低温热水地面辐射供暖系统地面热损失和室温控制问题
新疆建筑设计研究院 王绍瑞
摘要 采用低温热水地面辐射供暖方式时，室内空气温度可以降低1～2℃，其计算热负荷比对流供暖方式低5～10%，因此从理论上来讲这是一种较为节能的供暖方式。然而，在工程设计中地面热损失和室温控制问题经常得不到应有的重视，削弱了这种供暖方式计算热负荷低的优势。地面绝热层热阻和热媒温度是影响地面热损失量的两个重要因素，只有经合理确定地面绝热层热阻和热媒温度，尽量减少地面热损失，低温热水地面辐射供暖方式才能真正地成为节能的供暖方式。同样，当低温热水地面辐射供暖系统缺乏有效的室温调节手段时，则无法达到令人满意的舒适度和运行节能的要求。本文着重阐述了控制地面热损失和设置室温控制装置的必要性。
关键词 地面热损失 室温控制 绝热层热阻 热媒温度
0 引言
低温热水地面辐射供暖（以下简称“地暖”）方式，由于以50℃左右的低温热水为热媒，可充分利用可再生能源、余热、废热等低品位热源，因而是一种应用前景十分广阔的供暖方式。与对流供暖方式相比，地暖舒适性较高、卫生条件较好，能耗也相对较低。但是，随着地暖在各类建筑中应用的日益增多，也暴露出一些问题，使系统运行能耗情况不容乐观。
说地暖方式能耗较低，是基于其计算热负荷比对流供暖方式低5～10%。实际上，地暖方式存在地面向下的散热损失。对于多层或高层住宅楼而言，由于所处楼层或位置不同，不同房间需要的单位地面面积散热量不同，有的房间需要较高温度的热媒，有的房间需要较低温度的热媒，最终设计热媒温度一般是按需要较高的房间来定。原本需要较低热媒温度的房间采用了较高温度的热媒，又未设置室温控制装置时，不仅会使房间过热，而且会造成地面向下散热损失增大，导致热量浪费。因此，要发挥地暖方式计算热负荷低的优势，还必须有效控制地面热损失并完善室温控制设计。
1 控制地面热损失的必要性
1.1 地面热损失对热媒供热量的影响
为了便于说明问题和分析问题，我们特举楼层数不同的三个实例，来说明地面热损失对热媒供热量的影响。
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实例1：乌鲁木齐某栋三层住宅楼，有不供暖地下室，某户型套内建筑面积为140m ，室内主要房间计算温度为18℃，一至三层住户计算热负荷依次为：6500W、5600W、6200W。采用地暖方式，供回水温度为45℃/35℃，加热管为公称外径20mm的PE-X管，布置间距200～
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300mm。地面层为陶瓷地砖，填充层厚度为50mm，聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度：底层为30mm；其余层为20mm。试计算出该三层住户的热媒供热量。
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实例2：乌鲁木齐某栋六层住宅，有不供暖地下室，某户型套内建筑面积为140m ，室内主要房间计算温度为18℃，一至六层住户计算热负荷依次为：6500W、二至五层共计22400W、5900 W。其余设计条件同实例1。试计算出该六层住户的热媒供热量。
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实例3：乌鲁木齐某栋十八层住宅，有不供暖地下室，某户型套内建筑面积为140m ，室内主要房间计算温度为18℃，一至十八层住户计算热负荷依次为：6500W、二至十七层共计76000W、5900 W。其余设计条件同实例1。试计算出该十八层住户的热媒供热量。
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由文献［1］附录可得在以上设计条件下单位地面面积散热量为108.7W/m；向下传热损
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失量为27.9W/m，向下传热损失量约为向上散热量的25%，则采用地暖方式时以上各实例的热媒供热量为：
实例1： 6500＋5600＋6200×1.25=19850(W)； 实例2： 6500＋22400＋5900×1.25=36275(W)； 实例3： 6500＋76000＋5900×1.25=89875(W)。 乌鲁木齐室外供暖设计温度为-19.7℃，若采用对流供暖方式时，室内计算温度为20℃，等同于地暖方式时室内计算温度18℃，则以上各实例的对流供暖热媒供热量为：
实例1：（6500＋5600＋6200）×(20+19.7)/(18+19.7)=19270(W)； 实例2：（6500＋22400＋5900）×(20+19.7)/(18+19.7)=36644(W)； 实例3：（6500＋76000＋5900）×(20+19.7)/(18+19.7)=93085(W)。
