（热能工程专业论文）武汉地区地板供暖供冷应用研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 _ r i l l - - 一i 一m _ 摘要 以水为热媒的地板供暖供冷是近十几年来在国内外发展较为迅速的新兴 建筑环境设备技术，具有能耗低，热舒适度高的特点。本文通过建立地板换 热性能实验台就地板换热的机理和特性、室内温度场的分布、热舒适性等方 面进行实验论证，为地板供暖供冷在武汉地区的应用提供可靠依据，分析其节 能潜力并结合武汉建筑环境设备应用现状就系统优化设计与运行控制、技术 经济等方面进行可行性分析，促进地区行业的发展。 研究结果表明，地板供暖供冷在武汉地区应用是可行的，兼具节约能耗 和热舒适度高的优势，并且可以有效利用新兴的天然气能源以及太阳能、地 热能等低品位能源，有利于能源格局的优化和调整。但是对于武汉地区的气 候特点和夏季空调负荷状况而言，地板供冷在大部分情况下单位面积的供冷 量较小，难以满足室内空调负荷要求，必须辅以辅助空调措施来承担其余室 内空调负荷和新风负荷并承担室内全部的湿负荷。 本文还从产品开发应用角度，进行了节能通风式辐射换热地板的产品 研制，在系统构成、控制措施、材质选择、制作工艺等方砸具有一定的创新 性。并就实际应用中的设计技术措施、系统选型、节能优化控制方法等方面 提出了技术建议。 本文所做研究不仅适用于武汉地区，而且对于与武汉气候特点类似的 占全国人口三分之一以上的冬冷夏热地区( 上海、南京、合肥、长沙、重庆等 地) 同样具有参考和借鉴意义。 关键词： 武汉地区；地板供暖；地板供冷；实验验证；技术应用 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rm o r et h a nt e n y e a r s ，a s a l li n n o v a t e de n v i r o n m e n t a l e q m p m e m t e c h n o l o g y , h y d r o n i c a lf l o o rr a d i a n th e a t i n ga n dc o o l i n gh a sb e e nr a p i d l ya n d w i d e l yg a i n i n gp o p u l a r i t yd u et ot h e i ri n h e r e n ta d v a n t a g e si n c l u d i n gl o w e re n e r g y c o s t sa n ds u p e r i o rt h e r m a lc o m f o r t i nt h i st h e s i s ，t h ep a r a m e t r i c a n a l y s i sa n d e v a l u a t i o na r ep e r f o r m e dt od e t e r m i n et h eh e a tt r a n s p o r tm e c h a n i s m ，i n d o o ra i r t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a lc o m f o r tp e r f o r m a n c eo ft h ef l o o rh e a t i n ga n dc o o l i n g s y s t e m sb ye s t a b l i s h e dr e l e v a n te x p e r i m e n t a ld e v i c e t h ee x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n w o u l dp r o v i d er e l i a b l ee v i d e n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no fs u c ht e c h n i q u e si nw u h a n a r e a sa n da n a l y z ei t sp o t e n t i a le n e r g ys a v i n gc a p a b i l i t y c o m b i n e dw i t hl o c a l c o n d i t i o n s ，t h ef e a s i b l ea n a l y s e sa r ec o n d u c t e db a s e do nt h ea s p e c to fo p t i m a l s y s t e md e s i g n ，o p e r a t i o nc o n t r o l ，e c o n o m i c a lt e c h n o l o g ye t ct op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to f t h er e # o n a li n d u s t r y t h er e s u l t ss h o wt h a tf l o o rh e a tt r a n s f c