冷暖地板管理论文

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摘要：建立了冷暖地板换热的数理模型，分析了盘管内水与管壁、盘管管壁与地板表面、地板表面与房间的换热过程，形成了地板表面换热能力与表面温度的计算方法。综述地板供暖的节能性、舒适性、适用场合以及用于夏季的地板供冷系统的主要特性。

关键词：地板供暖传热过程舒适地板供冷

1引言

现代的建筑节能技术已从单纯地抑制需求，降低热舒适性，发展成为提高能量利用率，用最少的能量最大限度地满足人们迅速增长的健康和舒适的需求；并提出了能源需求侧管理技术（DSM），即以日益增长的需求为目标，用最小的能源消费代价来取得最大的经济和社会效益，使建筑节能技术步入可持续发展的轨道。冷暖地板辐射式采暖系统就是属于DSM技术中的一种[1]。冷暖地板可提高供冷时的冷水温度，降低供热时的热水温度，因而有利于利用天然的低品位的冷热源供冷供热。用它作为地下蓄能系统冷热联供的室内换热装置，能提高系统的能效比。

为了进一步推广这一技术，有关研究部门对于地板供暖的节能性、舒适性和适用建筑类型等进行了深入的理论研究。近年来，又开始研究、推广地板供暖系统用于夏季降温，并取得了一定成效。

2冷暖地板换热模型

冷暖地板换热过程可分解为3个阶段。第1阶段，盘管内水与管壁的换热;第2阶段，盘管壁通过覆盖找平层、表面装饰层与地板表面的换热；第3阶段，地板表面与房间的换热[3]。

2.1盘管内水与管壁的换热

盘管内水与管壁的换热属于管内强迫对流换热，为简化。按常壁温处理。换热量Q用下式计算：

Q1=αF△tm（1）

式中α为管内对流换热系数，W/（m2·℃）；Fd为管壁面积，㎡；△tm为对数平均换热温差，℃，

△tm=（tf2-tf1）/ln[（tb-tf1）/（tb-tf2）]（2）

式中tb为管壁温度，℃；tf2，tf1分别为进出水温度，℃。取水的特性温度tma为

tma=tb±△tm（正为通热水、负为通冷水）（3）

按tma确定水的物性参数运动粘度ν、导热系数λ、普朗特数Pr、密度ρ、比热容c等，计算雷诺数Re、管内对流换热系数αd，

Re=ud/ν（4）

ad=Nuλ/d（5）

式中u为管内水流速度，m/s；d为管径，m，Nu为努谢尔特数，按下式计算：

式中L为盘管长度，m：Prb为按管壁温度查取的水的普朗特数。

水经过盘管后自身热焓变化量为

Q1′=cm（tf2-tf1）（7）

式中m为管内水的质量流量，kg/s。

由能量守恒有：

Q1=Q1′（8）

2.2管壁与地板表面的换热

管壁经覆盖找平层、装饰层与地板表面的换热属于导热换热。可用下列二维稳态导热微分方程求解换热量Q2：

(9)

求解的边界条件是管壁温度tb和地板表面温度tw1。

2.3地板表面与房间的换热

地板表面与房间的换热包括辐射与对流两部分。为了计算地板表面与房间的辐射换热，建立“地板环境平均辐射温度”的概念。地板环境平均辐射温度tr′是与地板进行辐射换热的各表面温度的加权平均值，即

tr′=（10）

式中Fi为除地板面积F1以外的室内表面i的面积，m2；twi为表面i温度。

地板F1与其它所有表面F2构成封闭的辐射换热空间，辐射换热Qr可用下式计算：

Qr=（11）

式中σb为斯蒂芬一波耳兹曼常数，又称黑体辐射常数，σb=5.67×108W/(m2·K4)；Tw1,ε1分别是地板表面热力学温度和表面发射率；Tr，ε2分别是室内其它表面的热力学温度和表面发射率。

地板与室内空气的换热，若忽略人员设备对空气的扰动，可视为自然对流换热。夏季为冷面朝上的冷地板；冬季是热面朝上的热地板。计算自然对流换热，先确定努谢尔特数Nu，

Nu=C（Gr·Pr）n（12）

式中Gr是格拉晓夫数；C，n为实验常数，

对于冷地板，C=0.58，n=1/5（Gr·Pr=105~1011）

对于热地板，C=0.54，n=1/4（Gr·Pr=2×104~8×106）

C=0.15，n=1/3（Gr·Pr=8×106~1011）

地板表面对流换热系数αL，

αL=Nuλ/L（13）

式中λ为空气导热系数，W/(m·℃)；L为特征尺寸，m。对冷地板，L为地板两邻边边长的平均值；对热地板，L为面积与周长之比。地板表面与房间空气的对流换热量Qc为：

