拼装反射式地板供暖系统试验研究
0 引 言
辐射供暖是指提升围护结构内表面中一个或者多个表面的温度，形成热辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行供暖的技术方法[1]。低温热水地板辐射供暖是以不高于60 ℃的热水作为热媒，将加热管埋设在地板中的低温辐射供暖方式。低温热水地板辐射供暖方式具有节能、热舒适性强、卫生条件好、可利用热源多、可实现“按户计量、分室调温”等诸多优点。
传统地板供暖系统的地面构造主要由结构层、保温层、豆石混凝土层、找平层和地面层组成。针对传统地板供暖系统，国内外很多研究人员利用理论、试验及模拟等方式，对其供暖机理、节能效果和热舒适性等进行了研究[2-4]。Seung-Bok Leigh，等对不同供暖系统的热舒适性和能量消耗进行了研究，得出地板供暖系统可节能10%~40%[5]。Haruo，等做了对地板辐射房间的辐射与对流热交换进行了基础性研究[6]。冉春雨，等应用有限元法对地板供暖系统进行了研究，并建立实验台进行了测试，证明地板供暖作为现有建筑的供暖手段是可行的[7]。李国建，等将相变技术和地板供暖技术相结合，建立了一种新型相变储能电热地板供暖系统，并对此系统做了实验测试，研究了其间歇性供暖、环境舒适性及节能性[8]。王文，等通过对重庆地区一住宅地板供暖系统和热泵空调器进行测试， 对比分析了2种供暖方式对室内热舒适性的影响及运行费用的差别[9]。
本文提出了一种新型地板供暖系统——拼装反射式地板供暖系统，优化设计出了拼装反射式地板供暖单元，并对其供暖机理进行了理论分析。而后，通过实验测试对比分析了拼装反射式地板供暖系统和传统地板供暖系统房间的能耗及舒适性，并对2种系统的经济性进行了分析。
1 拼装反射式地板供暖系统的建立
1.1 拼装反射式地板供暖单元设计
拼装反射式地板供暖单元模块包括覆面层和隔热保温层，其特征是在抗压保温材料的隔热保温层上凹表面覆反射膜，在保温层的上面架设覆面层，在隔热保温层和覆面层之间设置散热管，形成热量辐射空间（见图1）。覆面层为单元块拼装构成，具有隔热保温效果好、抗老化、基础高强度、抗压性好、不裂纹、施工方便、可提高施工速度、实现无湿作业、易于检修，以及维修费用低等特点。
图1 拼装反射式地板供暖单元
1.2 拼装反射式地板供暖实验系统
实验房间位于沈阳建筑大学环境学院人居环境实验室1层，房间尺寸为4.3 m×3 m×2.8 m（长×宽×高），南墙为外围护结构，外墙和承重墙砖厚为370 mm，南外墙设有1个双层塑钢窗（尺寸为1.5 m×1.5 m），房间门（木质）设置在北内墙（尺寸为1 m×2 m）。室内非承重墙厚为240 mm。在测试过程中，为了消除邻室对测试房间的影响，对其它邻室房间和房间上层进行供暖，温度维持在15 ℃左右。对比实验房间采用传统地板供暖系统进行供暖。在实验房间和对比房间分别做相同形式的地板供暖系统布置，铺设的单元模块管间距为200 mm，盘管布置成双回字型，上面铺设相同厚度的木质地板，如图2和图3所示。
图2 拼装反射式地板供暖系统地下盘管布置图 图3 传统地板供暖系统地下盘管布置图
2 拼装反射式地板供暖系统供暖机理分析
2.1 拼装反射式地板供暖单元热交换分析
传统地板供暖系统是将加热管固定在铝箔上，再在其上覆盖混凝土，辐射加热管将热量通过混凝土以纯导热的形式传到地板表面。而拼装反射式地板供暖系统是在拼装反射式地暖隔热结构上架设加热管，加热管置于封闭空气夹层中,主要以热对流和热辐射2种传热形式综合作用传递热量。在封闭的空气夹层中，加热管温度高于夹层内空气温度，会形成自然对流，靠近加热管的热空气上升，远离加热管的冷空气下沉，在夹层中形成空气环流，从而提高换热效率。另外，在夹层的下部凹槽表面装有反射膜， 热量被有效向上反射传递，从而减少了热量向下传递的损失（如图4所示）。
图4 拼装反射式地板供暖单元结构夹层气流示意图
2.2拼装反射式地板供暖房间热交换分析
在拼装反射式地板供暖房间，地板作为地板供暖系统的热源，其温度相对较高，而室内围护结构内表面温度相对较低，由于温差的存在上述各表面间存在着以长波辐射形式进行的热交换，这些通过辐射进行的换热量占据了室内全部换热量的大部分，各围护结构内表面之间的辐射可以用辐射换热等效网络法来描述[9-10]：
式中，Ji和Jj为有效辐射，W/m2；Ebj为辐射力，W/m2；Ai为辐射面积，m2；εi为发射率；Xij为角系数。
3 拼装反射式地板供暖系统实验测试
3.1 测试仪器
本实验热源采用型号DCGN-4小型电锅炉，热媒介质为水，用铜-康铜热电偶测量室内、外的温度及供、回水温度，用软板式热流传感器（WYR-A）测量地板热流量，用SWP-SSR-M型智能化64路巡检仪检测实验数据并与电脑连接记录数据，用转子流量计测量循环水流量，耗电量由单相电表记录。实验于2008年12月～2009年1月在沈阳进行，主要测试了室外空气温度、室内不同高度的空气温度、墙体和顶棚壁面温度、辐射地板表面温度、地板表面热流量及临室空气温度。图5给出了地板供暖实验系统的示意图。
图5 地板供暖实验系统示意图
3.2 实验房间测点布置