ri ss m t a b l ef o rw u h a na r e a s t h e u p d a t e dn a t u r a lg a sa n dl o wq u a l i t ye n e r g ys u c ha ss o l a r , r e c o v e r e de n e r g ya n d g e o t h e r m a lw o u l db eu t i l i z e de f f e c t i v e l yi n t h i sa r e a _ t oo p t i m a la r r a n g e m e n to f r e g i o n a le n e r g y i np a r t i c u l a r , f l o o rc o o l i n gc a p a c i t yw a sl i m i t e db yi t ss k i n t e m p e r a t u r es ot h a ti tc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h ew h o l ec o o l i n gl o a d a n a u x i l i a r ya i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e mm a yh en e e d e dt od r yt h ea i ra n dm e e tt h eo t h e r c o o l i n gl o a do rt h ed i s p l a c e m e n tv e n t i l a t i o nl o a d i nt h ea s p e c t so f p r o d u c td e v e l o p m e n t , an e w p r o d u c tn a m e dr a d i a n tf l o o ri n c o n j u n c t i o n 、i mo u t d o o ra i re x c h a n g eu n i td e s i g nw a sp e r f o r m e di nt h i sr e s e a r c h o w n i n gi t st e c h n o l o g i c a la d v a n c e m e n t so ns y s t e mc o n f i g u r a t i o n s ，c o n t r o l s o l u t i o n s ，m a t e r i a l s s e l e c t i o na n dm a n u f a c t u r e a p p r o a c h e s s o m et e c h n i c a l s u g g e s t i o n si na c t u a lp r a c t i c ea b o u td e s i g nm e t h o d s ，s y s t e mo p t i o n s ，o p t i m a l c o n t r o ls t r a t e g i e st or e d u c ee n e r g yc o n s u l n p t i o na r ea l s op r o p o s e di nt h i sc o n t e x t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 n l er e s e a r c hi nt h i s t h e s i si sn o to n l ya p p l i c a b l ef o rw h h a i la r e a sb u ta l s of o r t h eo t h e rr e g i o n si ns i m i l a rc l i m a t es u c ha ss h a n g h a i ，n a n j i n g , h e f e i ，c h a n g s h a , c h o n g q i n gw h e r em o r et h a no n e t h i r do f w h o l e p e o p l ei no u rc o u n t r ya r el i v i n g k e y w o r d s ：w u h a na r e a s ；f l o o rh e a t i n g ；f l o o rc o o l i n g ；e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n ； t e c h n i e a la p p l i c a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：则年堋。厂日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 地板供暖的历史最早可追溯至2 0 0 0 年前的古罗马以及土耳其等国，而现 代以水为热媒进行地板盘管换热的供暖方式则开始于1 9 0 7 年，当时多采用钢 盘管，在1 9 5 0 - 1 9 6 0 年前后开始使用铜盘管，均存在易渗漏、易锈蚀、使用 寿命短、不易控制、安装成本高、维护难度大等缺陷，一度阻碍了发展。 