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上一层 瑞恒地暖简介 瑞恒地暖剪影 人性的瑞恒 瑞恒地暖特色 瑞恒地暖概述 瑞恒地暖优势 电地暖构造 设计与施工 地暖典型案例 地暖问答1 地暖问题2 地暖室内应用 别墅供暖组件 高温瑜伽采暖 瓷砖地面供暖 实木地板供暖 卫生间地暖 室外应用 游泳馆供暖 大型场所应用 国外地暖简介

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国外地板辐射采暖技术介绍-《地板辐射采暖的理论与实践》

 

    过去二十年期间,地板辐射采暖获得了广泛的运用,在德国、奥地利、丹麦有30%50%的新建居住建筑用地板采暖。在韩国约有90%的新建居住建筑用地板辐射系统供热。
   
大约在公元100年前,韩国人就开始利用来自于火炉排出的烟气加热石板。烟气从火炉(用于做饭)经地面石板到对面火墙,烟气在火墙内,像在烟囱一样向上排出。这样,大量的石板地面也就储存了热量。在此同时,罗马人也在用这类形式采暖。
   
上世纪30年代,建筑师莱特(Frank Lloyd Wright)把地板辐射采暖引入到他在美国Usonian的住宅中,用钢管内的循环水输送热量。
   
在上世纪5060年代,在中欧,安装了一些使用钢管或铜管的地板采暖。非常不幸,这一时期的建筑物没能很好保温,因此必须使用温度很高的地面给房间供热,这导致了地板辐射采暖声誉不好。然而,到了70年代末,在德国、瑞士、奥地利和其它一些北欧国家将塑料管引入到地板辐射采暖系统,并促成新的系统标准。今天,使用的塑料管主要是PEX管。
   
地板采暖大多用在居住建筑中,然而,在欧洲,也广泛地在商业和工业建筑中使用。本篇文章将全面论述地板采暖和地板辐射如何供冷。
   
热舒适
    
为了给居住者提供一个可接受的环境,要求必须考虑全面热舒适(预计平均热感觉指数(PMV)或预计不满意者的百分数(PPD),实效温度)和部分热舒适(地面温度,垂直温度梯度、辐射温度均匀性、通风)的问题。
   
实效温度(operative temperature
   
给人提供可接受的热舒适环境有二个主要要素:它们是空气干球温度和辐射平均温度,这二种温度的综合作用称之为实效温度。对于低风速空气(v0.2m/s),实效温度大致就是空气干球温度和辐射平均温度的简单平均。这意味着空气温度和辐射平均温度对一个空间的热舒适性同样重要。
   
对辐射采暖系统,人与辐射热源间的角系数是一重要系数。此系数取决于人与一表面的距离以及其表面积。坐着人的中心距离地面只有0.6m,距离顶棚1.8 2.1m。因此,正常状态对人而言,地面角系数是所有其它表面(如墙面、天棚、窗户等)中最高的。
   
位于一个6m*6m地板中间的人,坐着和站着时其角系数分别是0.40.37。假如其它表面温度都不改变,仅地表面温度改变5K,这就意味着地面辐射温度改变2K,其实效温度将改变1K。换句话说,地表面温度改变5K与空气温度改变2K的影响效果相同。与之相对比,坐着和站着的人对于顶棚其角系数分别是0.150.2,这表示在辐射温度或实效温度的影响效果方面,地表面温度改变一度是顶棚表面温度改变一度的2.5倍。
   
地板辐射供热系统与100%的对流系统(如热风采暖)相比,能以较低的空气温度达到相同的实效温度(图一)。房间的热量损失一部分是由空气温度与房间的各表面间对流换热构成和一部分是由房间的一个表面与其它表面间的辐射换热构成。


 

  (图1

 

    计算热损失的室内温度应是实效温度而不是空气干球温度,在通风量小的情况下,二者之间的差别并不明显。但是,在通风量大的建筑中,如:工业仓库、飞机库等,对能耗的影响就很大,应使用辐射供热。在保温较好、布置紧凑的居住建筑中,平均辐射温度和空气温度之间相差较小,造成的影响不大。
   
