地面辐射采暖的利与弊
0 引言
目前，中国的经济正处于高速发展的时期，房地产行业更是以惊人的速度向前发展，人民的生活水平显著提高，与此同时，人们对居住环境的要求也越来越高，作为暖通工作者，一方面，我们要满足人们不断提高的居住环境的要求，另一方面，我们要严格执行国家的节能减排政策，这就要求我们的专业知识要与时俱进，只有从理论上和实践上都对新知识有比较深入的了解，才能更好的指导设计工作，从而推动整个行业的发展。下面主要从暖通设计的角度讨论地面辐射采暖的利与弊。
1 地面辐射采暖的舒适性
1.1 地面辐射采暖的概念与特征
所谓辐射采暖就是主要依靠供热部件与围护结构内表面之间的辐射换热向房间供热的采暖方式，其最显著的特征是采暖房间各围护结构的内表面(包括供热部件表面)的平均温度tm高于室内空气温度tn【8】，即
tm>tn (1)
这一特征是辐射采暖与对流采暖的主要区别，同时，由于地面填充层的蓄热量大，热稳定性好，在间歇供暖情况下，室内温度变化延迟，适合于间歇性、低温供暖的方式。
1.2 地面辐射采暖与人体热平衡
无论是哪种采暖方式，其目的都是为居住在其中的人提供一个舒适的热环境，就是说采暖要以人为本，使人体与所在的空间处于一个动态热平衡，同时房间与室外空气也处于一个动态的热平衡，那么我们就要明确人体的热平衡方程【4】，即
M-W-C-R-E-S=0 (2)
式中：M人体能量代谢率，W/m2
W人体所做机械功，W/m2
C人体外表面以对流形式向周围环境所散放的热量，W/m2
R人体外表面以辐射形式向周围环境所散放的热量，W/m2
E汗液蒸发和所呼出的水蒸气所带走的热量，W/m2
S人体蓄热率，W/m2
预计平均热感觉指数PMV【4】
PMV=[0.303exp(-0.036M)+0.0275]TL (3)
式中：TL-人体热平衡
由公式(2)可知，人体的热舒适主要与室内人员的运动情况(影响W值)、空气流速(影响C值)、围护结构内表面温度(影响R值)、空气湿度(影响E值)等因素有关，地面辐射采暖的热量部分被吸收，部分被反射，同时形成二次辐射，最终表现形式就是(1)式，因而创造了一个对人体有利的热环境，减少了人体向围护结构的内表面的辐射放热量(使(2)式中的R值减少)，迎合了人体的生理特征，热舒适增加。根据测试，在相同的热舒适条件下，即公式(3)值相同，地面辐射采暖比散热器对流采暖的室内空气温度可降低大约2℃【1】，本文中所做的比较都是基于相同的热舒适(PMV相同)条件下进行的。
1.3 地面辐射采暖与温度梯度
众所周之，传统的散热器采暖在自然对流的情况下，室内上部温度较高，下部温度较低，竖向温度梯度加大，不利于热舒适，而地面辐射采暖沿着房间高度方向温度比较均匀，且减少污浊空气对流上升和减少楼层间的噪声，对于顶层可以减少房间上部的无效热损失，图1给出地面辐射采暖与散热器采暖沿高度方向室内温度变化，以房间高为1.5m处，空气温度为18℃为基础来比较，从图1【8】中更可以直观的看出室内地表温度均匀，室内温度由下而上逐渐递减，热量集中于地面的腿、脚附近，同时头部对流换热有所增加，令人感觉舒适，符合人体的生理需求，有利于改善人体热舒适。
图1 不同采暖方式下沿房间高度室内温度变化
2 地面辐射采暖的节能性
2.1 从房间热负荷计算角度讨论节能性
所谓围护结构热负荷就是为了维持一定的室内温度，单位时间向室内提供的热量，其实质是围护结构温差的传热量，是一个动态平衡过程。对于民用建筑而言，其主要包括围护结构的基本耗热量和加热通过门窗缝隙渗入室内冷空气的耗热量，这里着重分析基本耗热量Qj【3】，即
Qi=K•F(tn-twn)α (4)
(5) 公式(4)的传热过程见图2，可见，这主要是个对流换热过程，先通过散热设备将围护结构附近的空气加热升温到tf1，然后围护结构附近热空气与墙内表面（内表面对流换热系数为α1）对流换热，墙内表面升温达到tw1，然后通过导热过程使墙外表面（外表面对流换热系数为α2）温度达到tw2，外表面再与室外空气tf2进行对流换热。下面推导在对流情况下，围护结构内表面温度tw1，近似认为tn与tf1相同，以沈阳某项目的墙体为例，室内温度tf1=20℃，热阻分别是1/α1=0.11(m2•K)/W,
，1/α2=0.04(m2•K)/W，室外温度tf2=twn=-19℃，稳态传热的热流密度q【7】计算公式如下，即
，1/α2=0.04(m2•K)/W，室外温度tf2=twn=-19℃，稳态传热的热流密度q【7】计算公式如下，即
（6）将上述数据带入公式(5)可得，tw1=17.99℃。由公式(1)可知，地面辐射采暖内表面温度t´w1高于室内空气温度tn (即使降低2℃，t´w1仍大于对流换热时内表面温度tw1)，其传热过程见图3，温度是t´w1的内表面一方面以辐射和对流的形式向室内散热，另一方面通过导热和对流的形式向室外散热，那么实际的采暖热负荷应该是通过围护结构内表面传到室外的热量，此时按稳态传热计算其传热系数和热流密度
(7) 
(8) 表1地面辐射采暖与对流采暖计算参数的比较
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地面辐射采暖
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对流采暖