但近年来随着新材料、新工艺的涌现，自控技术的发展，西欧出现了工 程塑料p e x ( c r o s s - l i n k e dp o l y e t h y l e n e ；交联聚乙烯) 复合管材，并首度在北 美用于地板供暖并证实为供暖空调冷热媒循环系统合适的管材，使高舒适度 的地板供暖在近1 5 年来的欧洲和近1 0 - 2 0 年来的北美、亚太北部地区发展迅 速，为广大用户接受。在美国，其市场占有率近1 0 年来正以年均2 5 的速 度增长；在英国，5 0 的自助装修家庭选择了地暖。 地板供冷则以其良好的蓄冷特在北美干燥的西南部地区和欧洲数百万平 方米的大型地下车库、超级购物中心、体育场等大空间大面积建筑中起到良 好的冷却降温和消除部分冷负荷的削峰添谷作用。在南亚的泰国曼谷新机场 也安装了辐射地板供冷系统( h r c ) ，展示了良好的应用范例。 对于世界而言，地板供暖在新建和改建建筑的供暖工程中的普及率为：北 美7 0 9 0 ：欧洲5 0 ；韩日9 0 。 对于国内而言，地板供暖近年来在我国的严寒和寒冷地区尤其是中高档 住宅中得到迅速而广泛的应用，地板供暖在各地新建建筑的供暖工程的普及 率大约为：冬季寒冷的北京及黄河流域地区1 5 3 0 ；严寒的东北地区 5 0 7 0 。 但是受多种因素制约，地板供冷的应用并未像地板供暖那样普及，仅仅 用于已安装了地板供暖系统的建筑，在夏季作为一种降温措施，用于冷、湿 负荷不是很大的场合或作为辅助空调措施。但实践经验和理论分析表明，如 哈尔滨工程大学硕士学位论文 果采取合适的技术措施，地板供冷可以同地板供暖一样服务于大众。 地板供暖在我国长江流域的冬冷夏热地区仅仅进行了少数项目的试点， 例如武汉地区仅绿景苑、蓝天嬉水乐园等项目中有应用，冬季使用效果较好。 地板供冷技术在国外也被谨慎采用，多用于大型体育场馆、购物中心、 机场、停车场作为辅助降温措施：独立使用时多与通风措施结合或用于相对 湿度较低的地区，例如美圄的亚利桑纳州的室外相对湿度仅1 5 。原因是地 板表面在供时有结露的风险，所以地板供冷的应用相对较少。在国内，地板 供冷技术也仅在少数几个项目中进行试点，成熟的应用经验总结较少。 1 2 地板换热实际应用的特点 地板换热的温度垂直分布曲线最接近人体理想温度感觉曲线，换热温差 小，室内温度场均匀。供暖时地板表面温度高于人体温度与人体足部直接接 触补充人体表面散热损失，并且地板与房间四周和顶面进行辐射换热，使之 温度升高从而减少了冬季人体的对外辐射热损失，使人体有如被温暖阳光沐 浴的舒适感。同样在地板供冷时地板表面温度低于人体外表面温度且地板与 房间四周和顶面进行辐射换热，使之温度降低从而促进了夏季人体的对外辐 射散热，达到了消暑降温的目的。由于地板加热盘管采用地板下埋管式的布 置型式，有效隔离了水击引起的噪声也没有常规空调系统由电动运转设备和 空气输送引起的噪声干扰，运转宁静自然。常规供暖系统与辐射换热系统温 度分布对比如图1 1 。 图1 1 常规散热器系统与辐射换热系统温度分布对比 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 通常地板辐射供暖时的室内设计温度和供水温度较其他供暖方式的温度 低，而人体实感温度高；供冷时的室内设计温度和供水温度较其他空调方式 的温度高，而人体实感温度低。这是由于辐射板与人体之间直接的辐射热交 换的换热方式决定了此时的平均辐射温度和操作温度与常规供暖和夏季空调 的热舒适指标值是等效的，辐射能直接作用于人体而不是常规换热方式通过 以加热或冷却空气作为媒介来满足热舒适要求。由此该换热模式降低了冷暖 负荷，节约了能耗，并且可以有效地利用太阳能、地热能、余热废热等绿色 能源和低品位热源。 由于空气对流强度的减弱也减少了门窗的开启和室外空气渗透负荷，节 约了能耗。地板供暖供冷独有的蓄热蓄冷特性可以使系统采取间歇运行的控 制方式，也起到了节约能耗的作用。并且利用多数地区采取的峰谷电价政策 在夜间运行，进行蓄热蓄冷来消除部分负荷，不仅节省了运行费用还可以使 冷热源设备的容量减少而节约初投资。 相关文献显示若采取保温密闭性好的围护结构和有效的控制措施，地板 供暖供冷较常规系统可节能1 0 7 0 i l 声j 。并且相关的冷热源在相对高或低 的供水温度的工况下运行，使设备的运行效率提高，使用寿命延长。 由于地板供暖供冷的辐射换热量占总换热量的比例多高于5 0 以上，故 减少了其他换热方式由于主要靠空气对流换热而产生的微颗粒扬尘的污染和 细菌的滋生。由于对流换热所占比例减少，相应地减少了与室外空气的渗透 性冷热损失，降低了冷暖负荷，节约了能耗。 地板换热系统更便于单户控制与热计量收费。但是隐蔽安装的地板换热 盘管维修难度较大，所以要求地板以下的换热盘管不得有接头。由于地板供 暖供冷均需要严格控制地板表面温度使得其冷热负荷必须在一定范围之内， 过大则无法满足使用要求，因此其更适用于冷热负荷相对小、围护结构保温 密封性能好的建筑，使用的场合受到一定限制。对于辐射供冷而言，必要时 还须采用辅助置换通风或其他空调末端设备来帮助冷却除湿、克服地板表面 结露；如果对系统进行合理的综合优化设计，操作得当，则可规避结露的风 哈尔滨工程大学硕士学位论文 险，无论在初投资和运行费用上都会比传统的空气对流式空调制冷方式更具 优势。