实验房间地板表面平均分成9个区，每区中心设置1个测点，在分析实验数据时，取9个测点测得的数据平均值作为地板表面的平均温度（见图6）。另外，房间四面墙体内表面中心各设置1个测点，测得墙体表面温度；窗户上布置1个测点；房间中间断面处顶棚设置3个测点，测得顶棚表面温度；分别在房间中间断面距地面0.15、1.4和2.65 m高度处布置测点，测点数分别为3个、9个和3个，如图7所示。
图6 地板表面测点布置示意图 图7 实验房间测点布置示意图
3.3 测试方法
在进行实验之前，对实验系统连续试运行1 d，使系统处于稳定状态。实验期间为保证所测得的实验数据的准确性，将门窗关闭，以排除冷风渗透、太阳辐射等因素对测试结果的影响，同时减少测试人员进出实验房间对温度场的影响。本实验定流量测试，供水温度变工况调节，在35～60 ℃左右（本文选取供水温度为55 ℃工况），同时对实验房间和对比实验房间进行供水。
4 实验结果分析
4.1 拼装反射式地板供暖系统地下盘管供热量
开启实验系统试运行一段时间，待系统稳定后，开始测试。供、回水温度分别为55 ℃和51 ℃，水流量为0.24 m3/h，管内流速为0.332 m/s。根据式（2）可得出供热量：
Q=cp·m·(twg-twh) (2)
式中，cp为水的定压比热，取为4.19×103 J／（kg·℃）；m为水的流量，kg／s；twg为供水温度，℃；twh为回水温度，℃；
计算所得拼装反射式地板供暖系统供热量为1 102.9 W，单位面积供热量为85.5 W/m2。实测地板向上传热热流密度为73.4 W/m2，则向下传热热流密度约为12.1 W/m2，即将会有14.2%的热量向下传递；传统地板供暖系统单位面积供热量为80.8 W/m2，向下传递的热量为21.4%。两者比较说明拼装反射式地板供暖单元具有较高的保温隔热效果。
4.2 测试房间温度场分布及热舒适性分析
表1给出了2种地板供暖系统房间各内表面和室内空气的测试温度。图8为不同时刻室外空气温度变化，图9给出了2种地板供暖系统的实测房间竖向温度分布。可以看出，拼装反射式地板供暖系统与传统地板供暖系统具有相似的室内空间温度场分布规律，地板表面温度均高于室内空气温度，体现了地板辐射供暖“脚暖头凉”的室内空气温度分布特点，人体感觉舒适，室内空气温度随着高度的增加而增加，在顶棚处略有减小，拼装反射式地板供暖房间空气竖向温差为1.3 ℃，满足人体舒适感程度。当系统稳定运行后，尽管室外空气温度波动的最大温差为8 ℃，室内空气温度波动值仅为1 ℃左右。
表1 2种地板供暖系统房间各内表面和室内空气测试温度 ℃
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供暖方式
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墙表面
平均温度 |
顶棚表面
平均温度 |
地板表面
平均温度 |
1.4 m处
空气温度 |
0.15 m处
空气温度 |
2.65 m处
空气温度 |
各表面
平均辐射温度 |
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传统地板供暖系统
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19.6
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20.1
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26.5
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20.8
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19.5
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21.1
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19.7
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拼装反射式地板供暖系统
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20.2
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20.5
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28.6
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21.8
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20.6
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21.9
|
20.2
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图8 不同时刻室外空气温度变化 图9 2种地板供暖系统实测房间竖向温度分布
