干式地板辐射非全覆盖导热板式末端供暖系统实验研究

方宇龙 张小松 刘 畅

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

能源清洁化、高效化、低碳化、节能化的利用是中国目前的发展趋势[1-2].中国建筑节能协会2020年报告指出2018年中国建筑全过程能耗占社会总能耗的46.5%，其中建筑运行阶段能耗占社会总能耗的21.7%，且夏热冬冷地区建筑能耗在2000—2018年间占比提高了6%，而北方采暖区建筑能耗占比下降了8%，中国建筑运行能耗空间变化呈现“重心南移”的趋势[3].相对于北方集中供暖区，南方非集中供暖区具有采暖期短、负荷小、波动大等特点，随着社会进步以及非集中供暖区人民供暖需求的日益提升，适应非集中供暖区的供暖方式及末端形式逐渐受到人们关注.

目前，供暖末端以对流式空调和辐射式空调为主，地板辐射供暖是指通过提升地面(辐射面)温度并主要以辐射和对流的传热方式向室内进行供暖[4].相对于对流式空调，辐射式空调具有节能、舒适性好、美观性好等优点，但也存在室内热响应慢、新风不足等问题[5]，对非集中供暖区多变的气候环境适应能力较差.近些年，随着中国装配式建筑的发展，轻薄型辐射供暖末端受到人们关注.该末端施工过程采用预制沟槽保温模块干法铺设、无需水泥回填(无回填层)，故也称为轻薄型地板辐射或干式地板辐射(下文称为干式系统，lightweight radiant floor heating system,LRFH system)，而将采用传统湿法施工且含有回填过程的地板辐射末端称为重型地板辐射或湿式地板辐射(下文称为湿式系统，traditional radiant floor heating system,TRFH system).目前，国内外针对传统湿式系统的相关研究已经较为完善[6-17]，而对于干式系统的研究仍在起步阶段.Zhang等[18]和Yu等[19]通过实验和理论分析研究了干式全覆盖导热板式末端系统运行特性以及管间距对室内热环境的影响，但未与湿式系统进行对比.夏燚等[20]针对湿式系统和干式全覆盖导热板式系统进行实验，分析两者热工特性，但未在能耗、热损失方面展开研究.方玉堂等[21]和Xu等[22]分别制备了适用于地板采暖的相变材料，为干式相变地板辐射的应用提供参考.Xia等[23]研究发现干式地板辐射冷却系统热阻大.Werner-Juszczuk[24-25]对金属化聚乙烯辐射板以及不同铝板厚度的干式系统进行模拟分析，提出优化措施.

综上所述，对于干式系统的研究多集中在模拟仿真分析，研究对象多为全覆盖导热板结构(导热板作为一个整体附着在隔热层上，与隔热层的面积基本相同)，且主要对比与湿式系统在热工特性方面的差异，而现场实验测试少，并且未在能耗、热损失方面进行深入讨论.目前市面上由于全覆盖导热板末端的投资较高，出现了采用非全覆盖导热板末端的形式(导热板呈条状安装在隔热层凹槽内，板与板之间存在间隙)，此类干式系统末端结构的热工特性、热环境营造能力以及与传统湿式系统在能耗、热损失等方面的差异仍有待研究.因此，本文建立了干式和湿式系统实验室，通过现场测试与理论计算，探究干式和湿式系统在实际运行工况下的热工特性、热环境调节能力，并对系统节能性、热损失进行分析，为干式地板辐射末端的研究与应用提供借鉴.

1 研究方法

1.1 研究对象

研究对象位于安徽省滁州市，实验室平面图如图1所示.干式和湿式系统房间面积相同，房间净层高分别为2.64和2.60 m，墙体厚度125 mm，房门尺寸为920 mm×2 100 mm×50 mm(长×高×厚)，窗户尺寸为1 200 mm×1 120 mm×5 mm(长×高×厚).测试房间外建设一模拟室外场，在冷风机的作用下，模拟冬季室外环境.2个房间采用相同型号的电锅炉作为热源，且安装可以根据室内气温高低控制辐射管路阀门开闭的温控器，当室内气温比温控器设定值高0.5 ℃时，辐射管路阀门关闭；当室内气温比温控器设定值低0.5 ℃时，辐射管路阀门开启.