地板表面的装饰覆盖物( 木地板、地毯等) 也不利于热交换。 因为地板供暖要求供回水温差不宣大于1 0 ( 2 ，又要求热媒管内流速不应 小于o 2 5 m s ，所以循环水量比常规供暖系统大了一倍多，水泵电机能耗高。 对于常规集中供暖管网，在进入没有地板供暖的住宅后，必须增加二级换热 以降低水温和减小温差，这就增加了设备投资1 2 j 。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 1 3 1 国内外关于地板换热的主要研究方向 1 、对地板供暖供冷的热舒适性、节能特性及主要技术参数、实用的地板 换热设计计算方法等方面的研究 3 1 。 2 、热工特性及影响因素分析( 管路构造、控制方式、温度设定值) ，热 交换机理分析与节能的途径和潜力1 4 ，5 一。 3 、系统优化控制及分析。包括多级开关控制、积分放大延迟控制，间 歇运行与连续运行控制、多参数转换控制掣7 m 。 4 、温度场特性。建立数学模型和利用热平衡方程求解三维空间的流动 与温度分布问题，着重对地板换热房间的空间气流温度、速度场的分布进行 模拟仿真 9 1 。 5 、系统仿真研究。开发相关仿真软件可以用于负荷计算、热效率评估、 模拟房间温度场和房间内表面温度分布，并可用于评估热舒适度、控制及系 统选型、动态响应等方面。仿真软件是分析评估并预测换热地板热力工况的 有效工具、具有耗资省、效率高的特点。发展方向为高精确仿真、高处理能 力、提高兼容与扩展能力、操作简单易行l i u j 。 6 、太阳能、地热能及地源热泵在低温供暖高温供冷中的应用研列1 1 , 1 2 j 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ，3 2 国内外关于地板换热的主要研究方法 1 3 2 1 理论研究 建立换热地板的传热模型，对地板换热性能的影响因素及其热工特性进 行研究。确定排管间距、管内供回水温度、地板各构造层厚度等因素对地板 表面温度及地板换热量的定性影响。对地板与房间各非加热表面及空气之间 的热力系统进行分析、建立热平衡方程，结合实验手段和仿真工具得出研究 结果。目前常用的传热模型有：复合翅片传热模型、热传导传热模型、有限 元或有限差分模型等。 1 3 2 2 实验研究 建立系统性能测试实验台，进行系统参数的测试和热力工况分析，为理 论研究提供实验的佐证和进一步的指导，接近实际、颇具说服力。随着科学 的进步和技术的创新，高精度高分辨率的实验装备技术为各国专家学者的科 学实验研究提供了有力的支持手段。 以红外热像仪在地板换热温度场测试实验中的应用为例，图1 2 为半覆 半裸的各型地板换热热象图，从中可清晰看到表面温度在管际间的扩散性分 布，更直观地表达了温度场的特性，较理论分析与数值模拟更为简洁明了。 图1 2 红外热像仪在温度场测试实验中的应用 1 3 2 3 动态仿真 应用仿真及设计计算软件建立动态仿真模型进行数值计算，得出仿真结 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目i 目i j 叠i i pr 果。在建筑热力系统的全年动态模拟领域，理论上已经基本逐渐发展成熟。现 行计算分析的方法大多采用有限差分法，反应系数法，谐波反应法，状态空间法 等。它们分别通过采用数值或者分析求解的方法在计算机上模拟仿真的结果。 自2 0 世纪6 0 年代到今天，世界各国都相继开发出一些较好的动态模拟软件， 可以方便的对建筑物全年动态热力系统进行建模计算。 目前应用软件种类很多，但全部都是基于相同的热力学基本理论开发， 对于辐射换热的计算也采用了类似的方法，区别在于其建模所采取的步长和 精度、复杂程度、对于所用热力方程的求解和边界条件的处理方法，兼容性、 扩展性、处理能力、仿真速度、所应用的动态仿真软件能否精确有效地进行 系统的实际模拟与计算，如何量化理论计算与详细的数学模型之间的内在联 系，使研究结论更具说服力，以下是几种常用的仿真软件。 e s p - r 专业的建筑热力系统与控制仿真软件，由英国科学技术工程研究院开发， 具有较好的仿真功能，可以成功地用于地板换热仿真，瞬时能耗仿真。但是 需对稳态地板的对流换热系数作一定的修正，仿真的结果很大程度上依赖于 对地板表面辐射与对流换热系数的最初假设。 d o e 2 ，2 建筑能耗分析软件。美国能源部资助、加洲大学伯克利国家重点实验室 ( l b n l ) 参与开发。涵盖了建筑设计、结构、运行、内部设施等诸多单元， 可以对建筑的各个组成部分针对输入参数和边界条件进行实时仿真，并给出 仿真结果。在应用上有一定的局限性，可通过建立系列数学模型，控制边界 条件来获得良好的仿真结果。 r a d c o o l 主要用于热力系统的动态仿真，以d o e 2 2 的界面运行，但在室外环境与 空调系统的控制单元体的建模方面较d o e 2 2 功能更为强大、精确度更高、扩 展性好。并且可以用于空调工程的辅助设计，控制系统与建筑系统负荷变化 的动态响应的仿真，分析建筑室内环境的热舒适性及能耗状况等。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s p a r k 由美国加洲大学伯克利国家重点实验室( l b n l ) 开发，提供了求解复 杂热力系统的动态、非线性方程的实用方法，可以在不同气候条件和多种建 筑结构型式的状况下进行系统仿真。