1、低温辐射地板采暖辐射换热分析上海交通大学制冷与低温工程研究所，宋兆培，翟晓强，王如竹摘要: 本文对低温辐射地板采暖系统中的辐射换热进行了分析。实测了一个地板采暖系统的冬季运行情况，并建立了低温辐射地板采暖系统的模型。在模型的基础上针对一个典型地板采暖工况，分析了辐射对采暖效果的影响，并与常规的空气循环采暖系统进行了对比研究.关键词：地板采暖；辐射；模拟1 引言低温辐射地板采暖技术对作为一种新的采暖形式，近年来发展很快。与普通的热泵驱动的空气循环式采暖系统相比，低温辐射地板采暖将地板作为与室内空间进行热交换的媒介，其中有超过50%的换热是直接通过地板表面的长波辐射进行的。同时，由于这种系统对热源
2、温度的要求较低，目前太阳能、地热能等多种新能源都可以与之有较好的匹配，具有很大节能潜力。同时，由于辐射热交换比常规采暖系统中占主导的对流热交换更高效、反应更快，地板采暖的舒适性也较好。由于地板结构的蓄热性能，地板采暖系统具有较大的热惯性，因此对于非连续运行系统，或者热源温度状况变化较大的系统，比如太阳能，其控制方式也与普通的采暖系统有所区别。Cho1等设计了一套针对低温辐射地板采暖的预测控制方法，能量利用率及采暖效果可以有显著改善。Badran2等则比较了太阳池和太阳能集热器这两种不同的热源形式作为集热设备在地板采暖中的应用，表明采用太阳能集热器时效率能比太阳池提高约6%。为了研究地板采暖的换
3、热特性，王文3等对重庆地区一住宅内温水地板供暖系统进行了测试,并与热泵空调器采暖系统进行对比，分析了该地板采暖系统的室内热舒适及经济性。Karadag4等则针对地板采暖的对流部分进行研究，用围护结构内表面的温度修正了地板与空气的对流换热关联式。建筑室内环境是比较复杂的系统，简化的集总参数法并不能完全反应地板采暖的运行特性，在理论模型不断完善的基础上，计算机模拟技术在地板采暖的研究应用广泛。Weitzmann等5等采用一种二维模型对地板采暖系统进行了建模。Holopainen6则采用非结构化网格对地板采暖内的温度场进行了分析。周兴红7等对低温地板辐射采暖进行了系统建模并对其性能进行了分析。辐射换
4、热的是地板采暖区别于常规采暖系统的主要特点之一，在辐射占主导的情况下，房间内的热舒适特征以及能量分布情况都有与常规采暖系统有所不同，但是在这方面尚未有较为系统的分析。本文的主要方向就是用实验和模型分析地板采暖系统中辐射换热的效果及其对热舒适进能耗的影响。2 低温辐射地板采暖系统该实验用地板采暖系统位于上海交通大学，低温辐射地板面积为170m2，在冬季白天为相应的办公空间提供采暖。系统采用96m2带有CPC的U型管式太阳能集热器整列作为热源，并配有一个3m3的蓄热水箱以及相应自控系统作为调节。系统简图如图1所示。地板采暖系统采用湿式结构，PE-Xa热水盘管埋于6cm的混凝土层中。热水盘管间距50
5、cm，采用分区回形布置方式，地板温度比较均匀。地板下层铺设了厚1.7cm的聚苯乙烯保温层，其导热系数为0.04Wm-1K-1，基本阻止了地板向下层漏热的进行。系统水路以及房间内部不同节点上，设置了PT1000温度传感器，采集并记录实时数据。同时，在房间内部不同高度处设置了3个黑球温度计，用于计算室内辐射温度。系统在20072008年冬天经过1-集热器整列; 2-集热循环泵; 3-板式换热器; 4-补水泵; 5-膨胀水箱; 6-蓄热水箱; 7-加热泵; 8-浮球阀; 9-采暖泵; 10-低温辐射热盘管; 图1 低温辐射地板采暖实验台示意图连续的运行测试，采暖效果良好。在水箱温度合适的情况下，采暖
6、泵在每天早上8:00开启，对系统进行预热，水箱热量被大量消耗的同时，地板采暖供水温度也迅速降低，下降到一定水平之后采暖泵关闭。在这期间地板温度以也随之快速上升，而室内空气温度则要经过一段时间的延迟才逐渐被加热起来。早上9点左右太阳升起之后，水箱温度稳定提高，同时采暖泵也再次开启。随着供水温度的升高，地板温度以及空气温度也同步上升，到中午时能够达到18oC以上。针对办公室的间歇性采暖负荷特征，为了保证能量的有效利用，采暖系统于下午14:00关闭，依靠地板采暖的热惯性，继续保持室内温度在可接受的范围内，系统全天运行状况如图2所示，各温度曲线的对应关系为：Ta-室内空气温度，Tf-地板表面温度，Tw
7、,in-地板供水温度，Tout-室外空气温度图2地板采暖运行效果 (2月4日)图3 室内平均辐射温度与空气温度的差值由于地板表面长波的辐射作用，随着采暖的进行以及地板温度的升高，室内平均辐射温度也随之升高，在下午14:00左右与地板温度同时达到峰值。在工作时段(8:0017:00)室内平均温度始终高于空气温度，在辐射测点处其差值最高达到0.8oC，如图3所示。3 系统模型为了分析地板采暖系统的自身特性，我们略去室外环境变化、室内扰动以及系统调节，针对连续运行的稳态地板采暖系统进行分析。地板作为低温辐射地板采暖系统的热源，其温度相对较高，而室内其他部分尤其是围护结构内表面温度相对较低，由于温差的
8、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并且占据了室内全部换热量的一大部分，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：(1)地板采暖相对常规采暖系统，室内空气扰动较小，温度较为均一。因此通过围护结构的换热，可以按照墙体内的一维传热模型来考虑：(2)室内空气的吸收率和发射率几乎为零，它主要以对流的换热的形式与各围护结构进行热换热。同时也有一部分室外较冷空气被人为的作为新风引入，或者通过门窗渗漏进来，空气能量平衡方程如下：(3)由于各围护结构内表面温度不同，房间内不同位置处平均辐射温度也有差异。室内不同节点处的辐射温度，可以按照等效微球法8得到。
