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摘要：建立了冷暖地板換熱的數理模型，分析了盤管內水與管壁、盤管管壁與地板表面、地板表面與房間的換熱過程，形成了地板表面換熱能力與表面溫度的計算方法。綜述地板供暖的節能性、舒適性、適用場合以及用于夏季的地板供冷系統的主要特性。

關鍵詞：地板供暖傳熱過程舒適地板供冷

1引言

現代的建筑節能技術已從單純地抑制需求，降低熱舒適性，發展成為提高能量利用率，用最少的能量最大限度地滿足人們迅速增長的健康和舒適的需求；并提出了能源需求側管理技術（DSM），即以日益增長的需求為目標，用最小的能源消費代價來取得最大的經濟和社會效益，使建筑節能技術步入可持續發展的軌道。冷暖地板輻射式采暖系統就是屬于DSM技術中的一種[1]。冷暖地板可提高供冷時的冷水溫度，降低供熱時的熱水溫度，因而有利于利用天然的低品位的冷熱源供冷供熱。用它作為地下蓄能系統冷熱聯供的室內換熱裝置，能提高系統的能效比。

為了進一步推廣這一技術，有關研究部門對于地板供暖的節能性、舒適性和適用建筑類型等進行了深入的理論研究。近年來，又開始研究、推廣地板供暖系統用于夏季降溫，并取得了一定成效。

2冷暖地板換熱模型

冷暖地板換熱過程可分解為3個階段。第1階段，盤管內水與管壁的換熱;第2階段，盤管壁通過覆蓋找平層、表面裝飾層與地板表面的換熱；第3階段，地板表面與房間的換熱[3]。

2.1盤管內水與管壁的換熱

盤管內水與管壁的換熱屬于管內強迫對流換熱，為簡化。按常壁溫處理。換熱量Q用下式計算：

Q1=αF△tm（1）

式中α為管內對流換熱系數，W/（m2·℃）；Fd為管壁面積，㎡；△tm為對數平均換熱溫差，℃，

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

式中tb為管壁溫度，℃；tf2，tf1分別為進出水溫度，℃。取水的特性溫度tma為

tma=tb±△tm（正為通熱水、負為通冷水）（3）

按tma確定水的物性參數運動粘度ν、導熱系數λ、普朗特數Pr、密度ρ、比熱容c等，計算雷諾數Re、管內對流換熱系數αd，

Re=ud/ν（4）

ad=Nuλ/d（5）

式中u為管內水流速度，m/s；d為管徑，m，Nu為努謝爾特數，按下式計算：

式中L為盤管長度，m：Prb為按管壁溫度查取的水的普朗特數。

水經過盤管后自身熱焓變化量為

Q1′=cm（tf2-tf1）（7）

式中m為管內水的質量流量，kg/s。

由能量守恒有：

Q1=Q1′（8）

2.2管壁與地板表面的換熱

管壁經覆蓋找平層、裝飾層與地板表面的換熱屬于導熱換熱。可用下列二維穩態導熱微分方程求解換熱量Q2：

(9)

求解的邊界條件是管壁溫度tb和地板表面溫度tw1。

2.3地板表面與房間的換熱

地板表面與房間的換熱包括輻射與對流兩部分。為了計算地板表面與房間的輻射換熱，建立“地板環境平均輻射溫度”的概念。地板環境平均輻射溫度tr′是與地板進行輻射換熱的各表面溫度的加權平均值，即

tr′=（10）

式中Fi為除地板面積F1以外的室內表面i的面積，m2；twi為表面i溫度。

地板F1與其它所有表面F2構成封閉的輻射換熱空間，輻射換熱Qr可用下式計算：

Qr=（11）

式中σb為斯蒂芬一波耳茲曼常數，又稱黑體輻射常數，σb=5.67×108W/(m2·K4)；Tw1,ε1分別是地板表面熱力學溫度和表面發射率；Tr，ε2分別是室內其它表面的熱力學溫度和表面發射率。

地板與室內空氣的換熱，若忽略人員設備對空氣的擾動，可視為自然對流換熱。夏季為冷面朝上的冷地板；冬季是熱面朝上的熱地板。計算自然對流換熱，先確定努謝爾特數Nu，

Nu=C（Gr·Pr）n（12）

式中Gr是格拉曉夫數；C，n為實驗常數，

對于冷地板，C=0.58，n=1/5（Gr·Pr=105~1011）

對于熱地板，C=0.54，n=1/4（Gr·Pr=2×104~8×106）

C=0.15，n=1/3（Gr·Pr=8×106~1011）

地板表面對流換熱系數αL，

αL=Nuλ/L（13）

式中λ為空氣導熱系數，W/(m·℃)；L為特征尺寸，m。對冷地板，L為地板兩鄰邊邊長的平均值；對熱地板，L為面積與周長之比。地板表面與房間空氣的對流換熱量Qc為：

