低温热水地板辐射采暖系统的优化设计

1.前言

低温热水地板辐射采暖系统由于其节能性、舒适性在国外已经得到了推广，国内也在不断地研究和推厂这种新型的舒适性采暖系统。由于主要传热方式的不同，低温热水地板辐射采暖系统的设计与对流采暖系统、散热器采暖系统的设计也有一定的区别，那么如何根据其特点来进行低温热水地板辐射采暖系统设计参数的优化，充分发挥其节能和舒适性的优势呢?

跟所有的采暖系统设计一样，系统既要满足室内人体的舒适要求还要尽可能减少系统能耗，对于低温热水地板辐射采暖系统，影响这两个参数的主要因素有三个:1.辐射板的布置方式：是采用周边布置还是居中布置方式;2.辐射板的参数设计：即辐射板面积和表面温度的设计;3.辐射板的铺设位置：对于辐射板不能铺设在整个地面的情况，如何确定辐射板与外墙的位置关系。

2.辐射板布置方式的优化选择

按辐射板位置，辐射采暖方式可分:顶面式：以顶棚作为辐射供暖面，辐射热占70%左右;墙面式：以墙面作为辐射供暖面，辐射热占65%左右;地面式：以地面作为辐射供暖面，辐射热占55%左右;楼面式：以楼板作为辐射供暖面，辐射热占55%左右等多种形式。低温热水地板辐射采暖系统根据辐射板布置方式又可分为:居中布置和周边布置两种形式。

在进行低温热水地板辐射采暖系统设计时，一般都是将辐射板尽量布置在室内地表面的中心位置，而较少采用沿墙体周边布置辐射板的周边布置方式，但是由于建筑物结构的特点和室内采暖要求的不同，在进行系统设计时，是否可以采用周边布置方式来铺设辐射板呢?

为了对两种布置方式进行比较，对采用低温热水地板辐射采暖方式下普通房间、大跨度空间和走廊在居中布置和周边布置辐射板两种不同情况下的能耗进行了模拟计算。在进行同一空间的两种布置方式下的系统能耗计算时，以室内的中心位置作为特征点，并保证特征点处的作用温度满足T0=18±0.2℃。

在保持室内相同的热舒适度时，所有围护结构都为外墙的大跨度空间在采用沿外墙周边布置辐射板时，系统能耗比采用居中布置辐射板时的系统能耗要大，如当辐射板的覆盖率为0.9时，采用周边布置辐射板的系统的室内采暖负荷为72347w，相对于采用居中布置辐射板的系统的室内采暖负荷60833w要多耗能11514W;但对于只有一面外墙的普通房间和两面外墙的走廊，两种辐射板布置方式下系统的能耗曲线有一相交点，也就是说当辐射板的覆盖率等于某值时(对于普通房间和走廊该值均为0.67左右)两种布置方式的能耗相等。而当辐射板的覆盖率大于该值时，对于普通房间，居中布置能耗要比周边布置小，反之则比周边布置能耗大，如当辐射板的覆盖率为0.33时，周边布置要比居中布置节能14Ow;但对于长方形走廊则正好相反，当辐射板的覆盖率为0.95时，周边布置要比居中布置节能25w。所以在进行低温热水地板辐射采暖系统时，如果采暖空间的围护结构均为外墙时，则采用居中布置比周边布置节能，但对于不是所有围护结构都为外墙的情况则要通过具体的计算来正确地选择辐射板铺设方式，以达到系统节能的目的。

3.辐射板的优化设计

在采暖季节，采暖系统的目的就是连续地向室内供给热量，以维持一定的室内热平衡，保证室内居住人员的热舒适要求。对流采暖系统，是通过输送热空气以对流的形式来完成热量传送的;低温热水地板辐射采暖系统，则是辐射板以辐射为主伴随对流方式来向室内供给热量，维持室内一定状态的热平衡。因此在进行低温热水地板辐射采暖系统设计时，我们要根据室内的采暖负荷来确定辐射板的设计输出功率，根据辐射板的辐射和对流传热特性，辐射板的输出功率是辐射板面积和辐射板表面温度这两个参数的函数，那么如何来进行辐射板面积和辐射板表面温度这两个参数的设计?