9、(4)在ASHRAE热舒适标准中，室内人员的实感温度是由空气温度和辐射温度共同作用得到的，其方法如下(5)4 分析及讨论对一个简化的采用低温辐射地板采暖的房间进行分析。该房间长8m，宽5m，高3m，位于建筑的顶层。除了屋顶外，房间只有一面外墙，面积为5m*3m，其他几个方向上都是内墙或楼板。外墙K值为1Wm-1K-1，内墙为K值1.2Wm-1K-1的隔墙。房间内没有其他热源，围护结构辐射吸收率都为0.9。室外温度0oC，邻室温度为8oC。图4 房间内1m高度实感温度分布在地板温度为24oC时，房间的稳态空气温度为16.9oC，天花板表面温度10.1oC，外墙内表面10.5oC，内墙内表面11.
10、8oC。同时房间内不同位置处人员的实际感受温度也有很大差别，如图4所示，在高度1m处，房间中心区域的实感温度随位置变化不明显，基本稳定在18oC，但是在距墙壁近距离处，围护结构冷辐射的影响就体现出来了，在离外墙0.5m处的墙角，实感温度可以降低到17oC以下。同时，由于天花板表面的温度较低，实感温度随着高度的变化也很剧烈，从地板附近到天花板附近，实感温度值降低了2oC。与上述地板采暖系统相比，采用常规的空气循环式采暖系统要达到同样的实感温度，室内平均温度需要达到20oC，比地板采暖工况高了3 oC左右。同时围护结构内表面温度也相应升高，如表1所示表1 相同实感温度下，两种采暖方式对应的围护结构
11、内表面温度 / oC天花板内墙1外墙内墙2内墙3地板辐射地板10.1 11.8 10.5 11.8 11.8 24.0 空气循环13.2 14.3 13.0 14.3 14.2 16.4 由此可以发现，在采暖效果相当（实感温度一致）的情况下，辐射采暖并不会增加围护结构内表面的温度。这是因为围护结构内表面的换热同时受到来自室内的辐射和对流的作用，在满足实感温度的情况下，由于常规空气循环系统需求额室内空气温度较高，相应的其与围护结构之间的对流换热量也越大。不过，如果对地板采暖控制不当，使得地板表面温度过高，那么地板采暖在带来更高的实感温度的同时，也会把围护结构内表面加热到较高的温度，增加了系统漏热
12、。在相同的实感温度下，统计两种采暖形式下通过围护结构的漏热，辐射地板采暖为1.46kW，空气循环式采暖为1.92kW，前者效率比后者高约1/3。并且，地板辐射采暖系统形式下由于辐射的导致的通过围护结构的漏热只占小部分，而且主要集中在屋顶、外墙等外围护结构内表面。5 结论：本文通过实验和模拟手段，对低温辐射地板采暖中的辐射换热进行了分析，并与常规的空气循环式采暖系统进行对比，得到了低温辐射地板采暖系统中辐射换热的一些特性：冬季采暖时，房间围护结构内表面的辐射换热对人员实际感受温度有很大影响。低温辐射地板可以有效提高实感温度，降低对空气温度的需求，具有较大节能效果。致谢：本文工作得到国家科技支撑计
13、划（2006BAA04B03）以及上海市科委科研计划（07DZ12022）的资助。参考文献1 S. H. Cho, M. Zaheer-uddin. Predictive control of intermittently operated radiant floor heating systems. Energy Conversion and Management, 2003, 44 (8):1333-1342.2 A. A. Badran, M. A. Hamdan. Comparative study for under-floor heating using solar collect
14、ors or solar ponds. Applied Energy, 2004, 77 (1): 107-117.3 王文, 何雪冰. 低温热水地板与热泵空调器采暖测试对比分析. 制冷技术, 2007, 4.4 R. Karadag, I. Teke. Investigation of floor Nusselt number in floor heating system for insulated ceiling conditions. Energy Conversion and Management, 2007, 48 (3):967-976.5 P. Weitzmann, J. Kr
15、agh. Modelling floor heating systems using a validated two-dimensional ground-coupled numerical model. Building and Environment, 2005, 40 (2): 153-163.6 R.Holopainen, P. Tuomaala. Uneven gridding of thermal nodal networks in floor heating simulations. Energy and Buildings, 2007, 39 (10): 1107-1114.7 周兴红. 地板辐射采暖的数值计算及预热时间的研究. 制冷与空调, 2007, 4.8 刘晓华, 江亿. 温湿度独立控制空调系统. 北京:中国建筑工业出版社, 2006