图1 实验室平面图(单位：mm)

干式和湿式系统末端结构如图2所示.干式系统末端由上至下依次为木板、金属板(非全覆盖铝板)、辐射管路(固定在铝板凹槽内)、隔热层、楼板；湿式系统末端由上至下依次为木板、回填层(砂石混凝土)、辐射管路(固定在回填层)、隔热层、楼板.其中，木板厚度5 mm；金属板宽度58 mm、厚度0.5 mm；回填层厚度40 mm；辐射管路外径15 mm，管间距195 mm；隔热层厚度29 mm.

(a) 干式系统末端

(b) 湿式系统末端

测试对象围护结构及热工参数如表1所示.

表1 围护结构及热工参数

1.2 测试点分布

系统实时功率通过功率变送器记录，且房间内布置多个温度传感器，温度测试点布置情况如图3所示.以室内地面中心为基点，建立坐标系，水平轴x方向每隔0.5 m设置一个温度测点；竖直轴z方向分别距地面高度0 m(紧贴地面)、0.1 m(人脚踝位置)、0.6 m(人坐姿胸腔位置)、1.1 m(人坐姿头部位置)、1.7 m(人站姿头部位置)设点.此外，供回水干管、墙壁、窗户、室外距外墙0.5 m处各设置一测点，一个房间室内外共布置温度测试点40个.

图3 温度测试点分布(单位：mm)

1.3 实验工况

实验时间为2022年1月，实验运行工况如表2所示.室外冷风机开、关温度设定值分别为5、-5 ℃，且测试过程中门窗紧闭.

表2 实验运行工况

1.4 实验设备

实验设备及参数如表3所示.

表3 实验设备及参数

2 理论计算

2.1 运行周期与能耗

系统功率在间歇运行相对稳定后呈周期性变化，系统平均运行周期与功率计算方式如下：

(1)

(2)

2.2 末端换热量

辐射管路将热量传递至地板表面，地板表面主要以辐射和对流换热形式将热量传递至室内，为比较不同末端换热量大小，分析能量传递情况，根据《辐射供暖供冷技术规程》(JGJ 142—2012)[26]，辐射表面换热量为

q=qf+qd

(3)

其中

qf=5×10-8[(tpj+273)4-(tfj+273)4]

(4)

qd=2.13|tpj-tn|0.31(tpj-tn)

(5)

(6)

式中，q为辐射表面单位面积换热量，W/m2；qf为辐射表面单位面积辐射换热量，W/m2；qd为辐射表面单位面积对流换热量，W/m2；tpj为辐射表面平均温度，℃；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，℃；ti为各非加热表面的平均温度，℃；Ai为ti对应各非加热表面的面积，m2.

辐射管路换热量

qw=vSρCp(tin-tout)

(7)

式中，qw为辐射管路单位时间释放的热量，W；v为管内液体流速，m/s；S为辐射管截面面积，m2；ρ为管内液体密度，kg/m3；Cp为管内液体比热容，J/(kg·℃)；tin为管内液体进口温度，℃；tout为管内液体出口温度，℃.

2.3 人体热舒适

PMV(predicted mean vote)指标代表了同一环境下绝大多数人的热感觉，可以用来评价一个热环境舒适与否.根据ASHRAE Standard 55—2017[27]，PMV指标及对应热感觉如下：-3(冷)、-2(凉)、-1(稍凉)、0(适中)、1(稍暖)、2(暖)、3(热)，计算方式[28]为

rPMV=[0.303exp(-0.036M)+0.027 5]·
{M-W-3.05[5.733-0.007(M-W)-Pa]-
0.42(M-W-58.2)-0.017 3M(5.867-Pa)-
0.001 4M(34-ta)-3.96×10-8fcl[(tcl+273)4-
(tr+273)4]-fclh(tcl-ta)}

(8)

式中，rPMV为PMV指标；M为人体能量代谢率，W/m2；W为人体所做机械功，W/m2；Pa为人体周围水蒸气分压力，kPa；fcl为服装面积系数；tcl为服装外表面温度，℃；tr为人体周围辐射体温度，℃；h为对流换热系数，W/(m2·℃)；ta为人体周围空气温度，℃.