辐射板面积有多种不同组合值，在进行辐射板表面温度或辐射板面积设计时我们还要考虑两个因素:

（1）辐射地板表面温度。每个国家根据本国地理位置和生活水平对辐射地板表面温度制定了不同的规范标准，因此在设计时要严格遵照我国的相应要求;

（2）辐射板的面积。由于要考虑家具及室内装饰对地板的遮挡作用，因此我们进行辐射板面积计算时，要考虑实际情况，辐射板对地面的覆盖率应小于1。

4.辐射板位置的优化设计

人体舒适的最基本的定义就是保持人体的蓄热率为零。人体热平衡公式中包含与周围环境的辐射换热，其值取决于室内的平均辐射温度。对于采用地板辐射采暖的空间，由于辐射板表面温度与其它围护结构表面的温差比较大，平均辐射温度与室内空气温度不相等，其值在某一点的取值会随辐射板位置的变化而变化。在前而的计算中，是取采暖空间的中心点的作用温度为标准，这在一般的情况下是可以满足要求的。但是当辐射板与外墙的距离较远，而人又离外墙较近时，能否保证人体不会出现明显的不舒适感呢?因此我们在进行辐射板位置的设计时必须考虑到最不利点的热舒适度，要保证人体停留在最不利点时不会引起明显的不舒适感。

4.1普通房间的辐射板位置的优化设计

（1）室内采暖负荷变化规律的求取。现有一采用低温热水地板辐射采暖系统的房间，其尺寸为6×4×2.5m，该房间南墙为外墙外，其余皆为内墙。辐射板尺寸为6×2.5m，在保证室内热舒适指标作用温度To=18±0.2℃的条件下，以0.1米为变化步长，辐射板逐渐远离外墙，求取某个位置时室内采暖负荷和其它热环境参数，包括室内空气温度、辐射板表面温度和其它围护结构内表面温度。最后将各点用一光滑曲线连接，得到室内采暖负荷和外墙内表面温度随辐射板与外墙之间距离的变化规律。

（2）室内最不利点的热舒适指标(作用温度)的计算。计算人体与周围表面的角系数和第一步得到的各表面温度，可以得到人体在室内不同位置时的作用温度。对于该房间我们以人坐立在离外墙内表面0.8米处为最不利情况，如果最不利点的作用温度能够满足要求，则整个房间所有人可能停留的地方都可以满足人体热舒适的要求。根据作用温度定义，我们求得人体在最不利点处作用温度随辐射板与外墙之间趾离的变化规律。

（3）确定辐射板的位置。当辐射板不断远离外墙时，最不利点处的作用温度也在不断的降低。由于室内人员在最不利点长期停留的可能性不是很大，所以对作用温度的要求也可以相对降低，以节省系统能耗。假设我们只要能保证室内最不利点的作用温度不小于17.3℃，找到相应的辐射板与外墙的距离为l.45m，然后可以得到这种布置方式下，室内的采暖负荷为608w，而当辐射板与外墙的距离为0.0m，时，室内的采暖负荷为628w，节能20w。所以，我们确定当室内要求的作用温度不小于17.3℃时，辐射板距外墙1.45m时为最优的铺设位置。

4.2大跨度空间的辐射板位置的优化设计

下面我们对一尺寸为30×30×3m的大跨度空间进行模拟计算，除南墙为外墙，其余均作内墙考虑，辐射板尺寸为20×26m。设计步骤与前面一致，得出当辐射板与外墙的距离设定为8m和0m时，前者在保证室内人体舒适度的情况下比后者节能18Ow。

5.结语

综上所述，在进行低温热水地板辐射采暖系统设计时，如果能够根据系统特点，实现上述三个参数的优化，则在提高采暖房间舒适性的同时还能减少系统能耗，达到节能目的。