速度是同类软件的1 0 2 0 倍，较d o e 和 e n e r y 。p l u s 的系统资源更加丰富，非常适合瞬时动态仿真。 t r n s y s 德国德累斯顿大学开发的专业的热力系统仿真软件。模块式结构特别适 合对瞬态系统作详细分析。具有极强的扩展性和良好的仿真功能。 s e r i r e s 居住建筑热能运行分析仿真软件，由美国能源部资助开发，尤其适用于 太阳能供暖的建筑。 i d a i c e 3 0 专业的建筑热舒适性、室内空气品 质、能耗仿真软件。由斯洛文尼亚a e c 公司资助、瑞典斯德哥尔摩技术研究院 和芬兰赫尔辛基技术大学联合开发的软 件，具有很好的仿真功能，即可以进行 简单的建筑冷热负荷计算也可阻进行复 杂的三维空间热力参数描述的实时仿 真，为a s h r a e ( 美国供暖、制冷与空 调工程师协会) 推荐使用。图1 3 为i d a - 图1 3i d a i c e 3 0 友好的操作界面 i c e 3 0 友好的操作界面。 c l i m 2 0 0 0 法国电力公司资助开发的建筑能耗仿真软件，具有很好的仿真功能，可 以对整个建筑系统进行仿真，在低负荷计算时有一定的局限性，需对计算公 式加以修正或控制边界条件。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s u n d a y 美国针对各地区的建筑逐日( 度日法) 仿真软件，具有速度快、操作简 易的特点，可用于计算围护结构负荷、快速精确地进行系统设计等。 d e s t 我国清华大学独立开发的建筑热环境模拟软件，在使用和计算处理能 力及动态模拟方面有较好的仿真功能，运行效果良好。 1 3 3 国内外关于地板换热研究所存在的问题 目前多数研究所采用的数学模型过于理论抽象化并且较为复杂不易求 解，同时对于真实换热特性的描述精确度不足，缺乏简单直观精确的数学模 型用于研究熟力系统工况和用于实际工程设计。太多沿用传统的经验数据和 公式或通过实验研究求解。目前的数学模型大多只能就理论方面做定性分析 而无法与真实的数据结合进行演算和论证。计算机仿真是应用较多的科研手 段，但仿真是以数学模型和边界条件为基础，利用计算机的速度和高效率的 优势来求解复杂的应用问题，但在使用时首先所采用的数学模型与真实情况 有一定的差距，其次在处理边界条件时又做了许多的假设和干扰因素的忽略， 使得仿真结果与实验真实的结论总是存在或大或小的偏差。 在应用领域的研究方面与地板换热特点相适应的设计计算方法、系统型 式、材料、地板构造型式、自动控制模式及相应的设备等应用设施的研究开 发还不够成熟，正处于初步发展阶段；对于地板供冷时的舒适性和防止地板 表面结露的措施的研究不够深入，就世界范围的应用而言采用地板供冷的建 筑项目也比较少，所积累的应用经验也不是很多；在节能控制和优化运行方 面对于系统的温度控制和间歇运行以及在冬季和夏季夜间运行的蓄能特性的 研究也正处于探讨过程之中，出现了多种公认的比较成功的运行控制模式为 大众所接受。 对于地板供暖供冷在长江中下游冬冷夏热地区的应用研究方面，重庆大 学和南京师范大学结合当地气候特点作了较多的研究工作，但是在武汉地区 哈尔滨工程大学硕士学位论文 这方面的工作做的还很少，此前还没有做过实验研究和仿真研究。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 建立实验台测试室内外温度、湿度和地板表面温度分布，分析室内 外温度场特性；结合实验结果从理论上分析地板换热的传热机理、熟工特性； 计算系统逐时冷、热负荷，系统能耗，评价节能潜力及热舒适性，进而分析 地板供暖供冷在武汉地区应用的可行性。 ( 2 ) 从热工基本理论出发，就能耗特性、热工特性、热舒适性等方面结 合本地区的能耗现状和空调设备应用现状从理论上论证地板供暖供冷的实际 应用特性和发展前景。 ( 3 ) 在实验研究和理论论证的基础上，以实验数据的理论分析为依据， 进行节能通风式辐射换热地板的产品研制与开发。做到既符合长江流域冬冷 夏热地区的气候特点，又能达到节能舒适的人工气候环境，并具有较好的技 术经济性和创新性。 ( 4 ) 针对武汉地区气候特点，对不同的系统流程、冷热源型式、材质选 择和控制方式作综合比较，为系统优化设计提供理论依据，提出进行地板换 热工程的优化设计所应采取的技术措施。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章地板辐射换热的机理与应用可行性 2 1 地板换热的机理 热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在o 1 1 0 0 微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间 介质的真空中向多个方向直接传递。每一物体都具有与其绝对温度的四次方 成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合 导致的热量转移称为辐射换热。 