如果以对流供暖方式热媒供热量为100%，则以上各实例采用地暖方式时的相对热媒供热量为：
实例1： 19850/19270=1.03； 实例2： 36275/36644=0.99； 实例3： 89875/93085=0.97。 从以上各实例计算结果来看，按计算条件所定的绝热层厚度的情况下，三层住宅楼采用地暖方式的能耗高于对流供暖方式；六层住宅楼采用地暖方式的能耗略低于对流供暖方式；十八层住宅楼采用地暖方式的能耗低于对流供暖方式。
如将以上三例中聚苯乙烯泡沫塑料绝热层的厚度均改为40mm，其它计算条件不变，则
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单位地面面积散热量为122.7W/m；向下传热损失量为13.9W/m，向下传热损失量约为向上散热量的11%，而三个实例地暖方式与对流供暖方式的相对热媒供热量为：
实例1： 18982/19270=0.99 实例2： 35449/36644=0.97 实例3： 89049/93085=0.96 这个计算结果表明，提高地暖地面绝热层热阻有利于降低其能耗水平，尤其是对低层住宅，只有适当加强地面绝热效果，才能体现出计算热负荷低的特点。通过以上实例计算结果可以得出如下两个结论：
（1）在乌鲁木齐地区采用地暖方式时，计算热负荷为对流供暖的0.95，但由于地面向下热损失的存在，不同程度地削弱了这个优势。在高层建筑中，由于中间层计算热负荷量较大，使得顶层地暖地面向下传热损失量占建筑物热媒供热量的份额减少，能够较好地保持地暖方式计算热负荷低的优点；
（2）在多层、特别是低层住宅中采用地暖方式时，应适当增加聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度或采用热阻更高的绝热材料，将地面向下传热损失限制在最低程度，这样才能体现出地暖方式计算热负荷低的特点。
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1.2 热媒温度对地面热损失的影响
同样以一个实例来说明热媒温度对地面热损失的影响。
实例4：乌鲁木齐某栋十八层住宅楼，一至十八层住户某卧室房间（单位面积热负荷最
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大的房间）净面积为20 m ，房间计算温度为18℃。二层、六层、七层、十一层、十八层该卧室房间计算热负荷依次为1753W、1471W、1374W、873W、1180W。采用地暖方式，地面层为陶瓷地砖，填充层厚度为50mm，聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度：底层为30mm；其余层为20mm。加热管采用PE-X管。试计算出各层该卧室房间的供、回水温度、加热管间距、地面散热量、地面热损失、地表面温度。
首先计算出各层卧室房间单位地面面积所需的散热量qx：
qx=kQ/F
［2］
k—地面遮挡修正系数，卧室房间取k=1.45； Q—房间计算热负荷，W； F—敷设加热管的地面面积。
然后根据qx从文献［1］附录中查得热媒供、回水温度、加热管间距、单位面积地面散热量、单位面积地面热损失等数据，并连同计算所得地表面平均温度列于表一中。
表一 地暖房间设计参数
房间所 在楼层 房间计算热 负 荷（W） 2 6 7 11 18 1753 1471 1374 873 1180 （W/ m2） 127.1 106.6 99.6 63.3 85.6 qx 供/回 水温度 （℃） 45/35 45/35 40/30 45/35 40/30 45/35 40/30 45/35 加热管 间 距 （mm） 150 250 100 250 300 300 200 300 单位面积地面散热量 （W / m2） 128.4 108.7 104.7 108.7 76.4 99.5 90.4 99.5 单位面积地面热损失 （W / m2） 28.7 27.9 22.7 27.9 21.7 27.4 22.6 27.4 地表面 平均温度 （℃） 30.5 28.6 28.3 28.6 25.6 27.8 26.9 27.8 在热压的作用下，底层房间的热负荷高于中间层房间的热负荷，因此，不同楼层房间的
qx值是不同的。在设计中首先是采用较低平均温度的热媒，通过选择合适的加热管间距来满足qx值的需要。当在此热媒温度下，加热管间距已小至不宜再小，仍不能满足qx值的需要时，则需提高热媒平均温度，并重新确定加热管间距。表一中计算结果表明：二层至六层的房间需要45℃/35℃的热媒；七层以上的房间采用40℃/30℃的热媒即可。但最终采用的热媒温度必须满足所有房间地面散热量的需要，因而也只能采用45℃/35℃的热媒。
从表一中还可看出，七层以上的房间采用45℃/35℃的热媒较之采用40℃/30℃的热媒，其地表面平均温度、地面散热量和地面热损失均有所增加。
