地板辐射采暖系统实验研究
0 引言
地板辐射采暖是近些年新兴的供热方式，该系统以其舒适性和节能性在我国的建筑中已广泛使用,国内对该系统也有大量研究,但是针对具体工程实际运行情况的研究还存在不足。本文主要针对一现有建筑的地板采暖室内温度随着外围护结构改变的分布情况做出研究，得出各房间的不同，为今后设计人员设计该系统提供帮助。
1 实验条件
2007年1月份作者对采用地板辐射采暖系统的本校住宅楼进行了房间内表面温度分布、室内垂直和水平温度分布测试。在测试时选用具有不同外围护结构的房间，本次实验分别对位于建筑物中间层与顶层四个房间进行了测试，同一层的两房间一个为中间户，有一面外墙；一个为边户，有两面外墙。四个房间建筑面积相等，均为南向住宅。
2 测量工具
温度测量：德国testo公司生产的红外线测温仪，测温范围：-20—420℃，分辨率：0.11℃或0.1F，精度±0.1℃，准确度±2%，普通的温度计，精度0.01℃
湿度测量：德国testo公司生产的温湿度仪，测湿范围：5%-95%，精度±0.3%，干湿球温度计，精度0.01℃。
风速风温测量：德国testo公司生产风速仪，适用于气体接触测试，精度±2%，热球式风速仪，接触式测试，精度±1%
红外热像仪：德国testo生产，分辩率0.1℃，测温范围：-200—900℃，准确度：2%，精度±2℃。
3 实验任务
1） 测试辐射面的温度。
2） 测试室内不同测点在不同高度的空气温度。
3） 测试房间各围护结构的内表面温度。
4 测试房间热工特性及测试布点情况
4.1 地板辐射采暖测试房间特性
本次实验分别对位于建筑物中间层与顶层四个房间进行了测试。四个房间建筑面积相等，均为南向住宅。本节以这四个房间为研究对象,在各房间布置温度计进行室内温度测试,由于非边户房间东西墙外邻室均为采暖房间, 东西向温度差异小,所以水平面温度测点仅在南北向布置,而两各边户比非边户增加一面外墙,受到外墙的影响,室内水平温度与非边户存在一定差异,为了得出定性的变化情况,在边户东西向增加两个测点进行测试.
表1 各测试房间特性
| 房间号 | 房间1 | 房间2 | 房间3 | 房间4 |
| 房间围护结构特性 | 中间层,非边户，一面外墙,窗户大小: 1.7米×1.8米 | 顶层,非边户，一面外墙+屋顶，窗户大小:1.7米×1.8米 | 中间层,边户，两面外墙，窗户大小: 1.7米×3.3米 | 顶层,边户，两面外墙+屋顶，窗户大小: 1.7米×3.3米 |
| 地板盘管形式 | 盘管间距为300mm | 靠近外墙管间距为200mm,其余为250mm | 靠近外墙管间距为200mm,其余为300mm | 靠近外墙管间距为200mm,其余为250mm |
4.2 室内水平温度分布
水平温度测点分别位于房间中部，呈东西、南北向分布，南北向设有3个测点，距外墙的距离分别为：0.5米，1.5米，2.5米。东西向设三个测定分别距西墙为：0.5米，1.5米，2.5米。室内各水平位置测温点布置如图1-图3所示：
图1 房间1、3水平温度测试点布置 图2 房间2、4水平温度测试点布置
4.3 围护结构内壁面温度分布
由于在辐射供暖系统运行中，辐射换热量占很大一部分，因此，围护结构内壁面温度的高低将影响换热量的大小，所以有必要掌握围护结构内壁面的温度。为此，在实验房间顶棚、地面、各内壁面均匀布
图3 地面温度测点布置
置了9个温度测点，各面墙体的温度测点布置与地面相似，各点均匀布置在各面上，墙壁温度取各值的平均值。
4.4 室内垂直温度分布
为了研究辐射采暖系统的室内温度分布，在实验房间内各垂直高度进行温度测试。垂直温度测试位置分别为距地面0.2m,0.3m, 0.4m, 0.6m, 0.8m,1.0m, 1.4m，1.7m,2.0m。
室内各垂直测温点布置如图4-5所示：
图4 东西向温度布置 图5 南北向温度点布置
4.5 室外温湿度测试
室外温度由干湿球温度计进行测定，室内外湿度也采用干湿球温度计测量。