由于大多数工程材料可视为灰体，故对两个固体表面间的辐射换热，辐 射换热量的计算式为式( 2 ，1 ) 0 3 1 q j 2 = c i 2t p l 2a 1f 对t ) ( 2 、) 式中： d ，一 两表面间总的辐射换热量，w c 门 两表面间总的辐射换热系数，w ( m 2 k 4 ) p 门 两表面间的角系数 一， 辐射面积，m 乃，码 两表面的温度，k 辐射换热量的大小取决于辐射面的表面温度和辐射表面的发射率、吸收 率等辐射热工特性以及两个表面的几何尺寸和相对位置。 经典的辐射换热理论表明，辐射表面的温度和发射率越高则其向外传递 的辐射热量越大；辐射表面的吸收率越高，则其吸收外界辐射热量的能力越 强。两个表面的几何尺寸和相对位置通常决定了其相互间进行辐射换热角系 数的大小，例如在以地板、天花板、或墙面作为辐射换热表面时，其表面积 比室内人体大很多，此时可取角系数p j 2 = l ，在运算时可以对式( 2 1 ) 作 如下简化处理如式( 2 2 ) 1 1 4 o q l f 8 1a 1 5 6 7 往；- l ；)q 蜀 式中：s ，人体衣着外表面发射率 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此时也获得了较大的辐射换热量。 本文所述地板换热特指以循环水为冷热媒的供热供冷方式，该种方式主 要以埋设于地板表面以下的换热盘管首先将热媒的热量传递给地板表面，再 在地板表面主要以辐射和对流的方式传递给室内人体、空气和其它表面。基 于传热的基本理论和传热的数值计算方法结合现代计算仿真技术，国内外许 多学者对地板换热的传热特性作了大量的研究工作，并得出了许多较为一致 的换热影响因素分析的结论。 供暖时与地板表面散热量在一定范围内成正比的因素：地板盘管的管径、 管道内循环水的平均温度、地板盘管本身和上面覆盖材料的导热系数、盘管 下衬垫保温材料的厚度、地板表面材料本身的发射率等。 供冷时与地板表面供冷量在一定范围内成正比的因素：地板盘管的管径、 地板盘管本身和上面覆盖材料的导热系数、盘管下衬垫保温材料的厚度、地 板表面材料本身的吸收率、辅助通风时的表面对流换热系数、太阳对地板的 直接辐射得热量等。 供暖供冷时与地板表面换热量在一定范围内成反比的因素：地板盘管的 管道间距、供冷时管道内循环水的平均温度、地面以下的埋管深度、地板盘 管的管道壁厚、地板盘管上面覆盖材料的厚度等。 2 2 地板换热的热工特性 地板换热时，包含了辐射、对流、导热等三种传热方式。在常规的地板 供暖或供冷状态时地板辐射换热量的比例大多高于5 0 以上。地板换热盘管 与地板表面的填充层之间主要以导热方式传递热量。 对于地板换热的数学模型的建立，国内外很多学者基于不同的建模理论 和边界条件假设作了大量的研究工作，得出了多种不同的表面换热量的计算 方法和表达方式，在理论上对于地板供暖而言影响较大得到广为认可的是式 ( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 ，5 ) t 1 2 】。 哈尔滨工程人学硕士学位论文 地板表面换热量 q 2 q r + q c ( 2 3 ) 式中：q ，辐射换热量，w m 2 q 。对流换热量，w r 热地板 q 巾“9 8 警r 笋门( 2 - 4 ) q c h = 2 1 7 ( tp 旷t n h ) | 3 i t 2 5 、 式中：t p h 室内热地板表面温度， f 。曲 室内与热地板进行辐射换热的表面温度， t n h 供热时室内空气的平均温度， 而对于地板供冷而言，比较典型的是美国亚利桑那州立大学的学者v g h a t t i 所推荐的式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 1 0 。 冷地板 q ，c = 0 8 5 t 芦了+ 石r 4 6 0 4 一r ! 璺专翥塑j ( 2 6 ) q c c = 0 7 4r f 砧一t h e ，7 ( 2 7 ) 式中：t p e 室内冷地板表面温度，下 f 。一 室内与冷地板进行辐射换热的表面温度，下 t 供冷时室内空气的平均温度，下 地板供暖方式是房间整个地面为散热面，在地板加热周围空气的同时， 还同四周的墙、顶、棚等外围护结构进行辐射热交换，从而使四周的围护结 构表面温度升高。同时与室内人体之间直接的辐射换热，减少了人体辐射热 损失。由于同时具有辐射强度和温度的双重作用，造成了符合人体舒适要求 的热状态，有利于提高人体舒适感。辐射散热量均己大大超过了不同活动状 态下人体代谢率规定值，充分符合人体生理需要并满足热舒适要求。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 地板采暖是采用低于6 0 的热水通过直接埋入建筑物的地板内的加热 管或埋入地板内的发热电缆，依赖其释放出来的热量使地板被均匀加热，再 通过地板表面放射出来8 一1 3 u m 的远红外线进行热辐射，投射到人体皮肤 2 m m 深处的“热点”传感器上，对其产生刺激，发挥对人体的保健作用。人体 足部直接与温暖的加热地板接触，促进和改善血流循环及新陈代谢，有利于 人们身体健康。地板采暖产生的热量大部分是以辐射方式传递，减少了室内 空气因对流换热引起的急剧流动产生尘埃飞扬的可能性，有利于改善卫生条 件。 在地板换热系统热舒适性的各项影响因素中，水平方向的温度均匀程度 是关键的环节。由于地板换热时室内空气流速很低，地面温度的均匀就在很 大程度上保证了房间各高度上的温度分布的均匀性。