实例4告诉我们，在同一栋住宅楼中不同位置的房间会因qx值的不同，而需要不同平均温度的热媒。由此我们可以联想到，由于居住建筑建造年代的不同，围护结构热工性能存在较大的差异，同一区域供暖系统中不同建造年代的建筑可能会需要不同温度的热媒。从尽量降低地暖方式地面热损失这一角度来讲，按各住户或各单栋楼供给不同温度的热媒是最合理的。
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目前，乌鲁木齐集中供热系统多采用大型换热站直接为各类建筑提供40℃～50℃的低温热水作为地暖热媒，换热站供暖面积从几万平方米到几十万平方米不等，这种供暖方式是不利于控制系统能耗的。高层住宅采用地暖系统时，由于楼中不同位置的房间需要不同平均温度的热媒，因此按楼栋设置集中换热站或燃气热水锅炉，再按户设置换热系统的供暖方式
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可以更有效地控制系统能耗。按户设置的换热系统可以采用混水装置，也可以采用间接换热装置，根据系统承压情况确定。
2 设置室温控制装置的必要性
实现室温控制是实现分户计量和达到供暖节能目标的先决条件，也就是说，如果供暖系统没有有效的室温控制装置，将使用户无法控制对供热量的需求，当房间温度过高时还需要开窗来降温，这样就会造成能源的极大浪费。因此在设计中应严格执行节能设计标准中对室
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温控制的要求。
就住宅建筑来讲，设计环节中就存在可能导致供暖房间过热的因素，主要有以下几点： （1）热负荷计算时需要计入户间传热附加热负荷，对于入住率很高的住宅，这部分热负荷并不发生或发生概率低于设计概率。当这部分负荷实际并不存在时，住户房间就可能出现过热现象。
（2）加热管的设计是很难把握好的一个环节。其一，地面层热阻不易确定，如统一按木地板设计，而实际上用户采用的是瓷砖，这就使得加热管铺设间距过密或铺设面积过大；其二，地面遮挡因素不易恰当把握，因住户在家具布置方面的多样性，很难准确定出因家具遮挡应补偿多少加热管补偿面积。实际上，现有工程中普遍存在加热管铺设间距过密或铺设面积过大的情况。
（3）采用集中供暖系统时，系统的热媒平均温度是按qx值最大的用户（房间）来确定的，而大多数用户（房间）所需的热媒温度均低于qx值最大的房间所需的热媒温度。
由于以上可能导致供暖房间过热因素的存在，为避免室温过热，就需要进行室温控制。在供暖期内，大多数时间里室外气温都高于室外设计温度，虽然热源侧能够根据室外气温的变化对热媒温度进行适当的调节，但这种调节是以满足最不利用户需求为前提的，是粗略的调节，不能代替末端用户侧室温控制。末端用户侧的室温控制是在满足舒适度要求的前提下，通过调控流量来避免部分住户或房间因上述过热因素的存在导致过热。只有末端用户侧和热源侧共同承担供热量调节，才能实现系统运行节能。
我国居住建筑绝大多数是高层或多层建筑且以组团或小区集中建设的形式为主，无论是加热管布置、地面面层热阻设计，还是热媒温度的确定都难以准确的把握，按最不利条件进行设计必将造成部分用户出现过热现象，在这样的条件下设置室温控制装置是十分必要的。
3 结论
地暖系统设计应充分重视地面热损失对供暖能耗的影响，在多层、特别是低层住宅中应适当增加聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度或采用热阻更高的绝热材料，将地面向下传热损失限制在最低程度，这样才能体现出地暖方式计算热负荷低的优势。为防止地暖房间过热，要在设计过程中加以控制，应通过计算确定热媒温度和加热管布置面积，这是系统设计是否正确的首要判定条件。即使在设计完全符合供暖规范、技术规程的情况下，仍然存在可能导致过
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热的因素，如楼内相邻用户室温均在正常温度范围内，户间传热的情况并未发生。因此，设置室温控制装置是十分必要的。只有控制好地面热损失和室内温度，地暖方式才是节能的供暖方式。
参考文献
［1］中国建筑科学研究院. JGJ142-2012辐射供暖供冷技术规程［S］.北京：中国建筑工业
出版社，2012
［2］董重成，姜顺姬，郑雪晶.地面遮挡对地板辐射采暖散热量的影响研究［C］//全国暖通
空调制冷2004年学术文集，2004:22-27 ［3］清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告.北京：中国建筑工业出版
社，2015
［4］中国建筑科学研究院. JGJ26-2010严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准［S］.北京：
中国建筑工业出版社，2010
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