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上一层 略谈地暖设计 地暖相关计算 地暖节点细布 行业标准汇总 设计典型问题 确定盘管间距 混接水力计算 地暖设计问题 三点注意事项 几点参考意见 散热量计算 常见问题探析 地暖系统设计 地暖系统示意 地暖结构

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关于低温地板辐射采暖系统(水地暖系统)设计常见问题的探析

 

0 引言

低温地板辐射采暖系统,以其室内温度均匀性好,舒适性好,温度梯度小,符合人体生理要求及不影响室内使用面积等优点,受到人们普遍欢迎,广泛应用于别墅、住宅、宾馆大堂、游泳池馆等场所,尤其别墅和住宅使用更为普遍。

地板辐射采暖与传统或空调送风采暖在传热原理上有所不同,前者辐射所占比例大,而后者则以对流方式为主,因此两种方式房间得热有所不同,系统设计也有诸多不同之处。

笔者调研了一些低温地板辐射采暖工程,发现存在许多问题,以下几种情况比较普遍:(1)室内偏热;(2)地面温度偏高;(3)地面温度分布不均匀等。经过了解发现设计中存在一些问题,下面对这些情况做一分析。

1 室内温感偏高

出现这种情况主要由以下原因引起。

一是负荷确定时未考虑辐射采暖与对流采暖的区别,直接将对流采暖负荷作为辐射采暖负荷进行计算。相同条件下,辐射采暖时壁面温度比对流采暖时高,减少了墙壁对人体的冷辐射,而人对室内热环境的感受常以实感温度来衡量,实感温度可比室内环境温度高2~3℃,因此在保持相同舒适感的情况下,辐射采暖室内空气温度可比对流采暖时低2~3℃或在负荷计算时取对流采暖热负荷的0.9~0.95(对于全面辐射供暖来说)。

在计算采暖热负荷时没有考虑上层地板向下的传热量,也是造成室内温度升高室内环境偏热的原因。

二是有的设计人员按参考资料提供的地板散热量直接查取管间距,甚至根据经验确定管间距,而忽略了其适用条件。如文献[1]中给出了加热管为铝塑复合管或塑料管,公称外径为20mm,填充层厚度为60mm,供回水温差为10℃时,不同加热管间距和不同平均水温时的地板散热量。当填充层厚度改变时,如改为55mm,地面层热阻减小,地板散热量加大,从而使室内温度升高,室内偏热。同理,供回水温差的改变,管间距的增减,管内平均水温的变化,也将影响地板散热量的大小。如某工程设计时供回水温度为50℃/40℃,室内温度为18℃,管间距为250mm,地面层为木地板,地板散热量约89w/m2。由于某种原因供回水温度改为55℃/45℃,供回水温差没有变,施工时未做变更,结果实际运行时,室内温度却高达23~24℃,温升约5~6℃,地表温度也升高了5℃左右。

因此设计时应进行细致的计算,否则不仅偏离设计要求,而且也将浪费能源。

2 地面温度偏高

地面温度过高,长久之后人体也会感到不适,而且对地面覆盖物也有一定影响,因此根据卫生要求、人体热舒适性条件和房间用途,对地面温度做了一些规定。地板辐射采暖时地板表面平均温度tb与加热管的管径d、管间距s、加热管埋深h、地板导热系数λ、供回水平均温度tp和室内温度tn有关,即

tb=fd,s,h,λtptn

由于地板单位面积散热量q与单位面积埋管的散热量有关,即与d、s、h、λ、tp有关,则有

q=g d s h λtp

因此得出近似公式

tb=tn+9(q/100)0.909

由上述公式可以知道影响地面温度的因素。在工程中引起地面温度偏高的直接原因主要有以下几个方面。

a负荷偏大

如1中所述,由于多种原因,造成设计热负荷偏大。由于室内热负荷偏大,将使地板单位面积散热量q增加,根据式(3)可知,地板表面平均温度tb也增大。

b供回水平均温度偏大

由1中的例子可知,当供回水平均温度tp升高时,室内温度升高,地表温度也升高。

c埋管深度不够

有些房地产开发商为了降低房屋造价,将层高减小,用户为了保证室内足够的净高,有的采用减小加热管埋深的做法。由于埋深h减小,使地板热阻减小,而且单位面积地板散热量q增加了,从而使得地面温度tp偏高。如图1所示,图中实线为等温线,虚线为热流线。由图可知,埋深h越小,地面温度tb越接近加热管温度。

