 地面毛细管网构造示意图

图4 常规地暖构造示意图

1.3 实验内容

1.3.1 实验方案

实验时间为2017 年12 月23 号至2018 年1 月1号，早上9:00-下午17:00 进行两个房间的测试，实验期间室外天气相似，室外温度从9 ℃到12 ℃左右。根据文献[4]，毛细管网辐射系统供暖时，供水温度宜30～40 ℃，供回水温差宜采用3～6 ℃。因此本实验测试在30 ℃，35 ℃，40 ℃三种不同供水温度下，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三种不同流量下地面毛细管网辐射系统和常规地暖系统下测试室内外温度与围护结构地面温度等参数，分析空气温度和辐射供暖表面的温度变化情况以及达到稳定所需的时间。实验期间，实验房间相邻房间均为供暖房间，实验人员1人。测点按照文献[10]相关规定布置，具体见图5。测试时间间隔均为10 min 一次，实时监测。

图5 地面表面温度测点布置图

1）地面分别布置a、b、c、d、e 5 个温度测点。辐射表面温度取值为6 个温度测点的平均值。

2）空间测点在a、b、c、d、e 5 个温度测点位置，距地0.1 m（脚踝），0.6 m（膝盖），1.1 m（坐姿头顶），1.7 m（站姿头顶），2.5 m（房间上部）处布置温度测点，故空间共布有25 个温度测点。室内空气温度取值为25 个空间测点温度的平均值。

1.3.2 测试仪器

主要仪器设备如表1 所示：

表1 实验测试仪器

2 实验数据处理及分析

2.1 常规地暖系统响应时间分析

2.1.1 流量对响应时间的影响

响应时间定义为系统由开始到达到室内设计温度时所需要的时间。

当供水温度40 ℃的时候，辐射表面温度和室内温度的温升情况，如图6 所示。

图6 不同流量下地板表面和室内空气温度变化

由图6 可知，供水温度为40 ℃时：流量为0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h辐射表面温度分别在6.2 h，6.5 h，8.3 h 后达到21 ℃，室内空气温度分别在5 h，6.2 h 后达到16 ℃，0.5 m3/h 流量下8.3 h 后仅达到15.8 ℃。

室内温度达到房间设定温度的响应时间和辐射表面温度的响应时间均随着流量的加大而减小，流量越大，变化趋势越平缓。热水在管内流动时，流体与壁面进行换热，引起壁面法线方向上温度分布变化，形成温度梯度，近壁处流体温度变化显著区域为热边界层。流体的流速增大，流动边界层的厚度减小，热边界层厚度减小，从而减小流体与管壁热阻，增强换热。但流量增大对辐射表面的响应时间影响较小，是因为地板回填层较厚，管壁与地板传热过程较慢。

2.1.2 供水温度对响应时间的影响

当流量为0.83 m3/h，辐射表面温度和室内温度的温升情况，如图7 所示。

图7 不同供水温度下地板表面和室内空气温度变化

由图7 可知流量为0.83 m3/h 时：40 ℃，35 ℃，30 ℃三种供水温度下，6.6 h 后辐射表面温度分别为21.6 ℃，20.1 ℃，17.5 ℃，均不满足要求，室内空气温度分别为16.7 ℃，16.0 ℃，14.5 ℃。流量一定时，供水温度对常规地暖系统的响应时间影响较大，同时对辐射表面温度和室内温度的极值有较大的影响。当供水温度为30 ℃时，室内温度未达到规程[9]≥16 ℃的要求。

由于流量保持不变，当供水温度升高后，系统回水温度也会相应升高，使得系统的供回水平均温度上升，系统的供热量随之增加，从而使室内温升速率增加，同时与辐射板的换热也增强，对辐射表面温度的影响较大。

2.2 毛细管网系统响应时间分析

2.2.1 流量对响应时间的影响

由图8 可知，供水温度为40 ℃时：0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三种流量下，辐射表面温度均在3.50 h、2.83 h、3.16 h 达到25.0 ℃，极值为27.3 ℃。室内空气温度分别在3.3 h，3.0 h，3.75 h 后达到16.0 ℃，值分别为18.3 ℃，18.2 ℃，17.5 ℃。由于地板回填层较厚，管壁与地板换热过程中较慢，流量增大，辐射表面温度的响应时间减少，但是变化缓慢。

图8 不同流量下地板表面和室内空气温度变化

2.2.2 供水温度对响应时间的影响

由图9 可知，流量0.83 m3/h 时：40 ℃，35 ℃，30 ℃三种供水温度下，地板表面温度分别在3.2 h、5.67 h 达到25 ℃，30 未达到25 ℃，极值分别为27 ℃，25 ℃，21.8 ℃，室内空气温度分别在3.5 h，4.0 h，4.5 h 后达到16.0 ℃，极值分别为18.3 ℃，17.5 ℃，16.3 ℃。

