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上一层 结构冷暖原理图 投资成本比较 能源消耗比较 独特优势 现场铺设方式 模块铺装方式 辐射温度 毛细管网制冷 辐射制冷技术 地面结露问题 设计问题探讨 案例分析 应用范例

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辐射板冷暖系统的某些特点

 

    摘 要  阐述辐射地板、吊顶和墙板供暖供冷系统的优点、应用场合及其设计上的某些特点。
   
关键词  辐射板  供暖  供冷  设计

    近年来国外,特别是北欧,大面积可灵活分隔的办公房间,地板、吊顶或墙板辐射供暖供冷系统的应用逐渐增多。因为采用新型构造的中空双玻或三玻窗,密封性与保温隔热性能好,可不再在窗台下布置传统的以对流散热为主的暖气片,改用地板、顶板或墙板中敷设冷热媒管道的辐射冷暖系统,既能增大房间使用面积,又使室内温度分布更加均匀;在满足人体舒适要求的同样条件下,室温可比常规系统低些(冬天)或高些(夏天),因此还具有节能意义。辐射板冷暖系统的特点是以辐射换热为主,对流换热为辅,它比基本上属强迫对流换热的空调送回风系统可造成更舒适的微气候条件。其热媒为水,热容量大,水管占用空间要比风管小得多。冷热水温度与室温间温差比传统系统小,因此冷热源可用太阳能集热器、热泵或冷凝式锅炉(利用烟气中水蒸汽冷凝放热量,尤其天然气中H多,烟气中H2O多,可使热效率高达η=107%109%。此时,锅炉给水温度低,即供暖系统回水温度低——详见[1]),还具有节能环保的优点。
    1  人体热平衡与房间中影响舒适性的因素
   
房间的辐射板冷暖系统可为人体创造良好的微气候条件。人的自我感觉和工作效率取决于人体体温调节的生理系统的状况,功能正常时体温为36.6℃,为维持稳定的体温,人体不断放热给周围环境,放热量大小取决于人的生理(肉体的)和心理(情绪的)状况、年龄、性格特点、衣着和从事工作的类型等。
   
人体热平衡(能量平衡)可用下式表示[2]
Q=Q-Ql-Qdl-Qf-Qd-Qz-Qs               1
式中,△Q—人体余热量(或欠热量);
      Q
—人体产热量(肌体制造的总能量);
      Ql
—劳动耗热量(耗能量);
       Qdl
—对流放热量;
       Qf
—辐射放热量;
       Qz
—汗液蒸发耗热量;
      Qs
—生理过程耗热量(加热吸入空气,进食、排泄物自然交换耗热)。
   
人体主要是通过皮肤的对流、辐射和导热以及汗液蒸发与周围环境进行换热。其中导热放热量很小,在热平衡计算中一般可忽略不计,因手掌、脚掌表面积与人体总表面积之比很小,表面温度又与有衣服遮挡处不同。人体产热量Q主要取决于从事的劳动强度。劳动耗热量Ql也与完成的体力或脑力劳动的强度有关,它占相对于静坐时产热量的附加产热量的5%35%。例如:站立完成中等强度劳动时取20%,这时人体产热量为300W,静坐时产热量为100W,则劳动耗热量Ql=20%300-100=40W。生理过程耗热量Qs不超过11.6W,计算中可忽略不计。
   
当人体产热量与失热量不相等时就会有余热(或欠热)△Q,导致体温升高(或降低),人体体温调节系统可在一定范围内保证产热量与失热量重新达到平衡,但体温调节作用是十分有限的。
   
在符合热舒适性条件的环境温度值范围内,人体放热主要靠对流和辐射方式,对流放热占33%,辐射放热占46%,潜热放热(出汗与呼吸)占21%(图1)。随环境温度升高,潜热放热量增大,显热放热量(对流、辐射)减小(图2)。 
             
         

 

 

 

 

热舒适的环境温度下人体放热方式               
                                                              
 

2 人体放热与环境温度 的关系

    在确定房间微气候舒适程度时,主要环境参数是:空气温度、相对湿度、流动速度、洁净度和房间内各种表面平均温度。人体感受到的温度不仅是空气温度,而是空气温度TN和房间辐射温度TR的综合温度Tz,或可称为房间温度。当(TR-TN<4℃时,Tz可取TNTR的算术平均值。Tz的精确值可用下式计算:
Tz=A
·TN+1-ATR                  2
   
系数A值见表,取决于室内空气流速υ。

υ,m/s

A

2

0.5

0.20.6

0.6

0.61.0

0.7

    这样,冬季提高房间温度Tz,可提高房间内全部表面或部分表面的辐射温度,即提高TR达到目的;也可以提高房间空气温度TN
   
人体放热强度取决于房间的空气温度TN、相对湿度N、空气流动速度υ、房间围护结构内表面和各物体表面的温度Ti及它们的表面尺寸与相对于人体的不同位置的角系数所决定的房间辐射温度TR。这些房间微气候组成因素,在优化组合下人体无过冷、过热感,体温调节过程不紧张。若人体稍有不舒适感,即体温调节系统稍有紧张,那样的房间微气候条件仍被认为是可接受的、容许的。
   
房间微气候舒适性第一条件是:处于房间中央位置的人体能正常地释放全部显热,没有过热感与过冷感,房间的空气温度TN和辐射温度TR在很大程度上影响人体的热感觉。舒适性第二条件是:人体与热表面或冷表面进行辐射换热,换热强度应受限制,首先考虑人处于不利位置与人体最敏感部位。人的头部对辐射热最敏感,头部表面各部分通过辐射放给周围表面的热量应不小于11.6W/平方米。当采用辐射吊顶时,人的位置直接处于板中心下面,将是最不利位置,也是计算位置。当采用辐射墙板时,取人距离墙面1m位置作为计算位置。
   
