地板采暖系统及户式地暖中央空调的研究

地板采暖系统及户式地暖中央空调的研究

谢鹏

肖洪海 林海佳

(珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070)

摘 要 地板采暖以其独特的结构形式、传热方式体现了其他采暖方式所不可具备的优势。为研究地板采暖的热舒适性，设计了使用电加热为热源的地板采暖实验平台。在特定条件下测试地板采暖系统正常运行时所需热源的最低水温，并验证了室内空气温度分布及地面温度分布的情况符合热舒适性要求。最后，结合户式风冷（热泵）中央空调运行特性的理论分析，得出户式中央空调作为地暖热源是可行的。 关键词 地板采暖 温度分布 户式中央空调

STUDY ON FLOOR HEATING SYSTEM AND HOUSEHOLD FLOOR

HEATING CENTRAL AIR-CONDITION

Xie Peng Xiao Honghai Lin Haijia

(Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai, Zhuhai Guangdong 519070)

Abstract Floor heating system has the predominance of unique structure and heat transfer form, which is different from other heating modes. In order to study its comfortable character, a floor heating system using electric heater as its heat source is designed. When the floor heating system runs normally in the certain condition, the lowest water temperature that it needs is tested. And it validates that the indoor temperature and floor exterior temperature distributions gratify comfortable need. Finally, on the basis of analyzing the running character of household central air conditioning unit in theory, it shows that using household central air conditioning unit as the heat source of floor heating system is feasible. Keywords Floor heating Temperature distribution Household central air conditioning unit

0 引言 据有关资料统计,截至2003 年全国集中供热面积已达1516亿m 2。采暖面积的迅速扩大给各种采暖方式的发展既提供了机遇又带来了挑战，国家为

了节约能源、减少环境污染和提高人民的生活舒适度，鼓励相关部门开发和研究新型供暖方式，大力提倡使用节能性和经济性的供暖方式[1]。

近几年，以低温热水作为热源的地板辐射采暖，以其独特的高效节能、舒适环保与符合中医学中“温足凉顶”的健身理论，成为采暖需求的一个新发展趋势。因此，开发具备地板采暖功能的户式中央空调机组既可以提高人们的采暖舒适性，又响应了国家的节能环保政策，将在我国北方以及长江

作者简介：谢鹏，男，硕士研究生

中下游区域拥有广阔的市场。本文从实验的角度验

证了低温地板辐射采暖正常运行时所需热源的温

度及其分布情况，分析了户式冷水（热泵）中央空调机组作为地暖热源的可行性。

1 地板采暖的传热方式和结构形式 1.1 地板采暖的传热方式及优势

地板辐射采暖的传热过程可分为地板内热管

向地面层的传热、地板内热管向基础层的传热和地板表面向室内的传热两个过程。地面层向室内的传热过程可分为对流传热和辐射传热，其中，辐射换热量占总换热量的50%以上[2]。相对于其他的采暖方式，地板采暖的主要优势如下： (1)温暖舒适。地板采暖房间温度梯度分布，温

足凉顶，促进了血液的循环及新陈代谢，且由于辐射传热量多于对流换热量，室内空气流速较低，减

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少了人体的热量散失，使人倍感舒适。

(2)节能清洁。由于地暖房间各辐射表面的传热增强，使得在保证舒适度的前提下，室内设计温度可以比对流换热降低2~3℃，节能显著，采暖房间内无空气强对流，使得室内的尘埃飞扬和细菌的传播机率大大减小。

(3)运行费用低，使用寿命长。目前，低温地板辐射供暖系统水路管材通常采用交联聚乙烯管，具有耐腐蚀、抗老化、地面下无接口、无渗漏，水阻力和膨胀系数小等特点，有效防止水垢的形成，系统管路完全封闭，确保水流通畅。维护运行费用极低。如无人为破坏，使用寿命达三十年以上。