Qc=αL（tf1-ta）F1（14）

式中ta为室内气温，℃。

地板表面与房间空气的对流换热热量Q3为：

Q3=Qr+Qc（15）

通过上述公式的计算显示，在各因素中，地板环境平均辐射温度Tr对房间冷（热）负荷影响最大，在常温下Tr降低或升高1℃，冷（热）负荷将增加或减少5﹪以上，人体表面也是以复合换热的方式散热的，在这样的环境下工作，当为同一室温时，冬季tw﹥ta使人获得比较多的辐射热量，而夏季tw﹤ta使人获得比较多的辐射冷量，增强人体舒适感[5]

上述计算过程编成程序，即可在计算机上分析管径、管间距、覆盖层厚度等冷暖地板构造参数，以及水温、水量等远行参数对冷暖地板换热量和表面温度的影响，帮助冷暖地板设计和运行的优化。

通过水量和进出水温度，可将冷暖地板与地下蓄热系统耦合起来，分析研究地下蓄热系统冷热联供的动态特性，优化系统的设计和运行。

3地板供暖的节能

地板供暖舒适性分析地板供暖除了节省房间有效面积、便于房屋装修布置等优点以外，最突出的特点就是其舒适性和节能性。

地板供暖系统采用的热媒可用热水、蒸汽、空气和电，为了保证节能的需求，应首选热水，与建筑结构结合的地板供暖系统，用热水加热时温升慢，混凝土板不易出现裂缝，可采用集中质调节；用蒸汽作热媒时，温升快，混凝土板易出现裂缝；用空气作热媒时，要将楼板内的空腔作风道，使建筑结构厚度增加；用电加热的辐射板，板面温度容易控制，调节方便，但要消耗高品位电能，这将不符合可持续发展的思想。我国的节约能源法中指出，节能应包括可再生能源和新能源的开发和利用。

在新疆地区的地板供暖系统中，多采用建设部推荐的无规共聚聚丙烯（PP-R）管，采用这种管材最高供水温度不宜高于55℃，故为其提供的热源可以是废热和可再生能源的低品位热能，我们将对地下水、太阳能、土壤热量及热泵进行开发利用。又由于地板表面温度低，落到地板的灰尘被烤糊升华而污染环境的可能性减少，室内的洁净度增高，环境卫生条件优越。

4地板供冷的应用

地板供暖系统用于夏季降温是容易想到的。50年代末，有关的概念已提出，主要是认为，地板供冷采用辐射降温为主，可以减少人体辐射散热，提高对流和蒸发散热以增强舒适感。

地板供冷技术一般认为，地板供冷的冷水温度应控制在16~18℃，水温太低时，会导致地面结露，同时会使脚部感觉不舒适。此时，依环境温度的不同可使室温降低3~5℃。在干燥的新疆地区，d=7g/kg干，tL=8.5℃，故水温降低到13℃而不至于结露，此时降温效果大大增强。无需配置其他空调手段，单用地板供冷就能满足夏季舒适性的要求。由于地板温度较低，使用这种系统需要对脚部保暖，经测试对穿鞋者影响很小。

常用冷源有以下几种：①新疆地区地下水约为12-18℃，可以用井水或地下水作为冷水，价格特别低廉。②热泵，由于可制冷/热，特别适合地板冷/暖系统，且使用可靠，80%以上的系统采用热泵作冷源。大多用空气/水热泵，有时也使用水/水或制冷剂/水热泵。③工艺过程中产生的温度适合的水。[4]

5结论

本文建立的冷暖地板换热数理模型，将冷暖地板换热过程分解为3个阶段。在此基础上形成了冷暖地板换热性能的分析方法。这一分析方法是按室内空气处于自然流动状态，与冷暖地板间的换热为自然对流换热处理的。还可以用于分析冷地板的舒适与卫生、表面防结露、设计与运行参数的优化等问题。[2]

地板供暖具有舒适、节能、维护使用简便、寿命长、不占室内面积等优点，随着建筑保温程度的提高和管材质量及施工水平的提高，使用日益广泛。由于地板供暖系统与生活热水往往使用同一热源，可节省设备投资，有利于系统布置。对于新疆夏季不太炎热、较为干燥的地区或仅要求一定程度降温的场合，使用夏季地板供冷是适宜的。

参考文献

1[匈]L.巴赫基，傅忠诚，等译.房间的热微气候.北京：中国建筑工业出版社，1987.

2GB50176-93民用建筑热工设计规程1993.

3陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1994.

4JGJ26-95民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）1996.

5章熙民.等.传热学.北京：中国建筑工业出版社，2001.