2 辐射地板、墙板、吊顶供暖
    辐射板供暖系统与传统的使用散热器的热水供暖系统相比,采暖室内计算温度取值可低2℃。据计算和实测统计分析,室温低1℃,可减少采暖能耗约7%。节能多少还与房间层高有关,高大空间房屋采用辐射式冷暖系统节能更显著,例如博物馆、展览厅、寺庙和教堂等可节能40%50%
    
在制作辐射板的材料中,铜最好,其导热系数大,耐热性能好,无氧渗透与渗漏缺点。但聚乙烯、聚丁烯等塑料,尤其有抗渗氧夹层时,制作辐射板可大大降低造价,施工安装也大为简便。
    2.1 
辐射地板供暖
   
可保证沿人体高度温度分布基本上无梯度,足部温度稍高于头部(图3)。设计时要注意限制地板面温度,即供回水温度,不仅是为了避免木地板和混凝土开裂,更是为了避免人体下肢血液循环过快造成生理问题。国外有标准规定,当室内空气温度20℃时地板面最高温度为29℃;人短时停留地区容许35℃;浴室当室温24℃时,地板面不超过33[3]。俄罗斯暖通空调学会则建议,辐射地板的板面平均温度按卫生要求,不高于26℃(对游泳池池边通道,可容许达31℃,管上方地面可容许35℃),相应地供水温度限制在4045℃,回水温度限制在30℃及以下[4]。我国设计规范规定,“民用建筑的供水温度不应超过60℃”。

地板供暖时理想的竖向温度分布


不同板面温度tb下的 放热量

    当地板面有恒定、均匀温度时,放热量为:
    q=8.92(tb
tn)1.1   W/平方米              (3)
  
式中,tb—地板表面平均温度。若tb=29℃,tn=20℃,代入,则q=100W/m2                       (图4
   
上世纪五、六十年代曾认为地板供暖系统不可靠,主要原因是系统热惰性大,室温调节不灵。现在,房屋保温隔热性能改善了,铺放管道采用优化的几何尺寸,水泥砂桨找平层下有保温层,对每一循环环路进行仔细的水力计算,保证所需设计流量,系统采用集中质调和分散质调(不要用温控阀调进入每块地板流量,而是通过调混合水量比例调供水温度——详见[4]),采取这些措施能保证随室内外空气温度变化可靠地调节地板放热量,维持室内舒适温度(图5)。

中小功率地板供暖系统

辐射墙板放热量
    2.2  辐射墙板供暖
   
辐射墙板可用于对其它形式供暖系统的补充(辅助),例如严寒地区朝北小房间,或有二、三面外围护结构的房间,因地板供暖时对地板面温度限制,可能放热量不足以补偿耗热量[4]。但辐射墙板也能用作独立的系统。因人体不与墙面直接接触,现行欧洲标准容许墙面温度高于30℃,墙面放热量就高于地板放热量,约为160200W/平方米(图6)。
   
使用墙板辐射供暖系统的房间,温度状况相当稳定。测定表明,当室温1920℃,墙板内盘管中平均水温40℃时,墙板放热量中辐射放热占80%~85%,对流放热占15%20%
辐射墙板供暖系统的另一特点是,它的热惰性比地板供暖系统小,这对需间歇供暖的房间有重要意义。但是住房由于布置家俱,墙板放热会大受影响,因此在设计方案选择时应予注意。
    
辐射供暖墙板的安装方式有:(1)抹灰层下安装。盘管用普通固定件直接装在墙内,外面抹灰层厚35mm左右(图7)。(2)装饰板下安装。盘管用竖向与横向支承杆固定在隔热材料层上,外面覆盖石膏或铝材装饰板。(3)浇注成混凝土板。盘管用钢筋固定,按惯用方法浇注混凝土预制板,可敞开安装或外部抹灰。

辐射墙板放热量
    2.3  辐射吊顶供暖
   
热水辐射吊顶供暖系统出现得比地板、墙板系统早。第一批应用的辐射吊顶供暖系统是把盘管直接浇注到混凝土楼板中,有热惰性大的缺点。现在大多采用悬挂式辐射板,热惰性小,安装与维修方便。它与辐射墙板一样不与人体接触,容许有较高的表面温度,可以保证在相当大的放热量下,不会造成人体特别的不舒适感。显然,辐射吊顶表面最高容许温度值主要取决于吊顶的高度,建议层高3m房间,板面温度与室温之间温差限制在10℃内[3](图8)。

辐射吊顶供暖
    我国现行规范规定,“热水吊顶辐射板最低安装高度3m,热水吊顶辐射板占天花板面积35%时,最高平均水温为56℃。”
   
由于热气向上,冷气向下可见,辐射吊顶既可供暖,又更适合于供冷,它可以很方便地在冬季供暖和夏季供冷两功能间转换。辐射吊顶冷暖系统特别适合于有时需重新进行平面分隔布置的大面积房间。
   
上述三种辐射板冷暖系统曾遭受冷落,现在又焕发了青春。因放热面积大,表面温度低,舒适性好,空气质量、卫生条件好,不污染环境和节能等优点,目前在住宅楼中应用也逐渐增多。
  
参考文献
[1]
陈兴华,庄斌舵,刘光远.冷凝式锅炉的特性与应用.暖通空调,20012):3840.
[2]
Богословский  В .Н . Строительная  теплофизика.Μ.:ΒШ,1970.
[3]
Ρедакция . Отопление  излучаю щими  панелями  ΑΒΟΚ,20036):3848.
[4]
陈兴华,谢治祥,王国云.地板供暖系统的某些特点.暖通制冷设备,20042):47.

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