地板表面发射率对地暖性能的影响

邹锐婷 吴会军、2 刘彦辰 杨文兵 王宇轩

1 广州大学土木工程学院2 广州大学建筑节能研究院

0 引言

地板供暖系统具有节能、舒适、节约空间等优势，成为越来越多建筑中供热末端的重要手段，而且随着低温供热方式的发展，地板辐射供暖已普遍成为被人们广为接受的适宜供热末端解决方案，不仅应用于住宅，而且还应用于非住宅建筑，如商业建筑、教育设施，甚至大型建筑物，如机场航站楼。在地板供暖过程中，建筑表面（墙体、地板等）的发射率是影响供热量和热舒适度的重要参数。

赵玉倩[1]研究了局部铺设热水盘管的墙体的表面发射率对室内空气温度的影响，发现了在同一高度上，增大墙体表面发射率能提高空气温度。卢素梅和孟庆林[2-3]研究了围护结构墙体内表面的发射率对室内热舒适的影响，发现降低围护结构内表面辐射率能有效降低室外对室内的净辐射换热量，冬季可以提高平均辐射温度，夏季则可以降低平均辐射温度。Jelle等[4]、H uge[5]分别研究了不同发射率材料在建筑内表面的应用发现减小围护结构内表面发射率能降低室内外换热量，进而提高室内热环境的舒适度。刘磊[6]研究了围护结构内表面的发射率建筑采暖能耗的影响，发现在相同舒适性条件下采用内表面发射率低的围护结构，可减少采暖能耗。

从相关文献可以发现，作为被动受热空间，降低围护结构内表面的发射率（墙体表面，非供暖表面）能减少室内外的辐射热损失，减少供暖能耗，提高环境热舒适度。而对于地板采暖，地板表面作为供暖面，其表面发射率对供暖性能的影响规律与非供暖墙体表面不同。本研究分别采用石墨烯涂料和银粉漆对地板表面进行改性，制备具有不同表面高发射率的地板，研究地板表面发射率对地板表面温度、供热量等供暖性能的影响规律。

1 表面发射率不同的地板供暖性能的实验测试

1.1 地板表面发射率的改性

1）将釉面瓷质砖（福建豪华实业有限公司，厚度10 mm）裁成200 mm×2 00 mm，磨平周围毛边，擦拭干净后放入电热鼓风干燥箱，在 60±5 ℃条件下去除釉面瓷质砖因自身吸湿所带水分。

2）使用T1000 电子秤（精度：± 0 .1 g）称取5 g 石墨烯高发射率涂料（苏州碳丰石墨烯科技有限公司），采用 OTS-950 无水无油空气压缩机加压下通过喷枪喷涂于干燥后的釉面瓷质砖表面，再放入电热鼓风干燥箱内，在 40±5 ℃条件下干燥，制成高发射率表面地砖（编号HE）。以相同方法对瓷砖表面喷涂银粉漆（深圳市华尔康涂料科技有限公司）后再干燥，制成低发射率表面地砖（编号LE）。最后瓷砖不做任何表面处理，干燥后做空白对比样。

1.2 地砖物性参数测试

1）密度测定

采用电子秤及游标卡尺测出三块不同表面处理的地砖的质量与体积，并根据m=ρv求出每块地砖的密度。

2）热阻测定

采用 TPS1500 热常数分析仪（精度：± 0 .3%）分别对HE、L E 的导热系数进行测定。测试导热系数时，先将冷源温度设定为20 ℃，热源温度设定为40 ℃再进行试验，实验达到平衡后记录实验结果，实验各重复三次，实验结果取平均值。

3）发射率测定

借助红外热成像仪分别对 HE、L E 的表面发射率进行测定[7-8]。实验过程中，测试环境温度为40 ℃，红外热像仪发射率设置为 l，利用热电偶（精度：± 0 .1 ℃）测量不同地砖的表面温度T0与环境温度T u，并用红外成像仪测量相同环境温度下地砖表面的红外辐射温度T r，地砖表面发射率可由下式计算：

式中：Tr为热成像仪显示的辐射温度，K ；Tu为环境温度，K ；T0为被测物体表面温度，K 。

1.3 地板辐射供暖实验

以 FOX200 导热仪（热流精度：± 0 .09 W/m2，温控精度：± 0 .03 ℃）作为简易地板供暖实验装置（200 mm×200 mm×5 0 mm），其示意图如图1，其中下板作为地板供暖（表面2），上板模拟冷源（表面1），四周壁面（表面3）贴附发射率为0.05 的抛光铝箔，并由聚氨酯保温材料包裹，四壁可简化为重辐射面。

图1 实验空间示意图

根据《JGJ 142-2012辐射供暖供冷技术规程》，选取 28 ℃、32 ℃、4 1 ℃这三个热源温度。冷源温度以10 ℃为例子。在瓷质砖中心线上相距50 mm 处分别布置热电偶T1与T2，记录地板表面温度。为防止其他辐射的干扰，用铝箔纸包裹探头。采用安捷伦数据采集器（34972A）每间隔10 s 记录数据。通过导热仪内部的热流传感器记录地板供暖的热量。