几种不同类型的供热系统之间差别已在有关文献中研究过,总体来讲,研究结果表明大多数供热系统都能提供让人可以接受的热舒适环境,通过增加建筑物墙和窗户的保温,减少热损失,各供热系统之间的差异会趋于一致。
   
地表面温度
   
按照国际标准,当人正常穿着鞋坐着或站着时,人停留区域的地面推荐温度是19℃到29℃,这是对地板供热系统能力的一个限制。对于供热最高限制温度是29℃,对于供冷的最低限制温度是19℃。按照欧洲标准,在人停留区域以外,如距离墙面和窗户1米范围内,地面设计的温度可达到35℃。对一些人赤脚的场所,如浴室、游泳池、化妆间,最适宜的舒适温度还与地面材料有关。
    
垂直温度变化
    辐射地板采暖的主要特性之一是从地面到天花的空气温度一致,图一表示的是四种采暖系统:地板辐射采暖、窗下低温板式辐射散热器、窗下散热器和在后墙提供热风的采暖系统在试验室的测试结果。辐射地板采暖和大面积窗下低温板式辐射散热器都有温度一致的显著特性,越是对流散热的系统温差越大。以上测量结果的依据是在1.1m的位置,实效温度为22℃。
图一显示:当实效温度达到22℃时,采用辐射地板采暖比用其它采暖系统的供热温度可低1K1.5K,这是当热负荷为50W/m2时的测量值。对于多数对流供热系统其温度变化的明显特征是不均匀。在高大空间的建筑中,比如:工业厂房、体育馆、飞机库等,由于空间的平均温度提高,随着高度增加热损失会显著增加。
   
辐射温度不对称
   
正如前面所提到的研究和Olesen所做的证明一样:在现代建筑中,因冷窗户而引起的不对称热辐射不会产生什么问题。通过ANSI/ASHRAE标准55-1992《居住者的热舒适环境状况》和《ASHRAE手册-基础篇》得知:在设计阶段就可以评估因辐射温度不对称而产生的不舒适风险。
    
冷气流
    来自于冷表面(如窗户)的向下气流是可能引起人不舒适的另一个因素,根据基本计算方法,窗高、墙体与窗户的传热系数、室外温度和最大室内空气流速之间的关系是可以确定的。
假设室内空气以低强度湍流、空气温度21,在现有标准中,推荐可接受的最大空气流速为0.18m/s。图二反映了当室外温度在-12℃时,窗户传热系数、窗户高度和在人活动区的最大空气流速之间关系。在设计条件下,如果空气流速低于0.18m/s,则不必在窗户下增加补偿热量。如需要补偿,设计时可在墙或窗处(通过减小管距、增加水温的办法)提高地表温度。

 

 (图2

               

    室内空气品质
   
对于隔热保温较好的建筑,各窗和墙的表面温度较高,或者,采用辐射地板采暖的建筑拥有较高的辐射平均温度,这就意味着与传统的标准建筑相比,其空气温度可低些。这对提高冬季室内空气的相对湿度有利。有关研究也表明:当室内空气温度低时获得的空气质量高些。由于表面温度高,就不易发生结露和生霉,地板采暖还可以防止冷死角。
   
德国Allergy and Asthma 协会发表的研究表明:辐射地板采暖与其它采暖系统相比能减少房间灰尘中的螨虫。地毯和床垫下的高温使相对湿度减小,结果螨虫就爬到上面,吸尘器则很容易清除它们。另外一项研究发现韩国的房内螨虫比日本的少,虽然不能得到直接证实,但这也要归功于同样的效果。
   
辐射地板采暖比对流采暖系统产生的灰尘少,地板采暖也不需要清扫散热器,当使用地板采暖时,地毯可不必使用。这就彻底消除了污染物聚集和散发,这对有过敏症的人特别有益。
供热供冷能力
   