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比较结果
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传热系数
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K´>K
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室内温度
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t´n=18℃
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tn=20℃
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t´n
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内表面温度
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t´w1> t´n=18℃
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tw1=17.99℃
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t´w1>tw1
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热流密度
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q´>q
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通过表1可见，热流密度q′>q，所以从采暖热负荷计算角度来看，地面辐射采暖不应按对流公式(4)进行计算，降低2℃计算采暖热负荷是不正确的，如按照对流热负荷计算方法计算地面辐射采暖热负荷应在不降低2℃的条件下进行修正（修正系数大于1）。
图2对流传热过程 图3辐射传热过程
2.2 从设计角度讨论节能性
目前，地面辐射采暖的设计主要按照规范《地面辐射供暖技术规程》JGJ142-2004来执行的，具体来说采暖区域加热管的间距是按照规程附录 中的数据来计算的，但表中最大的加热管间距是300mm，为了与热负荷相匹配，只能是靠近外围护结构局部敷设加热管，导致地面冷热不均匀，影响热舒适。下面举例来说明，沈阳某户型的南向卧室(标准层且无山墙)开间3.3m，进深4.6m，层高是3m，窗户是1800×1800mm，按照沈阳目前65%节能计算围护结构传热系数【2】，外墙0.45W/(m2•K)，外窗2.5W/(m2•K)，室内计算温度取20℃，若按照对流计算热负荷，其采暖热负荷为459W，户间传热量为46W，局部遮挡50W，修正后需求热量为555W，热指标为36.6W/m2，如果按60/50℃供回水温度计算，300mm间距PEX盘管在木地板工况下的散热量是124.2 W/m2，即使按50/40℃供回水温度计算，300mm间距PEX盘管在木地板工况下的散热量还达到89.8 W/m2，如果满面积敷设其散热量是实际需求的2.5倍；如果是靠近外围护结构局部敷设，只能比喻成将原来窗台下的散热器放大一点后平铺在地面上，也就构不成辐射采暖了(以对流为主)，如果能把加热管的间距加大，更有利于节能与热舒适。在实际的施工过程中，有些不负责任的施工单位想当然地按照一定的间距满面积敷设，使各房间单位面积散热量和各个环路的管长相差很大，同时存在局部超温现象，最终导致低水温运行且冷热不均，极大的浪费能源。此外，对于大面积的公共建筑，如住宅园区中的会所等，如果将地热盘管控制在300mm间距内，由于室内面积大也导致实际的散热量远大于其实际所需的热负荷，也不利于节能，所以建议根据实际计算的热负荷情况来计算加热管间距，且随着加热管间距的加大单位加热管长度的散热量将增加，是有利于节能节材的。表2和表3是按照50/40℃供回水温差分别计算PEX盘管在木地板和水泥或陶瓷地板工况下大于300mm间距的散热量(根据单位管长的散热量计算而得)，仅供参考。从表2可以看出，上例中敷设600mm间距的加热管是比较合适的。
表2 PE-X管单位地面面积的散热量和向下传热损失(W/m2)
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平均水 温
(℃)
|
室内空气温 度
(℃)
|
加热管间距(mm)
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|||||||||||
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350
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
|
||||||||
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