2 地板表面发射率对地板供热量的影响及计算

对于地板供暖，地板表面的供热量表示为辐射供热量和对流传热量之和：

本实验所采用的实验平台内部上、下壁面存在温差，故空间内空气将在热源与冷源的作用下运动，实验空间内的热量交换过程可视为有限封闭空间内的自然对流换热问题[9]：

式中：g为重力加速度，取 9.86，m/s2；α为提及膨胀系数，1/K；Δt为冷热源间温差，℃ ；δ为水平夹层厚度，m ；ν为运动粘度，m2/ s。

计算得到Grδ≥ 1700 时，可选用以下关联式计算自然对流换热系数：

式中：N uδ为努谢尔准则；G r 为格拉晓夫准则；P r 为普朗特准则。

对于图 1 所示的地板供暖（四周为重辐射面），可简化为图 2 所示的辐射换热网络模型[10]，地板表面的辐射供热量为：

图2 实验空间辐射换热等效网络图

式中：表面1 与表面2 间的总辐射热阻为：

3 分析与讨论

3.1 地板表面的物性参数

釉面瓷质砖的各类物性参数测试结果具体如表 1所示：

表1 釉面瓷质砖物性参数

经石墨烯涂料改性后，地板表面发射率由 0.76 增大到 0.86（增大了 13%），经银粉漆改性后，地板表面发射率由0.76 减小到0.46（减小了39%）。地板表面处理所采用的石墨烯与银粉漆添加量少，涂层厚度小，地板整体厚度与密度变化不大，地板表面导热热阻变化不大。

3.2 供热量实测与计算数据对比

图3 为地板总供热量的实测数据与理论计算值的对比。由图 3（a）可看出，在热源温度为 28 ℃的情况下，当表面发射率为分别为 0.46 和 0.86 时，实测总供热量与计算值的偏差分别为3.9%和0.9%。由图3（b）可看出，在热源温度为 36 ℃的情况下，当表面发射率为0.46 和0.86 时，实测总供热量与计算值的偏差分别为 3.1%和 4.1%。由图 3（c）可看出，在热源温度为41 ℃的情况下，当表面发射率为分别为 0.46 和 0.86时，实测总供热量与计算值的偏差分别为 3.5%和4.2%。可见，对于不同反射率的地板供暖，其总供热量的计算与实测数据值吻合较好。

图3 地板总供热量的实测数据与计算值的对比

3.3 地板表面发射率对供暖性能的影响规律

不同热源温度的情况下，表面发射率对地面温度的影响如图4。当热源温度为 28 ℃时，表面发射率为0.86 的地面温度比表面发射率为 0.46 的地面温度升高1.6 ℃。当热源温度为36 ℃时，表面发射率为 0.86的地面温度比表面发射率为 0.46 的地面温度升高1.1 ℃。当热源温度为 41 ℃时，表面发射率为 0.86 的地面温度比表面发射率为 0.46 的地面温度升高0.5 ℃。从实验结果可知，在相同热源温度的情况下，高发射率表面的表面温度会高于低发射率表面的表面温度。

图4 不同发射率和热源温度下的地面温度

不同热源温度的情况下，表面发射率对总供热量的影响如图5。当热源温度为28 ℃时，表面发射率为0.86 的总供热量比表面发射率为 0.46 的总供热量升高25.4 W/m2。当热源温度为36 ℃时，表面发射率为0.86 的总供热量比表面发射率为 0.46 的总供热量升高35.2 W/m2。当热源温度为41 ℃时，表面发射率为0.86 的总供热量比表面发射率为 0.46 的总供热量升高42.9 W/m2。从实验结果可知，在相同热源温度的情况下，高发射率表面的总供热量高于低发射率表面的总供热量。

图5 不同发射率和热源温度下的总供热量

利用地板供暖传热模型，分析在不同地面发射率的情况下，地板供暖的辐射换热量的变化规律。以表面发射率为变量，利用最小二乘法进行线性拟合。结果如图6 所示，可以看出表面发射率与辐射换热量之间呈线性增大关系，即在相同热源温度的情况下，增大地板表面的发射率可明显增大地板的辐射供热量。这主要是因为发射率会影响辐射换热量，发射率的值越大越容易吸收或释放热量。而且，热源温度越高，地板的辐射换热量随着表面发射率的升高而增大得越显著。可见，增大地板表面的发射率，可提高地板与室内空间的辐射换热量。而在相同的供暖能力范围内，可以适当降低热源温度，从而减少供暖能耗。

图6 表面发射率对辐射换热量的影响

4 结论

1）实验测试结果表明，当热源温度为 28 ℃，36 ℃和41 ℃时，表面发射率为 0.86 的地面温度比表面发射率为 0.46 的地面温度分别升高 1.6 ℃，1.1 ℃和0.5 ℃，总供热量分别增大 25.4 W/m2，35.2 W/m2和42.9 W/m2。

2）对地板供暖性能进行了计算，计算结果与实测数据的总供热量误差约3%，表明模型具有较好的准确性。

3）采用模型研究了地面发射率对地板表面辐射换热量的影响，结果表明辐射换热量随地面发射率增大近似线性增大，且对于较高的热源温度，对应的线性斜率相应增大。