Qc=αL（tf1-ta）F1（14）

式中ta為室內氣溫，℃。

地板表面與房間空氣的對流換熱熱量Q3為：

Q3=Qr+Qc（15）

通過上述公式的計算顯示，在各因素中，地板環境平均輻射溫度Tr對房間冷（熱）負荷影響最大，在常溫下Tr降低或升高1℃，冷（熱）負荷將增加或減少5﹪以上，人體表面也是以復合換熱的方式散熱的，在這樣的環境下工作，當為同一室溫時，冬季tw﹥ta使人獲得比較多的輻射熱量，而夏季tw﹤ta使人獲得比較多的輻射冷量，增強人體舒適感[5]

上述計算過程編成程序，即可在計算機上分析管徑、管間距、覆蓋層厚度等冷暖地板構造參數，以及水溫、水量等遠行參數對冷暖地板換熱量和表面溫度的影響，幫助冷暖地板設計和運行的優化。

通過水量和進出水溫度，可將冷暖地板與地下蓄熱系統耦合起來，分析研究地下蓄熱系統冷熱聯供的動態特性，優化系統的設計和運行。

3地板供暖的節能

地板供暖舒適性分析地板供暖除了節省房間有效面積、便于房屋裝修布置等優點以外，最突出的特點就是其舒適性和節能性。

地板供暖系統采用的熱媒可用熱水、蒸汽、空氣和電，為了保證節能的需求，應首選熱水，與建筑結構結合的地板供暖系統，用熱水加熱時溫升慢，混凝土板不易出現裂縫，可采用集中質調節；用蒸汽作熱媒時，溫升快，混凝土板易出現裂縫；用空氣作熱媒時，要將樓板內的空腔作風道，使建筑結構厚度增加；用電加熱的輻射板，板面溫度容易控制，調節方便，但要消耗高品位電能，這將不符合可持續發展的思想。我國的節約能源法中指出，節能應包括可再生能源和新能源的開發和利用。

在新疆地區的地板供暖系統中，多采用建設部推薦的無規共聚聚丙烯（PP-R）管，采用這種管材最高供水溫度不宜高于55℃，故為其提供的熱源可以是廢熱和可再生能源的低品位熱能，我們將對地下水、太陽能、土壤熱量及熱泵進行開發利用。又由于地板表面溫度低，落到地板的灰塵被烤糊升華而污染環境的可能性減少，室內的潔凈度增高，環境衛生條件優越。

4地板供冷的應用

地板供暖系統用于夏季降溫是容易想到的。50年代末，有關的概念已提出，主要是認為，地板供冷采用輻射降溫為主，可以減少人體輻射散熱，提高對流和蒸發散熱以增強舒適感。

地板供冷技術一般認為，地板供冷的冷水溫度應控制在16~18℃，水溫太低時，會導致地面結露，同時會使腳部感覺不舒適。此時，依環境溫度的不同可使室溫降低3~5℃。在干燥的新疆地區，d=7g/kg干，tL=8.5℃，故水溫降低到13℃而不至于結露，此時降溫效果大大增強。無需配置其他空調手段，單用地板供冷就能滿足夏季舒適性的要求。由于地板溫度較低，使用這種系統需要對腳部保暖，經測試對穿鞋者影響很小。

常用冷源有以下幾種：①新疆地區地下水約為12-18℃，可以用井水或地下水作為冷水，價格特別低廉。②熱泵，由于可制冷/熱，特別適合地板冷/暖系統，且使用可靠，80%以上的系統采用熱泵作冷源。大多用空氣/水熱泵，有時也使用水/水或制冷劑/水熱泵。③工藝過程中產生的溫度適合的水。[4]

5結論

本文建立的冷暖地板換熱數理模型，將冷暖地板換熱過程分解為3個階段。在此基礎上形成了冷暖地板換熱性能的分析方法。這一分析方法是按室內空氣處于自然流動狀態，與冷暖地板間的換熱為自然對流換熱處理的。還可以用于分析冷地板的舒適與衛生、表面防結露、設計與運行參數的優化等問題。[2]

地板供暖具有舒適、節能、維護使用簡便、壽命長、不占室內面積等優點，隨著建筑保溫程度的提高和管材質量及施工水平的提高，使用日益廣泛。由于地板供暖系統與生活熱水往往使用同一熱源，可節省設備投資，有利于系統布置。對于新疆夏季不太炎熱、較為干燥的地區或僅要求一定程度降溫的場合，使用夏季地板供冷是適宜的。

參考文獻

1[匈]L.巴赫基，傅忠誠，等譯.房間的熱微氣候.北京：中國建筑工業出版社，1987.

2GB50176-93民用建筑熱工設計規程1993.

3陸耀慶.實用供熱空調設計手冊.北京：中國建筑工業出版社，1994.

4JGJ26-95民用建筑節能設計標準（采暖居住建筑部分）1996.

5章熙民.等.傳熱學.北京：中國建筑工業出版社，2001.