地板换热从地面附近直 至天棚附近，纵向温差最大仅1 6 ，最小甚至为o ，平均值为o 5 ，温 度分布非常均匀，非常符合人体生理健康的温度场需要。 但是供冷时必须使地板表面的温度高于室内空气的露点温度，防止地板 表面结露，使地板的换热量受到局限。对于武汉地区夏季的气候特点而言， 气候湿热，空气的温度和相对湿度均较高( 7 0 8 5 ) ，使得空气的干球温 度与露点温度差较小，冷负荷和湿负荷都比较大，因此单纯采取地板供冷无 法满足冷负荷需要。 地板换热与吊顶或墙面换热相比由于冷热源位置不同，其室内温度场的 分布特性也不相同。地板供暖时，房间下部温度高，室内空气温度随高度增 加而略微降低，地板表面与室内空气的换热温差很小，整个室内温度场的竖 向温度分布较为均匀，温差很小；吊顶或墙面供暖时，室内温度场的分布与 地板供暖相反，呈现了房间上部温度高，下部温度低的分布状况，吊顶表面 与室内空气的换热温差较大，引起竖向温度梯度增加，温度场不很均匀。地 板供冷时，房间下部温度低，室内空气温度随高度增加而略微上升，地板表 面与室内空气的换热温差很小，整个室内温度场的纵向温度分布较为均匀， 竖向温差很小，但供冷能力受到一定限制：吊顶或墙面供冷时，吊顶表面温 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度较低并结合吊顶新风导入，与室内空气上升的热气流直接进行对流换热， 促进了室内空气的良性循环，加大了换热量，具有较强的供冷能力，获得了 较好的热舒适效果。 地板换热时通常以整个地面作为换热面，对室内装饰布置的影响较小， 换热面积大，换热温差小，室内温度场均匀，循环水温在供暖时通常3 5 5 5 ，供冷时1 2 1 8 ；而吊顶换热时通常采用部分拼装式的辐射顶板，以部 分吊顶作为换热面，与灯具和其余吊顶装饰造型配合，对室内装饰有一定影 响，换热面积小，换热温差大，室内温度场不很均匀，循环水温在供暖时高 达5 5 7 5 ，供冷时7 - 1 2 。c ，对冷热源的要求较高。 地板供暖较吊顶或墙面供暖具有较好的热舒适性；而冷却顶板的换热能 力和制冷效果则优于地板供冷。 2 3 武汉地区建筑环境设备应用现状 由于经济和历史的原因，武汉地区居住建筑设计没有设置空调采暖设备， 建筑物的外围护结构没有采取保温隔热措施，冬季室内的采暖热量通过 门窗、墙体大量散发；夏天太阳辐射和室外的热空气通过门窗、墙体和屋面 传到室内，造成室内外温度接近。空调和供暖设施要不停运转，才能达到取 暖和制冷的效果。计划经济时代，武汉被列为非采暖地区，设计建造住宅时 对保温隔热没有明确要求，建筑材料大多是烧结料土砖，既不保温又不环保； 屋顶都是平顶，不隔热；门窗缝隙大，既不挡风也不遮阳，造成大量能源浪 费。 屋里和屋外同冷热一直都是武汉的一大特色，武汉的冬天没有北方那么 冷，但冷得比北方难受。随着经济的快速增长和广大市民对住宅舒适性要求 的提高，旅游宾馆、大商场、办公及商用建筑越来越多，加上家庭用空调的 剧增，使空调能耗激增，夏季空调耗电己日渐成为能耗大户。居民普遍采用 空调器降温、电热器采暖，目前，武汉8 0 的居民取暖都是用电，能效比较 低，电能浪费很大。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近年来武汉地区的电力供应局势日益严峻，也对供暖空调设备的使用提 出更高的要求。2 0 0 4 年5 月，地处中部的湖北省遭遇自1 9 9 7 年以来最严重 的一次电荒，拉闸限电仍缓解不了日益加剧的电力紧张局面，诸多因素导致 湖北省日均缺电量1 0 0 0 万千瓦时。武汉市用电量占全省三分之一以上，缺电 形势尤为严重。 据统计，武汉市居民共有空调2 5 8 万多台，按每台平均功率1 0 0 0 瓦计算， 空调电力总负荷为2 5 8 万千瓦，占全市高峰电力负荷的7 5 。武汉市冬季采 暖和夏季制冷耗电量占全社会用电量的l 3 以上，高于全国平均水平。 此外武汉地区很多大型公共建筑中有2 0 0 多家中央空调用户、6 8 家蓄热 式电锅炉用户，也存在能耗过大的问题，主要由几方面原因造成：建筑外围 护结构设计不够科学，不具备良好的保温性能；实际工程中制冷机装机容量 普遍偏大；基本上没有安装必要的计量仪器和进行量化管理：基本上没有集 中空调自动控制系统，不能适应空调系统舒适、经济、节能运行的要求；部 分运行人员技术素质不高，不能根据室外温度变化保证室内空气品质等。 武汉现有房屋建筑面积近4 亿平方米，其中住宅约1 8 亿平方米，并且 每年竣工房屋建筑面积1 4 0 0 多万平方米，其中住宅6 0 0 多万平方米。建筑节 能的空间巨大。早在1 9 9 7 年，武汉市就成立建筑节能办公室，推广应用建筑 节能技术。但效果一直很不理想。直到2 0 0 1 年以后，才建成永清庭园、航天 花园等几个节能住宅小区。面积只有1 0 0 多万平方米，不到住房总面积的5 。 在武汉，许多宾馆酒店商场已经将电梯减半使用，空调实行间歇 式运行，并推广使用蓄冰空调。各行政主管部门也纷纷带头节约用 电。媒体也在纷纷鼓励全社会节约用电，建议将夏季空调的室内温 度设置提高1 - 2 。据测算，气温3 6 以上时，在武汉市，如果大家都把 空调温度设高1 ，至少可减轻电力负荷1 0 万千瓦，几乎可以填补当地供电 缺口的一半。 燃气空调是专家积极倡导的项目。近年“电荒”严重，而越来越多的空调 对能源供应形成巨大压力。