5 实验结果分析
5.1 室内空气垂直温度场分布
测试房间外墙均为270mm的保温墙体,房间1、3外窗为宽×高=1.8米×1.7米的双层铝合金窗,房间2、4外窗为宽×高=3.3米×1.7米的双层铝合金窗，散热面都是实木地板。取2007年冬季一天的室内温度场进行分析。各房间不同高度测点的平均温度如表2所示。
表2各房间垂直测点平均温度(℃)
| 高度/测点 | 房间1 | 房间2 | 房间3 | 房间4 |
| 0.2米 | 23.7 | 20.2 | 20.6 | 18.2 |
| 0.3米 | 23.6 | 20.2 | 20.5 | 18.1 |
| 0.4米 | 23.4 | 20 | 20.1 | 18 |
| 0.6米 | 23.5 | 19.5 | 20.0 | 17.3 |
| 0.8米 | 23.4 | 19.4 | 20.0 | 17.0 |
| 1.0米 | 23.3 | 19.4 | 20 | 16.9 |
| 1.4米 | 23.3 | 19.3 | 19.9 | 16.9 |
| 1.7米 | 23.2 | 19.3 | 19.8 | 16.8 |
| 2.0米 | 23.1 | 19.2 | 19.6 | 16.7 |
| △t | 0.6 | 1.0 | 1.0 | 1.5 |
图6 各房间垂直温度分布曲线
房间1、3位于建筑物中间层，2、4位于建筑物顶层。图4.9曲线温度取时均值,由图中可以看出，4个房间温度都是从地面向上温度逐渐降低，温度变化呈现负梯度。同层房间的温度变化趋势基本相同，顶层的温度变化幅度较大于中间层。同层房间进行比较时，中间层非边户平均温度比边户平均温度高3℃，而顶层非边户的平均温度比边户的温度高2℃。该建筑室内设计温度为20℃，经过实测可以发现房间1室内平均温度远高于20℃，达到23℃以上，最高温度23.7℃，最低温度23.1℃，最大温度差为0.6℃，温度梯度为-0.3℃/m；房间2和房间3室内低于1米的高度范围内温度＞20℃，而高于1米的空间室内温度＜20℃，房间2的最高温度为20.2℃，最低温度为19.2℃，最大温度差为1℃/m，温度梯度为-0.55℃/m；房间3最高温度为20.6℃，最低温度为19.6℃，最大温差为1℃，温度梯度为-0.55℃/m；房间4室内最高温度为18.2℃，最低温度为16.7℃，最大温度差为1.5℃，温度梯度为-0.8℃/m。
各房间0.2m(脚部)与1.2m(坐姿时头部位置：1m与1.4m温度平均值)的温度差分别为：0.4℃、0.65℃、0.65℃、1.3℃；0.2m(脚部)与1.7m(站姿时头部位置：取1.4m至2.0m高度温度平均值)的温度差为：0.5℃、0.95℃、0.8℃、1.4℃。房间1-房间4人体活动范围内△t＜1.5℃，温度梯度都在-0.8℃/m以内。根据国际标准ISO7730推荐的舒适条件为人体头部到脚部之间的温度差应尽可能小，最大不能超过3℃,通过试验结果可以看出用地板辐射采暖系统，这一温差可以得到满足。
结合各房间实际地盘管间距值和房间外围护结构的特点,可以得出为了使房间1达到设计温度同时又不浪费能源,需要减少房间散热面积,即降低地盘管的铺设率；房间3室内温度较低的原因是该房间的外窗面积占南墙面积的62.3%，并且该房间有两面外墙，室内通过外围护结构向外散热量较大；为了减少热负荷可以降低外窗的K值，并且增大外窗的气密性，也可加强外墙的保温性；房间4的平均温度远低于设计温度，最高温度为18.2℃，最低温度为16.7℃，最大温差为1.5℃，温度梯度为-0.8℃/m，该房间内地盘管间距为250mm,靠近外墙处为200mm,显然在该房间内地面散热量远达不到室内热辐射的要求,人体处在此环境中,热舒适性比较差。为了提高室内温度可以采用减小盘管间距的方式,并且需要增加散热面积才能满足要求。
图7-图10为房间1---房间4在一天中从8:00到18:00同一位置(位置2)不同高度温度分布图
