低温热水地面辐射采暖的户内热力失调分析与对策

2012-09-11ZhangXin

住宅科技 2012年4期

■ 张鑫 Zhang Xin

0 前言

低温热水地面辐射采暖形式其良好的热舒适性得到了越来越多的人认可，但很多工程技术人员发现，这种采暖形式并不像理论上那样节能，甚至会出现严重偏离设计工况的情况。工程调试人员把主要精力集中在对管网水力工况进行调节上，即便如此，多数情况下只能依靠系统运行时采用大流量小温差的方法来弥补系统的各种先天性缺陷。这就使得原本在设计阶段就含糊应对的室内热力工况更加无法预料。更有甚者，用增加供水温度这一地面辐射采暖的大忌来改善个别房间的供热效果，造成系统整体运行状态混乱、室内热舒适性下降。

客观上讲采暖系统的设计、施工、调节、运行的各环节技术人员很少进行工作协调，也造成了这种热网实际运行工况的热力失调。相比于散热器等其它采暖形式，低温热水地面辐射采暖为何显得更容易出现各种问题呢？下面我们就从低温热水地面辐射采暖特点及设计方法本身分析，寻找解决问题的方法。虽然热力系统失调是一个系统问题，牵扯到系统的各个部分，本文仅考虑分集水器之后的户内管网工况分析，至于分集水器之前的管路系统所造成的水力失调属于所有热水采暖系统共同问题，在学术和工程上已经受到广泛研究，本文不再涉及。

1 模型分析

现在被建筑设备系统工程师广泛采用的低温热水地面辐射采暖系统设计步骤如图1。

图1 低温热水地面辐射采暖系统设计步骤

地面辐射采暖的传热是一种非常复杂的过程，相关于周边表面温度、角系数、各种表面材料和各表面颜色、空气对流情况等，学术上无法用一种通用的理论模型来概括所有情况，虽然《供热空调设计手册》[1]第6.2节介绍了理论计算方法，由于有些参数无法确定，实际工程情况复杂，得出的结果往往也偏离实际情况。研究人员通过实验总结出了地面散热量公式[2]，并把工程中常用情况的计算数值编入《地面辐射供暖技术规程》[2]附表A指导工程应用，这便是我们常用的“单位地面面积散热量和向下传热损失表”。

在应用上述表格时，我们已经通过标准图集来实现地面做法、面层情况、盘管间距的施工标准化。设计温度是我们人为确定的，但平均水温却是由运行工况决定的。在系统实际运行时人为左右不了的，成为地面辐射采暖系统中最不确定的因素。

热水地面辐射采暖系统的分集水器流体力学模型为并联管道模型(图2)。对于各环路分集水器只能提供环路间等压力，并不能确保各环路等流速，更谈不上各环路等温降。由于各环路阻抗S值不同，导致流速不等，从而影响各环路供回水平均温度，使实际散热量严重偏离理论值。

式(1)为S的定义式，它是管路中管材沿程阻力系数λ、管道直径d、管长l和局部阻力系数ζ的函数。因为热水地板采暖埋管道中不包含阀件、不允许有接头，管道转弯为仅有的局部阻力。又因为转弯半径很大，我们可以忽略局部阻力，或是认为在工程上转弯的个数正比于管长，把局部阻力假设为当量长度。这样 “Σζ”项可归于前项，这样S∝l。又因为热水地面采暖埋地管道材料规格相同，我们便得到式(2)。

从式(2)可以看出，环路管长越长，流速越低，在供水温度恒定的情况下，回水温度就越低，导致水温平均温度降低，实际散热量小于“单位地面面积散热量和向下传热损失表”所标注的数值。这样就出现了一种现象：某房间单位热负荷比较大。按表中数值对管道间距加密，使得管长增加，运行的时候却因为阻力大而流速小，平均水温小于设计值，散热量不足，甚至低于其他房间。造成各环路间热力失调。

造成低温热水地面辐射采暖系统热力失调的另一个原因是在应用阶段的散热面积不足。在设计阶段，我们主要关注的参数为单位地面面积散热量qx，但采暖时房间需要采暖系统提供总散热量Q，它们的关系如式(3)。

一般认为，敷设有管道的和管道间距内的地面均算为地面辐射的散热面积F。但由于种种原因房间内的一些地面不宜布置盘管，如卫生间内的落地器具下面的地面、特殊设备遮盖的地面。这些在建筑设计图可以反映出来的方面，可以在布置盘管时进行适当修正。但家具的遮挡是不可预知的。矛盾最突出的房间为住宅的卧室，现代常用家具中卧室的衣柜、床以及床头柜均为无脚的面落地形式，这就使家具把地面的散热面积遮挡得严严实实。现代居住建筑设计理念中，卧室作为家居的私密场所面积不会很大，而其中的主要家具占据了几乎50%的使用面积。在这种情况下，《供热空调设计手册》[1]第6.1-3提供的覆盖率及附加散热量修正系数不足以弥补这部分散热面积的缺失。同样的问题也常见于客厅、摆放有其它面落地型家具的房间。

以上两种形式是造成低温热水地面辐射采暖户内热力失调最常见的两个结构性原因。甚至有些时候两个原因还叠加出现，比如距分集水器最远的房间恰巧为卧室，而且还具有较多的外围护面，因管间距加密而使管道更长，再由于家具的覆盖而使散热面积大幅减小，最终导致原本应该温暖的卧室温度达不到设计温度。

2 解决方法

由管长差异造成的户内水力失调最好的解决方法是使接于同一套分集水器的各环路管长尽量接近。根据式(2)，同一分集水器上的环路管长相差20%时，其流速就相差10%左右，这种偏差在工程上还是可以接受的，但在设计阶段具有一定的难度。依照图1的设计方法，设计人员在使房间内单位散热量满足供热要求的情况下，尽量按照标准管间距布置盘管，还要把各环路的布置均匀地与各分集水器连接。再加之户型的多样性原因，很难保证管长接近，这就要求设计人员在工作中多总结经验。以下是笔者根据工作经验对常见问题建议采取以下措施：

(1)先单独布置各主要房间盘管，再把距分集水器最远房间的环路用尽量短的管道沿墙接至分集水器。然后依次由远及近连接各房间环路和分集水器，最后空余面积由近处房间环路管道填补，使近处环路尽量长。

(2)小面积附属房间如厨房、卫生间等在条件允许的情况下可共用环路，以达到联合平衡大房间环路管长的目的。大房间之间不要共用环路。

(3)尽量不要为分集水器所在的房间单独布置环路，用最近房间环路填补此房间的空地面。

另一个解决这一问题的方法是采用具备环路流量调节阀和流量显示的分集水器（图3）。虽然这一方法比起上一方法耗能，但这是最容易实现的办法，和工程适应性比较也是最好的解决方法。图3为某品牌的成品分集水器，其为各环路配备手动流量调节阀和玻璃管流量计，一看就能领会其使用方法。其缺点是造价高。

对于地面遮挡所引起的低温热水地面辐射采暖户内热力失调现象，笔者倡导根据房间功能适当调整布置管道的区域。图4为居住建筑中卧室和客厅的家具布置方式。这种布置方式符合大多数人的使用习惯。图中虚线内阴影区域是家具覆盖的的地面，既然是无效的散热面积，就没必要浪费这部分管材和流动动力，所以笔者认为，应该避免在阴影区域范围内布置管道，在阴影以外按比例加密管道以补充散热量。另外，也可以多种方式告知用户，尽量采用有支撑脚的家具，减少覆盖的散热面积。