图9 不同供水温度下地板表面和室内空气温度变化

流量一定的时候，供水温度对毛细管网辐射系统的辐射表面温度和房间室内温度的响应时间均有影响，同时对辐射表面温度和室内温度的极值有较大的影响。这是因为供水温度提高，根据传热学公式Q=cm△t，系统散热量增加，系统向房间传热增加，相同室外条件下，系统稳定后温度极值更高。

2.3 不同供暖末端的响应时间、温升情况对比

通过之前分别对常规地暖系统和毛细管网辐射系统的分析，供水温度较低的时候，常规地暖系统的室内温度未达到要求且辐射表面温度较低。故现取40 ℃的供水温度，流量均为0.83 m3/h 下的相同条件下，对常规地暖系统和毛细管网辐射系统进行对比分析。

2.3.1 响应时间

由图10 可知，根据规范[9]，辐射表面温度设计温度取25 ℃。毛细管网系统极值为27.6 ℃，从辐射表面温度角度分析，响应时间为3.2 h，常规供暖系统极值为21.6 ℃，未达到规范要求。

图10 不同供暖末端的地板表面和室内空气温度变化

根据规范[9]，室内空气设计温度取16 ℃。从室内温度角度分析，常规地暖系统的响应时间为5.3 h，毛细管网系统为3.2 h。毛细管网相比常规地暖热响应时间偏短40%。毛细管网系统室内温度极值为18.3 ℃，而常规地暖系统极值为16.6 ℃。

毛细管网辐射系统相比常规地暖系统具有热响应时间短，地面温度及房间温度上升快等特点，且辐射表面温度及室内温度均能较好的满足规程要求。毛细管网辐射系统在室内温度和辐射表面温度均满足规范要求，但响应时间较长，主要原因是由于毛细管表面敷设较厚的回填层导致的。

2.3.2 温升情况

单位时间温升定义为初始值达到设定值的差值与时间之比。

1）供水温度为40 ℃，不同流量的温升

由图11～12 可知，从地板表面温度角度分析，毛细管网辐射系统单位时间温升4 ℃/h，从室内空气温度角度分析，毛细管网辐射系统单位时间温升2.2 ℃/h。

图11 不同供暖末端在不同流量下地板表面单位时间温度变化（℃/h）

图12 不同供暖末端在不同流量下室内空气单位时间温度变化（℃/h）

在一定供水温度，变流量情况下，毛细管网辐射供暖系统时间温升效果优于常规地暖系统且可达到室内设定温度。不同流量对毛细管网辐射系统单位时间温升有较大影响，对常规地暖系统影响较小。这是因为常规地暖系统的管间距较大，改变流量对其系统的换热影响较小，但毛细管网辐射系统的管间距较小，所以换热能力较强，相比之下改变流量对其影响较大。

图13 不同供暖末端在不同供水温度下地板表面单位时间温度变化（℃/h）

图14 不同供暖末端在不同供水温度下室内空气单位时间温度变化（℃/h）

2）流量为0.7m3/h，不同温度的温升

由图13～14 可知，从地板表面温度角度分析，毛细管网辐射系统单位的时间温升3.3 ℃/h，从室内空气温度角度分析，毛细管网辐射系统单位的时间温升为1.35 ℃/h。

在一定流量、变供水温度的情况下，毛细管网辐射供暖系统可达到室内设定温度，且单位时间温升效果优于常规地暖系统。当供水温度低于35 ℃时，毛细管网辐射供暖系统和常规地暖系统温度上升较慢。

不同供水温度对毛细管网辐射系统单位时间辐射表面温升有较大影响，室内空气单位温升影响较小，但是常规地暖系统影响较小。这是因为相同房间面积，毛细管网系统由于管间距较小，管网面积大，因此换热能力更强，地板表面温度上升更快。但是室内温度上升受室外温度影响，当室外温度较低时，相同条件下室内空气温度上升较慢。

3 结论

本文通过对常规地暖系统和毛细管网辐射供暖系统两种不同末端的低温地板辐射供暖系统进行研究，在不同供水温度，不同流量下进行实验，通过对其响应时间的对比分析，得出以下结论：

1）相同条件下，从辐射表面温度的角度，毛细管网系统的温度极值为27.6 ℃，常规地暖系统未达到设定温度,温度极值为21.6 ℃。从室内空气温度的角度，毛细管网系统温度极值为18.3 ℃，常规地暖系统温度极值为16.6 ℃，均满足规范要求。

2）既有建筑中，若无法改变辐射供暖末端形式，相比增大供水流量，提高供水温度更有利于减少响应时间。在新建建筑中，为了提高辐射供暖温升速率，辐射供暖系统末端形式可采用毛细管网地板供暖末端。

3）毛细管网辐射供暖系统对供水温度要求相比常规地暖较低，相同的条件下，采用较低的供水温度，且在较快的时间内满足室内舒适性的要求，达到节能的目的。

4）一定供水温度和流量下，毛细管网相比常规地暖热响应时间偏短40%，毛细管网系统的单位时间温升高于常规地暖系统71%，故在较短时间内，房间及辐射表面温度可达到设计温度，为长江流域辐射供暖间歇运行的可行性提供了依据。