图10为2种地板供暖系统实测地板表面温度分布，可以看出，拼装反射式地板供暖比传统地板供暖地板表面温度分布波动大，地板表面温差大，最大值为5.8 ℃，而传统地板供暖地板表面温差最大值仅为3.3 ℃，热均匀性好。
图10 2种地板供暖系统地板表面温度分布
图11为两种地板供暖系统实测不同时刻室内空气温度分布，可以看出，拼装反射式地板供暖不同时刻室内空气温度曲线平缓，波动小，最大温差仅为1.2 ℃；传统地板供暖不同时刻室内空气温度波动性大，最大温差达2.7 ℃，且在不同时刻室内空气温度明显比拼装反射式地板供暖低，二者最大温差为1.5 ℃。因此，在相同的实验条件下，拼装反射式地板供暖房间明显比传统地板供暖房间空气温度略高，热舒适性较强。
图11 2种地板供暖系统不同时刻室内空气温度分布
4.3 拼装反射式地板供暖系统热平衡分析
电锅炉加热的热水，经过盘管在拼装反射式地暖隔热结构模块中进行换热，包括向上、下和各侧面的换热。
热水在盘管的供热量为：
Q=cp·m·(twg-twh) =Q1+Q2 （3）
式中，Q1为地板向上的传热量，W；Q2为经楼板向下传导损失的热量，W；其余参数含义同前。
地板向上的传热量包括辐射散热量和对流散热量2部分：
Q1= Qf+ Qd （4）
（5）
Qd =2.17(tpj - tn)1.31 （6）
（7）
式中，Qf为地板辐射散热量，W/m2；Qd为地板与空气的对流散热量，W/m2；tpj为地板表面平均温度，℃；tf为房间非加热表面平均辐射温度，℃；tn为室内空气温度，℃；Fn为房间各非加热表面面积，m2；ti为房间各非加热表面温度，℃。
根据（3）～（7）计算可以得到2种地板供暖系统的传热量，见表2。可以看出，地板供暖散热以辐射散热为主，2种地板供暖系统辐射散热量占地板向上传热量的62%左右。在相同条件下，传统地板供暖系统热损失为29.4%，拼装反射式地板供暖系统热损失为17.3%，两者比较，后者热损失明显较小，能耗少，节能效果好。另外，对于拼装反射式地板供暖系统，地板向上传热量实测值为73.4 W/m2，根据温度场分布计算的相应值为70.7 W/m2，两者误差为3.6%，误差较小，测试结果可信。
表2 2种地板供暖系统的传热量分析
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供暖方式
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地板辐射 散热量Qf /(W/m2)
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地板对流
散热量Qd /(W/m2) |
地板向上
传热量Q1 /(W/m2) |
辐射散热
所占百分比 Qf/Q1/% |
对流散热
所占百分比 Qd/Q1/% |
热水的
供热量Q /(W/m2) |
损失散
热量Q2 /(W/m2) |
损失散热
占百分比 Q2/Q/% |
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传统地板供暖系统
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35.2
|
21.2
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56.4
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62.4
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38.6
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80.8
|
24
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29.4
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拼装反射式地板供暖系统
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44
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26.7
|
70.7
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62.3
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38.8
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85.5
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14.8
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17.3
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4.4 经济性对比分析
4.4.1 传统地板供暖系统成本费用