3 地面温度分布不均匀

地面温度分布均匀程度主要受埋管深度h、管间距s大小、布管方式等影响。

3.1 埋管深度与管间距

如图1所示,沿热流线方向填充层的热阻是变化的,这样使得辐射板表面是不等温面,管顶所对应的地面温度tb最高,当相邻两加热管中的热水温度相等(t1=t2)时,两管中间处的地面温度tS/2最低。埋深h越小,tb-tS/2越大,地面温度分布越不均匀。因此埋深减小不仅导致地面温度偏高,而且使地面温度分布也不均匀。

在图1中,当管间距s增大时,两管间叠加强度减小,tS/2减小,tb-tS/2将增大,地面温度分布更加不均匀。为了保证地面温度分布均匀性,工程中一般限定管间距不宜大于300mm。当地面散热量大时,即使管间距为300mm也显得过密,此时可通过调整加热管水流量,水温等来适应要求。

总之,管间距越小,埋深越大,地板表面温度越均匀,因此设计时应注意这一点。

3.2 布管方式

沿加热管水流方向,水温逐渐降低。图1表示了两管内水温相等的情况,当两管内水温不等时,如t1>t2,则等温线和热流线分布如图2所示,

温度最低值不在s/2处,而是偏向温度较低的一侧。地板辐射采暖常用的布管方式有平行排管式,蛇形排管式及回字形盘管式,如图3所示。图中表示了各种布管方式地板表面温度变化情况。第一种方式地板表面平均温度沿水的流程方向逐步均匀降低;第二种方式地板表面温度在小面积上波动大,但平均温度分布较均匀。第三种方式辐射板表面平均温度也是沿水的流程波动,如果布置合理,辐射板表面平均温度波动将很小,温度分布更均匀。

三种布管方式地面温度分布与波动情况是不一样的,房间内具体采用何种方式应根据房间用途,房间热工热性,遵循温度均匀分布原则而定。

3.3 其他情况

由于沿外窗或外墙侧热损失较大,一般将高温管段优先布置在该处,或在沿外窗外墙一定范围内布管密些,即缩小管间距。这一点工程设计中基本注意了,但个别工程在这些地方布管过密,沿外窗外墙侧地面温度偏高,加大了热损失。

对于局部区域温度过高的情况(如加热管出口处温度较高,而且布管较密),当对该处地面温度有要求时,应在加热管上方加装隔热板。这是工程中常出现的问题,由于布水器有多个分支管,且出口间距一般为80~100mm,因此出口处地面温度往往偏高,有的甚至超过规定温度,对地面材料产生了一定破坏,因此设计中应注意。

4 建议

综合以上诸多问题,多是由于设计中没考虑辐射采暖的特点而造成的。地板辐射采暖设计看似简单,实际设计中需综合考虑室内温度、地面温度高低、地面温度分布均匀性等的要求,以及相互之间的关系。室内温度与地面温度以及地板散热量有很强的耦合性,某一者的变化将引起其他量的连锁变化。

假设:已知地板做法;加热管选用铝塑复合管(XPAP)、交联聚乙烯管(PEX)或三型聚丙烯管(PP-C)。

设计中可遵循以下步骤:

a) 计算热负荷,根据辐射采暖特点,确定出房间实际需热量;

b) 根据已知条件,如建筑面积、地面结构及材料、室内温度要求以及房间要求的地面温度范围,确定地板散热量q。

c) 根据散热量q、室内温度tn、供回水温度tg/th、地板热阻R,并假定加热管管径d,初步确定管间距s。

若管间距s≤300mm,则进行下一步;若不满足,首先调整供回水温度(在温差不变的前提下),重新计算管间距s,直至合适为止。

d) 根据房间布置情况,并在保证单管长L≤120m的条件下,确定支管数,根据房间用途及热工特性,遵循温度均匀分布的原则进行布管。布管时应注意尽量使各并联管路平衡。

e)计算各支管水量G,校核系统阻力是否平衡,注意管内的流速V不应低于0.25m/s。

5 小结

a) 低温地板辐射采暖是以辐射传热为主的采暖方式,因此热负荷计算时应与对流采暖方式加以区别。

b) 室内温度、地面温度及地表面散热量有很强的耦合关系,注意某个量的变化将引起其他量的相应变化。

c) 管路布置时应注意保证地面温度分布均匀。

总之,低温地板辐射采暖系统设计应认真计算,不应简单按经验套用,否则一方面将造成室内不舒适,另一方面造成能源的浪费。

参考文献

1 低温热水地板辐射采暖工程技术规程.河北省工程建设标准DB13/T(J)28-2000

2 陆亚俊、马最良、邹严华.暖通空调.北京:中国建筑工业出版社,2002

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