地板辐射采暖系统的供热能力取决于地表面与室内空间的热交换(如:对流与辐射热交换系数)、地表面与其管材的热传导(地表面材料、混凝土类型、地板采暖系统型式、管顶板厚度、加热管之间距)和管内水传热(水流速和供回水温差)。美国供热制冷空调工程师协会(ASHRAE)手册供热与通风空调(HVAC)系统和设备第五章以及德国地板采暖标准,给出了辐射地板采暖系统的供热能力计算方法。在设计工况下,热交换系数是11W/m2.K,当地表面与室内空间的温差较小时,系数将减到9W/m2.K,在总热交换中,辐射占一半多5.5W/m2.K。在人活动区域,最大供热能力是100W/ m2,此时,地表温度29℃,室内空气20℃。正如前面所述,在距外墙、外窗1m以内,能使用35℃的较高地表温度,其对应供热能力是165W/ m2。假如一个房间的进深是4m,则其平均供热能力应为116W/ m2[163+110*3]/4),这一最大供热能力与地面上的覆盖物(瓷砖、木板、地毯)无关。然而,为获得最大供热能力,对水温的要求则取决于地表面覆盖物的热阻和其它因素,如:系统类型和管间距等。为解释这些问题,以上标准列出了有关因素。
    
表一给出了不同热负荷下,不同的地面材料对供水温度的要求。这些数据是针对管道埋在地板中的系统,对于那些在管道和地面之间有较高热阻的其它系统,供水温度应更高。
供冷地面的热交换系数只有7W/m2.K。在大多数建筑中,当房间空气温度26℃,地表温度20℃时,系统的最大供冷能力是42W/ m2,在有太阳光直射的地面(如体育场、飞机场的进厅),最大供冷能力可以超过100W/m2
地表温度、热媒平均温度以及辐射采暖系统的自控作用情况


    表一


    设计
    设计上应考虑的主要问题是管间距、水流量、供回水温差和管线布置。在外墙附近区域需要较高的地表温度,可设置单独一环路,通过减小管间距提高水温的方法来实现,还可以靠墙先布置管线较短的供水管。在其它区域平行布置的供、回水管管线可长些。辐射地板采暖系统的热水流量确定是依据供回水温差(10 K)。对于热负荷较大的房间,建议使用5K的供回水温差,这将提高平均水温,增加供热能力。为避免压降太大,循环管路不应太长。
   
为获得最大热效应,应避免在地面上覆盖热阻较大的覆盖物如:墙毯,就显得特别重要。因为这将造成供水水温增加,热损失和无效供热加大,水温增加会降低热源(锅炉、热泵)的热效。
    控制
    即使是保温良好的建筑,也会因房间的人员、照明、设备和直射太阳光变化,使室内温度产生很大变动,造成很大的热舒适问题。当内部热负荷发生变化,它对热损失小、保温良好的建筑在房间温度上的影响要比它对正常保温建筑带来的影响要大。这一影响取决于建筑内的热量变化和对采暖系统实施的控制。与其它采暖系统相比,地板采暖系统有较高热量,使用地板采暖常被认为有很多过热和附加热损失的危险,而多项研究都表明情况恰恰相反。
   
室外温度的改变通过室外温度传感器来进行,地板采暖一般是依据室外温度和热曲线,通过改变水温(供、回水平均温度)来实现控制。为了有效控制室外温度,根据建筑物性质和不同房间对热量的不同需要,认真选择热曲线显得格外重要。不管房间的热量输出是增加或减少,太阳光和内部热负荷都会对房间温度带来很大影响。
   
对于系统的控制还取决于建筑物和系统的热量。对低温供热系统(如:地板采暖)的最显著影响是由对房间和被加热地板之间的很小温差,产生所谓的自控。房间温度有一个小幅增加,地板和房间的温差将会显著减少,导致地板供热也减少。根据房间温度,通过单独的房间温度计,独立地控制每一房间水流量使控制得以进一步改善。自动控制依赖于房间与地板间温差和房间与水温之间温差。表一给出了在房间温度增加1k时,地板散热相应减少的百分数。一栋保温较好的房屋,在一个采暖季,平均热负荷是1020W/m2。对这些房屋,自动控制产生得相应影响为30℅到90℅(见表一)。
   
在一项试验研究中,管道埋在混凝土中的标准地板采暖系统与一个低温辐射采暖系统相比较,一个低热量试验房间用来揭示室外温度、居住人和太阳光的变化(图三),内部负荷的变化大约是该测试房间热损失的三分之一。结果表明:对这两种采暖系统而言,把房间温度控制在可接受的范围是很容易的,两种采暖系统之间没有差异。该自控只对地板采暖热水循环系统有效而对电加热地板系统无效。