||
|
45
|
16
|
82.9
|
31.4
|
72.5
|
27.5
|
64.4
|
24.4
|
58.0
|
22.0
|
52.7
|
20.0
|
48.3
|
18.3
|
|
18
|
77.7
|
29.4
|
68.0
|
25.8
|
60.4
|
22.9
|
54.4
|
20.6
|
49.5
|
18.7
|
45.3
|
17.2
|
|
|
20
|
72.3
|
28.0
|
63.3
|
24.5
|
56.2
|
21.8
|
50.6
|
19.6
|
46.0
|
17.8
|
42.2
|
16.3
|
|
|
22
|
67.1
|
26.1
|
58.8
|
22.8
|
52.2
|
20.3
|
47.0
|
18.2
|
42.7
|
16.6
|
39.2
|
15.2
|
|
|
24
|
61.7
|
24.2
|
54.0
|
21.2
|
48.0
|
18.8
|
43.2
|
17.0
|
39.3
|
15.4
|
36.0
|
14.1
|
|
注：地面层为木地板、热阻R=0.1(m2•K/W)，加热管的公称外径20mm、填充层厚度为50mm、聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度为20mm、供回水温差10℃。
表3 PE-X管单位地面面积的散热量和向下传热损失(W/m2)
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平均水 温
(℃)
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室内空气温 度
(℃)
|
加热管间距(mm)
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|||||||||||
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350
|
400
|
450
|
500
|
550
|
600
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||||||||
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散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
散热量
|
热损失
|
||
|
45
|
16
|
114
|
30.7
|
99.8
|
26.9
|
88.7
|
23.9
|
79.8
|
21.5
|
72.5
|
19.6
|
66.5
|
17.9
|
|
18
|
107
|
28.7
|
93.4
|
25.2
|
83.0
|
22.4
|
74.7
|
20.1
|
67.9
|
18.3
|
62.3
|
16.8
|
|
|
20
|
99.1
|
27.5
|
86.8
|
24.0
|
77.1
|
21.4
|
69.4
|
19.2
|
63.1
|
17.5
|
57.8
|
16.0
|
|
|
22
|
91.8
|
25.5
|
80.3
|
22.3
|
71.4
|
19.8
|
64.2
|
17.8
|
58.4
|
16.2
|
53.5
|
14.9
|
|
|
24
|
84.2
|
23.9
|
73.7
|
20.9
|
65.5
|
18.6
|
59.0
|
16.7
|
53.6
|
15.2
|
49.1
|
13.9
|
|
注：地面层为水泥或陶瓷、热阻R=0.02(m2•K/W)，加热管的公称外径20mm、填充层厚度为50mm、聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度为20mm、供回水温差10℃。
2.3 从实际运行管理角度讨论节能性
管网系统中的流量G(kg/h)，泵的轴功率N(W)【5】，即
G=0.86∑Q/(tg-th) (9)
N=(G·H)/(367·η) (10)
从公式(9)可见，泵的轴功率N的大小主要由系统的流量G和阻力H决定的，下面通过A户型(见图4)举例说明，4A户型分别采用地面辐射采暖（暂且按公式(4)且降低2℃计算）和水平单管跨越的散热器采暖方式，详细计算结果见表4。
表4 不同采暖方式水力计算比较
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A户型
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地面辐射采暖
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散热器采暖
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供回水温度(℃)
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50/40
