薄型干式地板辐射供暖系统实验研究

低温热水地板辐射供暖系统由于高效节能、舒适美观、环保卫生等特点受到了人们的青睐。低温热水地板辐射供暖技术按照其构造可以分为传统做法（湿式）和预制板式做法（干式），而干式做法中又有常规做法和一体化做法2种形式^[1]。传统的湿式施T构造增加了地板构造本体厚度，降低了室内有效高度，增大了建筑物的荷载；同时由于温度应力的存在易引起楼板构造层的龟裂和变形，且维修不便。常规干式做法构造层内力学性能较差、蓄热能力差、构造层厚度大，且造价高。一体化干式做法加热管管径小，对水质要求较高，管路易堵塞，系统阻力大，能耗高；另外其铝箔层置于加热管上方，使得地板向下传热比例较大。

本文所研究的薄型干式热水供暖地板与常规湿式地板相比，可有效降低建筑物层高、减小楼板荷载、施工简单、维修方便、工期短、节约能源，且无地板表面及构造层内龟裂变形问题。与常规干式地板相比，可适度减小加热管管径和保温结构的厚度，从而可有效减小结构层厚度；结构层内结构相对密实，力学性能好；可适当设置铝箔层，地板表面温度均匀。与一体化干式地板相比，可适当加大加热管管径，对水质要求不高，不易造成系统管路堵塞，从而可减小系统阻力，降低能耗；同时可减小地板向下的传热比例，增加了单位面积散热量。

本文建立了薄型干式地板供暖的实验系统和样本间，进行了连续供暖和间歇供暖的实验研究，并与数值模拟结果进行了比较，为薄型干式地板辐射供暖系统的广泛使用提供了参考和依据。

地板供暖实验室为普通钢筋混凝土结构北向房间，房间尺寸为5990mm×2750 mm×2600 mm（长×宽×高），北外窗尺寸为1620mm×1740mm。地板构造层为薄型地板结构，包括楼板、保温层、双层铝箔层、加热管和地面层（见图1）。实验房间垫层材料的物性参数如表1所示。加热管间距为150 mm，热水平均温度为35℃。实验房间地板内加热管布置如图2所示。

实验测试过程中使用的仪器见表2，系统原理如图3所示。

实验中使用热电偶测量地板供暖实验房间的各点温度，其测点布置如表3和图4所示。实验用多点热流计测量地板表面热流密度与温度，测点在地板中央表面设置1个测点，斜对角方向各2个；室内空气温度测点按距地面100、200、300、400、500、600、700、1100、1 700、2 300和2 600 mm布置。

1)微分方程

微分方程假设条件包括：加热管内壁温度近似为水温并且恒定；构造层材料各向同性；构造层边界条件和断面温度分布不随时间变化。

描述计算单元的二维稳态导热微分方程式为：

式中，λ为导热系数，W/(m· K)；ρ为密度，kg/m³；c为比热容，kj/（kg· K）。

2)热流密度

地板表面换热包括对流换热和辐射换热。由《地面辐射供暖技术规程》( JGJ 142-2004)^[2]可得单位地面面积的对流散热量为：

式中，q_c为地板表面与室内空气间的对流换热量，W／m²；t_pj为地板表面平均温度，℃；t_n为室内空气平均温度，℃。

由ASHRAE推荐的地板辐射散热量为：

q_r = 4. 98×10^-8×（t_pj⁴- t_fj⁴）    (3)

式中，q_r为地板表面辐射换热量，W/m²；t_fj为房间非加热表面面积权重平均温度，℃；其余参数含义同前。

楼板下表面换热包括对流换热和辐射换热。辐射散热量的计算同式(3)；对流换热为热面朝下的无限空间自然对流换热^[3]，其准则关联式为：

式中，Nu为自然对流换热的努谢尔特数；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数；C为常数。

选取2010年3月13～14日进行连续供暖的实验结果进行分析，温度实时监测结果如图5所示，室内空气竖向温度分布如图6所示。可以看出，在测试期间，室外空气温度波动不大，保持在0℃以上；在供、回水平均温度为35℃的实验工况下，地板表面平均温度、室内空气平均温度的变化很小，基本保持稳定，地板表面热流密度略有波动，但整体趋势基本稳定；室内空气沿垂直高度的温度梯度较小，地面测点恰好处于管上位置，温度约为25.8℃，在1 700mm大约人体头部高度，达到19.7℃，体现了地板辐射供暖“脚热头凉”的室内空气温度特点。

在连续供暖期间，房间温度、地板表面温度、非加热表面温度及地板向上、向下热流密度的测试结果如表4所示。由表可知，地板供暖房间室内地板表面温度差约为2.65℃，温差较小，人体热舒适度高；地板表面平均温度小于28℃，室内单位面积单位温差地板表面散热量为3.29W/(m²·℃)，基本满足使用要求；地板向下散热量占总散热量的18.13%，小于传统湿式供暖地板向下传热损失所占比例。