(4)美观大方，热源广泛。地埋采暖设备基本不占用房间面积，不影响房间布局，便于室内装修。采暖设备可先行独立安装，由用户自己来匹配热源的形式，选择广泛。

1.2 地板采暖的结构形式

目前，低温地板辐射采暖从采暖热源的形式分为低温热水地板采暖和地埋电缆采暖；按其有无蓄热介质可分为有蓄热介质型地板采暖和无蓄热介质型地板采暖，其中，有蓄热介质的地暖系统其蓄热介质可以封装在地面层下，也可以箱体的形式独立封装成蓄热器[3]。图1是无蓄热介质层的低温地板辐射采暖的剖面层，主要分为盘管填充层、找平层和地面层，皆为影响地板传热特性的主要因素。

图1 低温热水地板辐射采暖系统地面剖面图 1.加热盘管 2.伸缩缝 3.固定卡子 4.地面层 5.找平层 6.填充层 7.绝热层 8.基础层

填充层的作用主要是为了保护地埋盘管，一般要求采用C15豆石混凝土，豆石粒径宜为5-12mm ，由于工程标准不同，一般要求填充层与找平层的厚度之和不小于50mm 。地面层是地板辐射的主要散热面，按房间的实际功能需求可敷设的各种地板材料，按导热系数由大到小的排列顺序为：天然石材-瓷砖-复合木地板-实木复合地板-实木地板-化纤地毯-真丝地毯-纯毛地毯。

2 地板采暖系统的实验研究

实验环境为一栋高层办公楼顶层内一个无窗单间，房间大小为5.4m×1.6m×2.8m ，室外温度T w =0℃，按民用建筑主要房间负荷取室内温度T n =18℃。由于围护结构的耗热量为主要耗热量，按式（2-1）进行计算：

A

R T Q t 0

Δ= (2-1) 式中：Q t ——围护结构的基本耗热量，W ；

△T ——室内外温度差，℃；

R 0——围护结构传热阻，m 2·℃/W ； A ——围护结构面积，m 2。

由于围护结构的热传递主要是外表面对流和围护结构热传导，以及内表面对流。因此，式中R 0可利用式（2-2）计算[4]：

w j n R R R R ++=0 (2-2)

式中：R n ——围护结构内表面换热热阻，m 2·℃/W ；

R w ——围护结构外表面换热热阻，m 2·℃/W ； R j ——围护结构本体的热阻，m 2·℃/W 。

实验房间内墙面以聚苯乙烯颗粒为保温材料，加入聚合物水泥胶浆，直接抹在内墙面上为保温层，以耐碱玻纤网格布为增加层，以防水抗裂砂浆为保护层，外饰面为涂料，可以有效起到冬季保暖的作用。墙体为内外面抹灰砖墙，厚度为240mm ，传热系数为0.481m 2·℃/W ，屋顶为钢筋混凝土I 号型，传热系数K 为0.667m 2·℃/W 。经计算，该房间的热负荷为646W 。

图2 实验盘管布置

如图2，实验房间地埋盘管采用PEX 管，公称外径为20mm ，管下绝热层分别采用30mm 离心玻璃棉和50mm 珍珠岩；管间距参照相关规范[5]选取为175mm ，布管方式采用双回型，因建筑面积小，不设伸缩缝。测试房间地面层采用瓷砖。

为验证低温地板辐射采暖方式的热舒适性，不仅需要确定室内人体活动区的空气温度，而且还要测定室内温度的梯度分布。因此，本实验在测试间

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内横向均匀地选取四个平面，在水平和垂直方向上的不同地点布置了温度测点，以确定温度梯度，并取房间中心平面距离地面为1.5m 处的测点为基准点，以该点的温度为室内温度。系统中用于测温的仪器为铜-康铜热电偶，测试点布置如图3。

图3 室内温度测点布置

图4 地板表面温度测点布置

注：点5为房间的中心点，所有测点在房间的纵向中心线

表1 实验房间地板构造层参数

填充层 λ1=1.28 W/m 2·℃，δ1=40mm 找平层 λ2=0.93 W/m 2·℃，δ2=10mm

地板层(瓷砖)

λ3=1.1 W/m 2·℃，δ3=10mm 管间距

175mm 管径 Φ20mm 室内设计温度 18 ℃

供水温度 37℃～42℃

为了研究双回型布置的地板表面温度场的分布，同时考虑到双回型布置方式的“均化”效应，在本实验中根据实际的埋管间距布置热电偶，选取地板上若干点以得出地板温度分布和地板平均温度。地板表面温度测试布置如图4。本系统的地板构造层如图1，各层高度数据如表1。