PPD(predicted percentage of dissatisfied)指标表示预计处于热环境中的群体对热环境不满意的百分率，计算方式如下[28]：

rPPD=100-95exp[-(0.033 53rPMV4+
0.217 9rPMV2)]

(9)

式中，rPPD为PPD指标.

3 实验结果与分析

3.1 连续运行结果与分析

关闭室内温控器，电锅炉(最高功率3 kW)在设定供水温度50、55、60 ℃条件下，房间持续升温24 h，然后关闭电锅炉，房间再持续放热24 h.

3.1.1 室内外温度变化情况

干式和湿式系统在不同供水温度下的室内外温度变化如图4和图5所示.系统开启后，当室内气温(距地面高度0.1 ～1.7 m)由5 ℃上升至15 ℃，干式系统需要2～3 h，而湿式系统需要4～5 h，干式系统较湿式系统热响应快约2 h；系统关闭后，室内气温由15 ℃下降至5 ℃，湿式系统需要20～24 h，而干式系统在8～10 h后气温已降到5 ℃左右，这与湿式系统存在回填层、蓄热能力较好有关.地面温度变化趋势与室内气温变化趋势相一致，而室外温度大部分时间在-5～5 ℃，部分时刻室外温度高于5 ℃，其原因是室外冷风机进入除霜状态，运行停止.

此外，待系统升温稳定后，干式系统地面平均温度和室内空气平均温度在相同供水温度下分别较湿式系统低3.8～4.3 ℃和3.3～3.6 ℃.其原因可能是干式系统辐射管路有效换热面积不是全管壁面积，尤其是管壁上方与木板接触面积小(近似线接触)，且各结构接触位置容易存在空气间隙，而湿式系统辐射管路壁面均与砂石混凝土有效接触，结构间不易产生空气间隙，有效换热面积大，因此导致此结果.

(a) 设定供水温度50 ℃

(a) 设定供水温度50 ℃

3.1.2 室内温度分布情况

干式和湿式系统不同供水温度下的竖直方向温度分布如图6所示.人员主要活动区域(距地面高度0.1～1.7 m)室内气温竖直方向分布较均匀，竖直测点平均温度差值小于1 ℃.在竖直高度小于0.1 m的空间内，温度竖直方向梯度较大，温度最高点在地面，比室内(距地面高度0.1～1.7 m)气温高5～8 ℃.

图6 竖直方向室内温度分布

干式和湿式系统在不同供水温度下的水平方向室内空气温度分布如图7所示.干式和湿式系统水平方向室内气温分布较均匀，温度差值小于1.5 ℃，且温度较低点靠近窗户位置.

图7 水平方向室内空气温度分布

由于系统末端结构差异较大，为研究地面温度均热性，干式系统和湿式系统在不同供水温度下的水平方向地面温度分布如图8所示.干式系统地面温度均热性较湿式系统差，其地面温差在水平方向可达10 ℃，而湿式系统地面温差为3 ℃.其原因是湿式系统的回填层可将辐射管路释放的热量吸收并蓄热使整体温度升高后，再将热量释放到地面，均热性更好.

图8 水平方向室内地面温度分布

此外，干式系统在水平和竖直方向的平均温度较湿式系统对应位置温度低，这与上述3.1.1节结果一致.

3.2 间歇运行结果与分析

开启室内温控器，在温控器设定值16、18、20 ℃以及电锅炉(最高功率3 kW)设定供水温度60 ℃情况下，测试24 h室内外温度、系统功率.