图7 房间1各高度温度变化曲线
图8 房间2各高度温度变化曲线
图9 房间3各高度温度变化曲线
图10 房间4各高度温度变化曲线
从图中可以看出，在8:00到18:00之间，房间1——房间4的温度分布趋势大体相同,测试初始时期各点的温度较低，随后温度逐渐升高，在中午12：00——14：00之间，由于受到太阳辐射及室外空气温度的升高的影响，温度达到最大值，14：00后各点温度随即降低，各房间变化趋势大体相同。房间1各时刻最低温度22.1℃，最高温度24.2℃，最大温差为2.1℃，平均温度梯度为1.0℃/m,房间2最低温度18.9℃；最高温度20.7℃，最大温差为1.8℃，平均温度梯度为1.2℃/m；房间3最低温度为19℃，最高温度为21.4℃，最大温差为2.4℃；房间4最低温度为16.2℃，最高温度为18.7℃，最大温度差为2.5℃。
5.2 室内空气水平温度场分布
表3 各房间工作区内水平各位置平均温度分布
| 房间1 | 房间2 | 房间3 | 房间4 | |
| 位置1 | 22.6 | 19 | 19.2 | 15.2 |
| 位置2 | 23.2 | 19.5 | 20.1 | 15.8 |
| 位置3 | 23.1 | 19.8 | 20.3 | 16.3 |
| 位置4 | -- | -- | 19.9 | 15.5 |
| 位置5 | -- | -- | 20.2 | 16 |
从上表可以看出，无论是南北方向还是东西方向，室内空气水平温度分布均是靠近外墙测温度较低，向房间内部温度逐渐升高。南北方向：位置1和位置2之间的温度变化较大，说明外墙对室内温度的影响较大。东西方向：位置4和位置2之间的温度变化小于南北方向温度变化幅度。相比较而言，南北方向水平温度梯度大于东西方向。房间1水平方向最大温度差为0.5℃；房间2的温差为0.8℃；房间3南北方向最大温差为1.1℃，东西方向温差为0.3℃；房间4南北方向的最大温差为1.1℃，东西向温差为0.5℃。由于房间3、房间4受到西外墙的影响，所以室内东西方向靠近西墙的位置温度较低；同时南北方向的温差大于房间1、房间2，因为在这两个房间的外墙窗墙比大于房间1和房间2。外窗的影响引起室内水平温度梯度的增大。
5.3 围护结构内表面温度场分布
图11 房间1各围护结构内表面温度变化曲线
图12 房间2各围护结构内表面温度变化曲线
图13 房间3各围护结构内表面温度变化曲线
图14 房间4各围护结构内表面温度变化曲线
由图11可以看出,房间1地面表面温度最高,顶棚温度次之,平均温度差只有0.6℃,外墙内表面温度最低,其余围护结构内表面温度与室内空气温度很接近。在测试时间内各围护结构内表面温度变化比较平稳，变化幅度在1℃以内。
图12是房间2的各围护结构内表面温度变化曲线，地面温度最高，南墙温度最低，由于顶棚和南墙都是外围护结构，所以二者的内表面温度相近，平均温度差仅为0.4℃，二者温度可视为相同。其他围护结构温度比较一致，但是低于室内温度。
图13是房间3的各内表面温度曲线图，房间3的南墙、西墙为外墙，地面温度最高，顶棚温度次之，二者平均温度差为1℃，西墙温度和南墙温度差异很小，可视为相同，其他围护结构温度与室内空气温度相近，视为相同。
图14房间4南墙、西墙、顶棚均为外围护结构，由图中可以看出，地面温度最高，虽然南墙温度最低，但西墙、南墙、顶棚表面温度相近，温度基本相同，最大温度差为0.4℃，北墙和东墙温度相近，低于室内空气温度3℃左右。
6 结论
房间所处位置、外围护结构数量不同将引起地板辐射采暖室内热环境的较大变化。
1）非顶层房间顶棚和地面的温度相差很小，说明地板采暖盘管下侧保温层未起到设计要求的隔热作用，使得该采暖系统上下两向传热，势必增加室内的得热量，导致室内温度比设计温度高。
2）在该建筑内随着外围护结构数量增加，房间盘管的间距在距外墙侧均有加密，但从实验测试结果来看，室内温度降低依然很大，而且房间4室内温度达不到设计要求，在该房间人体的热感觉比较凉。