 

(图3

 

    对已执行的德国新建筑能量基本规范深入研究中,已做了各类采暖系统的详细热水循环计算机模拟控制,其结果已收录在新的德国标准(DIN4701-10)——供热系统章节中以及VDI-TGA的原则中。图4表明控制供回水平均水温比控制供水水温有好处,而且,对单独房间控制更节能。研究证明对房间温度进行单独控制与仅采用中央控制相比可节能15%-30%
   
4中的附加能耗是用能耗系数,表述相对于理想控制的一个关系,此数值表示附加能耗具有反映设计热负荷与实际需要热负荷之间关系的作用。低系数意味着低能耗建筑,此类建筑中人员、灯光和太阳光的内部负荷显著地削减了实际需要的热负荷,现有建筑的能耗系数都大于0.20

    4还表示地板采暖效果较有恒温阀控制的低温辐射散热的效果略好。
   
如果地板采暖夜间停用,为了改善效果,建议在早上恢复供热时提前供热,早晨恢复供热的时间要早(相对热风采暖系统),而系统在晚上可以提前关闭。
由于对每一房间温度单独控制可以改善人的舒适和节能,建议应安装房间温度控制器。在欧洲许多国家,各类采暖系统都要求安装房间温度控制。除了节能,它能挨个房间地调整温度值,从而让人获得最大舒适。由于是新的高标准保温建筑,在居住建筑中使用夜间停暖节能不多。
地板供冷系统的控制,必须考虑空间的露点温度。

 

 

(图4

 

    能源
    增加保温的主要目的是降低年供暖热耗量,此外,采暖系统的散热、输送、分配必须优化设计。辐射、对流散热器、热风、地板采暖、天花板采暖等各不同类型采暖系统在保温较好的建筑中,耗热量差异不大。在热媒输送和提高热源利用上,利用低温采暖是有益的。利用低温采暖能让锅炉特别是现在的冷凝锅炉得到最高效率。采用地板低温采暖方式能使热泵和太阳能集热器提高能效。因为地板系统是高温冷却系统,它能使热泵和冷冻机组高效工作。地面温度常在10℃左右,即使不使用热泵,直接用埋在地面下或基础内的管道也能冷却地板。
地板冷却系统还可以与空调系统结合使用。地板冷却系统承担显热,而空调系统承担潜热。与此同时,由于地板系统的较高冷却能力,房间的露点温度将下降。此外,地板冷却系统较高温度的回水(1820℃)还提高了制冷设备的效率。
   
安装与造价
   
在许多采用热水循环供热的国家,特别是在地板采暖只占一小部分市场的地方,安装建设者对如何正确安装经验还不丰富,为此,供应商必须指导、培训安装人员。在欧洲,使用热水循环供热已有数十年,大多数安装建设者对其事项都已熟悉。
   
关于价格比较的资料发表很少。有一个德国的最新研究,要求安装方面把居住建筑中用对流采暖和地板采暖的价格比较,结果总体相差在10%以内。但是,对地板采暖,安装方面要价较高,因为它是更舒适和高效的供热系统。
  
  结论
   
热水循环地板辐射采暖的优点是:节省空间,不用清扫,系统没有噪音、不产生尘土、不用风道、温度分布均匀,属低温采暖系统。
   
在地板辐射采暖系统中,以较低的室内空气温度就可以获得同样的实效温度。与多数对流采暖系统相比,其通风热损失减少了。热损失传递主要与实效温度有关,与对流和热辐射系统大至相同。
   
保温较好的建筑要求能有效地控制来自室内人灯光和太阳光直射的内部负荷。地板采暖系统中的恒温器和自控装置能对保温较好建筑的内部负荷变化起到有效控制。
   
由于使用低温热水,地板采暖系统能增加供热设备的能效。
在没有噪声和通风的情况下,冷水循环地板供冷系统能消除显冷负荷。对于大多数空间,能提供的最大冷负荷能力不超过50。在有太阳光直射地板的空间内,系统的冷却能力明显提高。

 

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