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80/60
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户型流量 (kg/h)
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275
|
144
|
|
户型阻力(Pa)
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1889
|
1988
|
|
户型轴功率(W)
|
0.28
|
0.16
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从表4可以看出，地面辐射采暖系统的能耗大约是散热器采暖系统能耗的2倍，考虑到实际运行时，一方面冬季室外平均温度小于采暖室外计算温度twn，而运行调节通常是质调节，导致系统在小温差大流量下运行；另一方面，如上文所述，不合理的施工(满面积辐射加热盘管)也导致实际运行时是小温差大流量，最终使整个系统在高能耗下运行。
图4 A户型不同采暖方式的比较
3 地面辐射采暖的经济性
3.1 从初投资角度讨论经济性
根据相关资料，地面辐射采暖的初投资比散热器采暖增加30%左右，而且结构的初投资也有所增加，尤其是高层建筑，此外，对于整个系统(从热源到末端)，因为流量的加倍，整个系统的管径都要加大，所以实际的综合初投资费用将大于30%。
3.2 从运行费用角度讨论经济性
运行管理的目的是使各个用户的室内温度保持不变。其调节基本原理是热平衡【6】，即
Q1=Q2=Q3 (11)
Q1′=Q2′=Q3′ (12)
式中：Q1,Q1′分别是设计工况和实际工况下的采暖热负荷，W
Q2,Q2′分别是设计工况和实际工况下散热设备所散出的热量，W
Q3,Q3′分别是设计工况和实际工况下外网所供给的热量，W
理论上来说，只要供暖系统各用户的采暖设计热负荷与实际需要量相一致，同时，系统在稳定状态下连续运行，且系统循环水量按一定比例调控，就可以根据公式(11)和(12)及相应的公式计算出在不同室外的温度下所需要的供回水温度和流量，也就是分阶段改变流量的质调节。但是，就目前的实际现状而言，大部分用户的设计热负荷远大于实际的需要值，余量在50%以上，导致锅炉或换热站和循环水泵都大，形成大马拉小车的运行状态，不可能准确的按计算值来调节供回水温度，另外，由公式(13)可知，改变流量将使水泵曲线与管网曲线相交的设计工况点与实际工况点产生很大的偏差，产生水力失调问题，所以大多数采暖系统在实际运行时，都是凭借经验，采用质调节方式。下面通过公式(12)、(13)【5】分析实际运行能耗。
G/G′=n/n′,H/H′=( n/n′)2, N/N′=( n/n′)3 (13)
H=S•G2 (14)
由公式(12)可知，耗电量N和流量G的三次方成正比，如前文2.3所述，地面辐射采暖本身设计流量就是传统散热器的2倍，再加上实际的运行的质调节，大大增加了运行费用。
4 结论
4.1 地面辐射采暖的利
地面辐射采暖具有不占用建筑面积、卫生洁净、减少噪声、热稳定性好、热舒适性好等优点。
4.2 地面辐射采暖的弊
地面辐射采暖系统是不利于节能的，同时也是不经济的，且存在装修等安全隐患和占用层高等缺点。
4.3 地面辐射采暖降低2℃的含义
降低2℃是指在相同热舒适(PMV相同)条件下，地面辐射采暖的实测室内温度可以比传统散热器采暖的实测室内温度降低大约2℃，而不是在地面辐射采暖的热负荷计算中，将室内计算温度降低2℃，通过2.1节的分析可知，在计算地面辐射采暖的热负荷时，在不降低2℃的条件下，还应该乘以一个大于1的修正系数。
综上所述，笔者认为新建住宅项目是否采用地面辐射供暖方式应经过综合的技术经济比较，虽然供暖在整个基建项目中所占用的投资份额很少，也同时要兼顾它的节能性和经济性，不推荐优先采用地面辐射采暖方式；当然，对于游泳馆、单体高大空间的房间(缓解温度梯度)等是适宜采用地面辐射采暖方式的，此外，将其与地源热泵或太阳能等新技术相结合，优化系统设计，将会在很大的程度上改善其节能性和经济性，也有利于营造一个资源节约型和环境友好型的和谐社会。
参考文献：
［1］中华人民共和国行业标准≤地面辐射供暖技术规程≥［S］.北京:JGJ142-2004.
［2］中华人民共和国地方标准《居住建筑节能设计标准》［S］.辽宁:DB21/T1476-2006.
［3］陆耀庆.实用供热通风设计手册［S］.北京:中国建筑工业出版社，2007.
［4］金招芬.朱颖心.建筑环境学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.
［5］付祥钊.王岳人.流体输配管网［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.
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［7］章熙民.传热学［M］.北京:.中国建筑工业出版社，2001.
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