3.2.1 室内温度波动情况

待室内温升相对稳定后(8～24 h)，室内气温在不同设定温度下的波动情况如图9所示.干式系统和湿式系统室内气温波动幅度分别为2～3 ℃和4～5 ℃，干式系统室内气温波动幅度较小，且室内气温调控更稳定，这是由于湿式系统蓄热能力好，当温度达到温控上限值时，辐射管路阀门关闭，而回填层继续将蓄热量放出，室温会继续上升一段时间；当温度达到温控下限值时，辐射管路阀门开启，辐射管路释放的热量被回填层先蓄热，室温会继续下降一段时间，因此造成上述结果.此外，干式系统和湿式系统在温度高于或低于温控限值后存在多个峰值或谷值，原因是室外环境温度在冷风机的调控下波动，从而引起室内温度波动，这与上述3.1.1节测试现象一致.上述结果是2个系统在相同的室外环境中测试得到的，可以说明干式系统较湿式系统对室内气温调控能力稍强.若采用辐射地板进行制冷，干式系统较好的室温调控能力也可为防止地面结露提供更好的保障.

(a) 设定室内温度16 ℃

3.2.2 系统运行周期及功率

系统在室内不同设定温度下实时功率变化如图10所示.正常工作时，系统功率接近3 kW，而当温度达到温控上限值时，辐射管路阀门关闭，系统功率降低至接近零.其中干式系统功率在部分时刻接近1.5 kW，原因是干式较湿式系统供水温度更快达到设定值60 ℃，系统自动进入低功耗状态，功率下降至1.5 kW.

(a) 设定室内温度16 ℃

对干式和湿式系统根据公式(1)计算的间歇运行平均周期如图11所示.平均周期随室内设定温度的升高而变长，且干式系统较湿式系统平均调节周期短，约为湿式系统的80%～88%，该结果与上述3.2.1节的原因对应.

图11 系统间歇运行平均周期

在系统间歇运行相对稳定后，系统功率呈周期性变化，选择干式和湿式系统多个连续周期并根据公式(2)计算平均功率，如图12所示.干式和湿式系统稳定后的多个周期平均功率随室内设定温度的升高而增大，且干式系统较湿式系统平均功率小，约为湿式系统平均功率的83%～85%.在室内不同设定温度下，由于干式系统多个周期室内平均气温分别为16.1、18.0、19.7 ℃，湿式系统多个周期室内平均气温分别为15.9、18.0、19.9 ℃，2个系统室内平均气温与室内设定温度基本一致；同时由于2个系统基于相同的室外环境与围护结构，因此从热量动态平衡角度考虑，可认为在传递至室内热量基本相同的情况下，干式系统较湿式系统节能约15%～17%.该结果的原因可能是湿式系统末端在传热过程中的有效热量(传递至室内的热量)占辐射管路总输出热量的比值较干式系统小.由于地板辐射末端隔热层一般使用轻型且带有孔隙类材料，而湿式系统隔热层上方有回填层，重量更大，对隔热层挤压更严重，从而造成湿式系统隔热层传热系数变大；同时回填层具有一定厚度，导致湿式系统热量向房间下方、楼板四周方向传递更多，向房间传递的有效热量占比较干式系统小，因此在有效热量相同的情况下，湿式系统总能耗更大.

图12 系统间歇运行平均功率

4 系统热能与舒适性讨论

4.1 有效换热量

由于地板表面温差较大，利用热像仪测试地板表面平均温度以及各非加热面平均温度.根据公式(3)～(6)，地板表面在不同供水温度下连续运行稳定后的换热量如图13所示.湿式系统地板表面总换热量在相同设定供水温度下约为干式系统的1.13～1.17倍，其中辐射换热量约占总换热量的56%，这与上述3.1.1节连续运行工况下，湿式系统室内最大温升较干式系统高的结果相对应.

图13 地板表面换热量

此外，干式和湿式系统地板表面换热量均满足中国冬季一般民用建筑如住宅(47～70 W/m2)、办公(58～81 W/m2)、旅馆(58～70 W/m2)的采暖需求.

4.2 热损失

为进一步分析干式与湿式系统最大温升差异的原因，讨论系统热损失情况，系统在不同设定供水温度下连续运行稳定后的供回水温差如图14所示.干式系统和湿式系统供回水温差分别为3～4 ℃和6.5～9 ℃，其中湿式系统供回水温差符合《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》(GB 50736—2012)[29]中的建议范围(5～10 ℃).