从全国来看，夏季空调用电占电力的4 0 ：而在 哈尔滨工程大学硕士学位论文 武汉地区的高峰时段，夏季空调用电占电力的5 0 以上。作为国家“西气东 输”工程的重要组成部分，2 0 0 1 年月1 3 日，武汉市已与中国石油天然气 股份有限公司就天然气销售和输送合同正式签字。这就是武汉市发展使用天 然气的“川气入汉”工程。 “川气入汉”后，武汉市“冬暖夏凉”工程进入实质阶段，该工程是对 武昌、关山热电厂和汉口煤气厂等实行“煤改气”改造，用天然气锅炉产热 蒸汽，再通过供热管道送给用户。夏天，则可用溴化锂将其转化成冷气。该 工程可让4 0 万户家庭受益。夏冬用电高峰期，约3 成的电力负荷为空调带来 的。如果推广燃气中央空调，不仅成本比电力驱动空调便宜2 0 左右，且不 会受到拉闸限电的影响。武汉的中央空调和蓄热锅炉用户如改用天然气，将 削减高峰电力2 5 万千瓦以上，大大缓解供电压力。国内许多城市都在大力推 广燃气空调，北京、天津、上海、重庆等地，大型燃气空调都已达数百台， 而武汉，这方面尚属起步阶段，全市目前1 1 9 家直燃机用户中，燃气空调仅 有1 0 台。 2 4 地板供暖在武汉应用的可行性 2 4 ，1 地板供暖的热源适用性 地板供暖由于对供水温度要求不高，不仅可以利用常规的锅炉作为热源， 还可以利用地热能、太阳能、余热废热等绿色能源。武汉地区已有不少地源 热泵使用的成功经验。该地区日照充足，家用太阳能热水器已大量使用，完 全可以将其作为地板供暖供冷的冷源或热源。武汉地区有武汉钢铁公司、武 汉石油化工集团公司等大型企业和多家热电企业，生产产生的余热废热都可 以转换为地板供暖供冷的冷源或热源。 “川气入汉”将使武汉市以往的能源结构发生重大变革，在美国、韩国、 加拿大、意大利等国，小型燃气炉己大量用于户式地板供暖，使用灵活，舒 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 适方便。“川气入汉”后武汉市政府已出台一系列鼓励使用天然气的优惠政策， 各型燃气热水机组将成为地板供暖的一项重要热源。 2 4 2 地板供暖的经济性分析 尽管在原理上地板供暖可以利用很多低品位的热源，但是对于武汉地区 大多数的用户来说，太阳能供暖的产品和应用经验在我国正处于尚未完全成 熟的阶段；地源热泵受地质和地下水质条件的限制较多，不具备广泛适用性； 余热废热只能满足部分用户的需要，且需通过采取一定的技术手段来实施。 相比之下，笔者认为天然气用于地板供暖供冷不失为武汉地区用户冬季供暖 的一种较好的解决方案。 以某建筑面积为2 4 0m | 民用建筑的供暖为例，假设其供暖负荷为2 4 k w ， 每天的采暖时间为1 2 小时，若采用单纯的电取暖设备，则其耗电量为2 4 1 2 = 2 8 8 k w h ，武汉地区的民用电价为o 5 5 元k w h ，则全天的运行费用是1 5 8 4 元( o 6 6 元( m 2 天) ) ；若采用单台额定输出功率2 4 k w 的单户燃气壁挂炉+ 地板供暖，其内置水泵和点火装置的功率是1 5 0 w ，每小时的天然气流量是 2 9 7 m v h ，则其全天耗电量为o 1 5 1 2 = t 8 k w h ，除去保温时间，燃气炉全天的 燃烧时间按5 小时计算，则全天天然气消耗量为2 9 7 5 = 1 4 8 5m 3 ，武汉地 区的民用天然气价格为2 3 元m 3 ，则全天的运行费用是3 5 2 9 元( o 1 5 元 ( m 2 - 天) ) 。使用单户燃气壁挂炉+ 地板供暖可以日节省运行费用1 2 3 1 1 元( 0 5 1 元，f m 2 天) ) ，全年供暖时间按6 0 天计算，则全年可节省运行费用 1 2 3 1 l 6 0 = 7 3 8 6 6 元( 3 0 7 8 元( m 2 年) ) 。 但是如果采用内置水泵的空气源热泵机组作为热源，当室外空气温度 74 c ，制热量为2 7 4 k w 时，机组电功率为9 6 6k w ，则其耗电量为9 6 6 1 2 = l1 5 9 2 k w h ，则全天的运行费用按民用电价标准计算是6 3 7 6 元，此时用单户 燃气壁挂炉作热源较空气源热泵臼节省运行费用2 8 4 7 元；尤其是在室外空 气温度低于5 。c 时，空气源热泵机组需要采取辅助电加热措施，此时机组电 功率为1 5 6 6 k w ，则其耗电量为1 5 6 6 1 2 = 1 8 7 9 2 k w h ，则全天的运行费用按 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - 冀一i i l 民用电价标准计算是1 0 3 3 6 元，较单户燃气壁挂炉日增加运行费用6 8 0 7 元。 以上是武汉地区常用的几种热源的运行费用比较。就初投资来说，电取 暖设备的初投资相对低廉，其次是空气源热泵机组，一机实现冬夏两用，安 装简单，置于室外通风嶷好处即可；单户燃气壁挂炉需要单独额外的投资， 但可以达到冬季供暖和四季热水的功能，尤其适用于电价昂贵、电力容量有 限的场合。 无论干法施工还是湿法施工，地板供暖不含热源的造价在国内平均为 8 0 1 4 0 元m l ，与中央空调的平均造价大体持平，略高于散热器供暖的造价。 当地板供冷时，若采取辅助空调措旄，还会使系统初投资增加。但是它所具 有的节能优势会使多支出的初投资通过运行费用的节省而回收，加之良好的 热舒适特性，仍不失为性价比卓越的技术产品。 2 5 应用地板供冷时的注