表4连续供暖期间各参数测试结果

室外空气 温度/℃	水温/温差 /℃	室内空气 温度/℃	地板上表面 温度/℃	地板下表面 温度/℃
3.3	35.42/4.87	20.03	25.01	20.85
地板上表面 最大温差/℃	地板向上热流密度 /(W/m2)	地板向下热流密度 /(W/m2)	地板热损失率/%	地板散热能力 /(W/( m2·℃))
2.65	50.62	11.21	18.13	3.29

用ANSYS软件^[4]对实验室的实验模型进行了数值模拟分析。模拟充分考虑实际工程中各层之间不能紧密接触（可能存在空气间层）的情况，考虑木地板和铝箔间有0.5 mm的空气间层、铝箔和铝箔及加热管间有0.1 mm的空气间层。测试工况下的地板构造模型网格划分和地板构造层温度场云图分别见图7和图8。数值模拟结果及其与实测结果的

比较分别见表5和表6。由表可知，地板表面温度、向上热流密度和向下热流密度的实验结果均小于数值模拟结果，且误差小于5%。造成误差的主要原因包括：实验房间外窗面积较大，测试非加热表面温度的布点较少，不能完全代表其平均温度；测点处的局部不均匀性；地板四周不可能完全绝热，以及实验系统误差等。

表5数值模拟结果 

平均水温/℃	室内空气温度/℃	下层室内温度/℃	地板上表面温度/℃	地板下表面温度/℃
35.42	20.03	19.93	26.32	21.60
地板上表面 最大温差/℃	地板向上热流 密度/(W/m2)	地板向下热流 密度/(W/m2)	地板热损失率/%
1.17	53.14	11.76	18.12

表6地板上表面实测结果与模拟结果比较

工况			上表面温度
水温/℃			实测/℃	模拟/℃	误差/%
35.42			25.01	26.32	4.98
上表面热流密度			下表面热流密度
实测/(W/m2)	模拟/(W/m2)	误差/%	实测/(W/m2)	模拟/(W/m2)	误差/%
50.62	53.14	4.72	11.21	11.76	4.68

实验房间间歇供暖时间段为2010年3月15日16：00～16日8:00，其余时间停暖（考虑到上班时段可以停止供暖），对实验房间进行测试得到温度实时监测结果如图9所示，实验房间室内围护结构温度实时监测结果如图10所示。可以看出，在供、回水平均温度为35℃的间歇供暖实验工况下，开始供暖约2 h内系统处于预热阶段，地板表面温度和室内空气温度逐渐上升，2h之后地板表面平均温度、室内空气平均温度基本保持不变；地板表面热流密度在开始供暖时变化剧烈，但很快趋于稳定；早晨8:00停止供暖后，地板表面平均温度、室内空气平均温度逐渐下降，停暖后2h内下降幅度较大，之后呈缓慢下降趋势，直至下次供暖前；供暖前后室内空气温度变化幅度为3. 07℃，但未低于17℃；各个围护结构表面平均温度在预热阶段和停暖后变化比较小，只有北窗的温度随室外空气温度变化显著。

1)薄型干式地板供暖系统利用35℃的低温热水可以满足冬季供暖需要，并且符合《民用建筑节能设计标准》( JGJ 26-95)中的规定。

2)薄型干式地板供暖系统在构造方面很好地解决了传统湿式地板供暖做法中的一些不足，有效降低了构造层厚度、减小了楼板荷载、施工简单、维修方便。

3)薄型干式地板供暖系统当供、回水平均温度为35℃、温差为5℃连续供暖时，地板向下散热量占总散热量的18. 13%，小于传统湿式地板辐射供暖系统向下传热损失所占的比例；地板表面温差为2. 65℃，均匀性较好；室内单位面积单位温差地板表面散热量为3. 29W/( m²·℃)，散热能力大；室内空气温度分布符合人体舒适感觉，体现了地板供暖“脚热头凉”的特点。

4)采用ANSYS软件对薄型干式地板辐射供暖系统进行了数值模拟，计算结果与测试结果吻合良好，数值模拟方法可以作为计算地板供暖不同工况下的可靠工具。

5)薄型干式地板供暖系统当供、回水平均温度为35℃、温差为5℃间歇供暖时，供暖预热期少于 2h，供暖前后室内空气温度变化幅度为3.07℃，但 停暖后仍未低于17℃；各个围护结构表面平均温度在预热阶段和停暖后变化比较小。

6)薄型干式地板供暖系统间歇供暖即可以满足室内环境舒适度要求，与其它供暖方式相比，可以大大节约能源。

[1] 齐政新．水系统地板辐射采暖的干式做法[J]．建筑热能通风空调，2002，21(1)：32~ 34．

[2] 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，2004：5．

[3] 章熙民，任泽霈，梅飞鸣．传热学[M]4版北京：中国建筑工业出版社，2001：165~ 166．

[4] 张朝晖，等ANSYS 8 0热分析教程与实例解析[M]北京：中国铁道出版社，2005．