图14 系统供回水温差

在系统连续运行稳定后，阀门全开且管内流量、压力设置相同，根据公式(7)以及供回水温差，湿式系统辐射管路换热量理论上约为干式系统辐射管路换热量的2倍.而由上述4.1节结果可知，在相同供水温度下，湿式系统传递至室内热量约为干式系统的1.13～1.17倍.由于此时系统传热已经达到动态平衡，且湿式系统回填层处于热饱和状态，因此说明湿式系统末端在热量传递过程较干式系统存在更多的能量损失，这部分能量损失是指辐射管路总散热量中未有效传递至室内的热量.该结果同时验证了上述3.2.2节在传递至室内热量基本相同的情况下，干式系统较湿式系统节能.

4.3 室内舒适性

根据预测评价指标PMV计算式(8)和预测不满意率PPD计算式(9)，考虑到中国冬季室内人员实际着装(厚长裤、厚毛衣等)与工作状态(静坐办公)，室内人员服装热阻设定为1.28 clo、人员新陈代谢率1.2 met[28]，其他参数取自实时室内热环境参数.对系统开启12 h内的干式和湿式系统室内热环境舒适性分析如图15所示.在不考虑最大温升限制的条件下，即采用高温水供暖(供水温度60 ℃)，干式系统室内预测人员热感觉由冷转变为稍凉(PMV值由-3增大至-1)的时间约为2 h，而湿式系统需要约4.2 h.此外，室内人员预测不满意率PPD降低至20%的过程，干式系统需要约2.2 h，而湿式系统需要约5 h，该结果也体现了干式系统较湿式系统室内热响应快的特点，可以使室内更快达到大部分人(80%)满意的热环境.

值得注意的是，人体即使在总体上处于热中性状态，但因为身体局部太热或太冷也会感到不舒适，所以环境的热均匀程度也会对人体舒适性造成影响.引起人体不舒适的热不均匀因素主要包括辐射不均匀性、吹风感、垂直温差、地板温度等.由于2个系统均采用地板辐射供暖，室内吹风感和辐射不均匀性对人体舒适性影响不明显，而根据上述3.1.2节的结果，干式和湿式系统室内空气温度在人员主要活动区域分布较均匀，垂直温差小于1 ℃，但干式系统地板表面温差较大，当人员身体部位直接接触地面或是在地面活动时，地板表面温差会造成这类人群产生局部热不舒适感.因此，干式系统虽能较快满足人员在总体上的热舒适性，但由于地面温差较大，可能导致的局部不舒适感要比湿式系统程度更大.

(a) 干式系统

5 结论

1) 干式系统较湿式系统室内热响应快.在不考虑最大温升限制的情况下，系统开启后，室内人员主要活动区域温度(距地面高度0.1～1.7 m)由5 ℃上升至15 ℃，干式系统需要2～3 h，湿式系统需要4～5 h；室内预测不满意率降低至20%，干式系统需要约2.2 h，湿式系统需要约5 h.

2) 干式系统较湿式系统供暖更节能.间歇运行时，在传递至室内热量基本相同的情况下，干式系统较湿式系统节能约15%～17%，湿式系统传递至室内的热量占辐射管路总散热量的比值较干式系统小可能是导致该结果的主要原因.

3) 干式系统较湿式系统室内热环境营造能力稍差，且主要体现在室内空气最大温升较低和地面温度分布不均匀.在相同供水温度下，干式系统较湿式系统室内空气最大温升低3.3～3.6 ℃.同时，干式系统和湿式系统地面温差分别可达10和3 ℃，而2者在水平和竖直方向室内气温均匀性差别不大，地板温差较大也可能导致人体产生局部热不舒适感.

4) 干式系统较湿式系统的室内热环境调控能力稍强，且主要体现在室内气温调控更稳定.间歇运行时，在相同室外环境情况下，对室内进行定温调控，干式系统室内气温波动幅度更小，且波动更稳定.通过对该新型干式地板辐射末端系统的研究，可对未来干式地板辐射供冷暖末端的设计与应用提供借鉴.同时，干式地板辐射末端的地面热均匀性值得进一步关注.