根据《地面辐射供暖技术规程》（JGJ 142-2004）可知传统地板供暖系统的地面构造设计要求如下：楼层之间楼板上的绝热层为20 mm；与土壤或不供暖房间相临的地板上的绝热层为30 mm；与室外空气相临的地板上的绝热层为40 mm。聚苯乙烯泡沫塑料容重大于或等于20 kg/m3，填充层的材料宜采用C15豆石混凝土，豆石粒径宜为5～12 mm，加热管的填充层厚度不宜小于50 mm[11]。
聚苯乙烯泡沫塑料市场价按360元/m3计算，具体分析如下：1）聚苯板厚度为20 mm，价格为7.2元/m2；聚苯板厚度为30 mm，价格为11元/m2；聚苯板厚度为40 mm，价格为14.5元/m2。2）钢网片Ф=1.8 mm，尺寸为1 m×2 m，价格为1.53元/m2。3）铝箔反射膜，价格为1元/ m2。4）各种弯管卡、钉卡、扎带和膨胀螺栓等，价格为1.5元/m2。5）现场人工费（不含施工），价格为3.5元/m2。6）现场施工（对方提供工具），价格为12元/m2。
综合可得传统地板供暖系统成本费用为：1）聚苯板厚度为20 mm，价格为26.73元/m2。2）聚苯板厚度为30 mm，价格为30.53元/m2。3）聚苯板厚度为40 mm，价格为34.03元/m2。
4.4.2 拼装反射式地板供暖系统成本费用
拼装反射式地板供暖单元只涉及到水泥、珍珠岩、炉渣等原材料，以及人工费和设备折旧费，具体分析如下：1）原材料费：水泥市场价按300元/t、珍珠岩按60元/m3、炉渣按5元/m3、粉煤灰按80元/t计算，依比例粗略计算每m2拼装反射式地板供暖单元价格约为11元/m2。2）生产人工费：若需5人生产，每天产量为500 m2计算，价格为0.3元/m2。3）设备折旧费（按5 a计算），价格为0.02元/m2。4）现场铺设施工，价格为3元/m2。5）盖板(水泥压力板)，价格为7～9元/m2。
综合可得拼装反射式地板供暖系统成本费用为22.32元/m2。
可以看出，在热源相同、维护费用相同的情况下，拼装反射式地板供暖系统的成本费用小于传统地板供暖系统的成本费用，初投资低。
5 结 论
1）拼装反射式地板供暖单元实现了模块化，并且可以干式施工、施工方便、易于维修，提高了施工速度。
2）拼装反射式地板供暖单元向下传热损失仅为17.3%，保温隔热效果好。
3）拼装反射式地板供暖系统地板辐射散热为62.3%，辐射率高，有效散热量高，在同样条件下，热损失少，节能效果好。
4）拼装反射式地板供暖系统的室内空气温度分布特点是“脚暖头凉”，这种感觉与对流传热所形成的“头暖脚凉”感觉相比，室内空气温度即使比对流供暖方式低1～3 ℃，也能使人具有同样的温暖感觉。室内竖向空气温度分布均匀，不同时刻室内空气温度波动性小，由于有辐射强度和温度的双重作用，人体具有较佳舒适感。
5）在热源相同、维护费用相同的情况下，拼装反射式地板供暖系统比传统地板供暖系统成本低，初投资少。
参考文献
[1]王子介. 低温辐射供暖与辐射供冷[M]. 北京：机械工业出版社，2004.
[2]王 文,何雪冰,陈建苹,等. 低温热水地板与热泵空调器采暖测试对比分析[J]. 重庆建筑大学学报，2001, 23(2)：43~49.
[3]张云斌,陆春林,金苏敏. 地板采暖系统实测与室内温度场计算[J].流体机械,2006，34（3）：74~78.
[4]钟珂,亢燕铭,吕静,等. 辐射供暖房间耗热量分析[J].暖通空调,2004，34（1）：70~73.
[5]Seung-Bok Leigh, et al. A comparative study of proportional flux-modulation and various types of temperature modulation approaches for radiant floor heating system control[J]. ASHRAE Transactions, 1994,100(1):1040~1053.
[6]Haruo Hanibuchi, Shuichi Hokoi. Basic study of radiative and Convective exchange in a room with floor heating[J]. ASHRAE Transactions, 1998,104(1):1098~1105.
[7]冉春雨,廉乐明,王义贞.塑料管地板采暖系统的研究[C]//低温热水地板辐射供暖技术论文集,1999：26～32.
[8]李国建,冯国会,朱能，等.新型相变储能电热地板采暖系统[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2006, 22(2)：294~298.
[9]张熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学[M].4版.北京：中国建筑工业出版社， 2005:218~227.
[10]宋兆培,翟晓强,王如竹. 低温辐射地板采暖辐射换热分析[C]//全国暖通空调制冷2008年学术年会论文集, 2008.
[11]中国建筑科学研究院. JGJ 142-2004 地面辐射供暖技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.