3 户式中央空调机组作为地暖热源可行性研究

为了便于控制出水温度，实验房间利用可调电加热作为供热热源，模拟户式冷水（热泵）机组的运行情况，当系统供水温度低于37℃启动电辅助加热器，当系统供水温度高于42℃则关闭电辅助加热器，对地板板体加热和室内供暖。测试环境温度为0-4℃，初始室外空气温度为

2.3℃，室内初始温度为6.2℃，室内地板初始温度为4.8℃。系统稳定运行48小时，记录了某一时间段内室内平均温度和地板表面平均温度，如表2，并通过热电偶的温度采集绘制了地板表面温度分布图和室内空气温度分布图见图5、图6。

表2 某时间段测试水温

供水温度(单位：℃)室内平均温度 地板表面平均温度

41.93 18.02 29.23 42.98 18.02 29.16 41.92 17.99 28.32 41.53 18.02 29.11 41.09 18.02 28.97 39.65 17.99 28.18 39.14 18.02 28.04 39.60 17.99 28.53 38.76 17.99 27.69

图5 地板表面温度分布图 通过实验研究，由表2、图5可知，当系统供

水温度稳定在40℃左右时，地板表面温度基本符合

地面辐射供暖技术规程中所规定的温度，即人员活动集中区域地板表面温度不大于29℃。并且由于双回型的盘管布置地板表面温度分布也基本正常。从图6可知，室内空气温度呈阶梯分布，满足采暖设计要求。

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图6 室内空气温度分布

通过以上的实验研究发现，在以上实验条件下，为了保证地板采暖系统的正常运行，只需将进出水平均温度维持在40℃左右。通过调查及实验研究，户式冷水（热泵）中央空调机组的热水供应范围多为35℃~55℃。因此，户式中央空调机组完全可以达到使用要求，基本满足了地板采暖实验验证的40℃需求。

随着技术研究的不断深入，户式冷水（热泵）中央空调机组也逐渐被挖掘出其潜在的能力，具备供冷、供暖和供热水的多功能户式中央空调机组也早已进入市场。依据户式中央空调的运行特性，目前以其作为地板采暖热源的研究也不断崭露头角，户式地暖中央空调机组也随之应运而生。相对于传统的地暖热源，户式地暖中央空调机组具备可行性，主要优势有：

(1) 户式地暖中央空调机组技术业已成熟，可在-15℃甚至更低的环境温度下运行，机组运行可靠，出水温度可恒定。

(2) 选择户式地暖中央空调机组采用水作为供暖载体，相比于电、燃油或者燃气热水器，安全无

毒，且能效较高。

(3) 在不具备集中燃气供暖或供热水区域，机组更便于安装，且控制方便，选择范围更广。

4 结论

通过实验研究，在环境温度为0℃，地板填充层为50mm ，地面层采用瓷砖时，保证地面层下Φ20PEX 管内进出水平均温差在40℃左右，可满足该环境温度下一般楼层的地板采暖的温度需求。由于户式地暖中央空调机组的热水供应范围一般为35℃~55℃，按照实验所得的最低温度需求，完全可以作为环境温度-15℃以上的区域使用地暖采暖时的热源，尤其在南方寒冷地区或无法实现楼宇集中式供暖的地区实现地板采暖最佳热源，不仅可保证地板采暖供暖的稳定连续性，而且相对于风机盘管供暖更具备节能性。

参考文献

[1] 郭卫国. 低温热水地板辐射采暖的实用性研究. 低温建

筑技术, 2004(102), 79-81

[2] 卜一德. 地板采暖与分户热计量技术(第2版). 北京:中

国建筑工业出版社, 2007

[3] 王子介. 地板供暖及其发展动向. 暖通空调, 1999,

(6):35-39

[4] 中华人民共和国建设部. GB50019-2003. 采暖通风与空

气调节设计规范.

[5] 中华人民共和国建设部. JGJ142-2004. 地板辐射供暖技

术规程

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