摘 要：指出地面供暖系統設計時要對地表面溫度、供回水溫度有所限制；分析了嚴寒地區有的房間地面放熱量可能小于外圍護結構計算耗熱量，不能保證室溫18℃要求；最后探討了質調節方法。

    關鍵詞：地面供暖  地表面溫度  耗熱量  質調節

    1  地面供暖系統設計時要限制地面溫度和供回水溫度

    地板的板面平均溫度按衛生要求，最好不高于26℃（對游泳池池邊通道，可容許達31℃，管上方地面可容許35℃），這樣的限制也是為了避免木地板和混凝土開裂。相應的住宅地暖系統的供水溫度限制在40～45℃，回水溫度限制在30℃及以下。正是由于這種最高容許溫度的限制，使嚴寒地區的住宅在采用地暖系統時，可能有的房間因地面面積相對于外圍護結構面積的比例較小，地面放熱量不能補償計算耗熱量，會使室溫達不到所需的18℃的下限溫度，本文著重討論這一問題。

    2  地面放熱補償房間耗熱量的能力分析

    為增強說服力，取按節能標準建造的保溫隔熱性能好的新建住宅樓為例，且對處于中間樓層的房間進行分析。因為從地板放熱補償房間熱損失目的看，這種房間失熱圍護結構面積與放熱地面面積之比最小，最有利。顯然，如果這樣的房間不能滿足采暖要求，其它房間更不能滿足。

    首先，確定單位面積熱地面在表面平均溫度達上限26℃時的放熱量qdb，它隨房間內空氣溫度tn的變化而變化。許多國家所規定的冬季室內溫度標準，大致在16～23℃范圍內。根據國內有關衛生部門的研究結果認為：當人體衣著適宜，保暖量充分且處于安靜狀態時，室內溫度20℃比較舒適，18℃無冷感，15℃是產生明顯冷感的溫度界限。我國《采暖通風與空氣調節設計規范》規定，民用建筑的主要房間，宜采用16～20℃。隨經濟發展，人民生活水平提高，冬季室內溫度標準將提高上限溫度，例如嬰幼兒居室，可達23℃，目前國外如俄羅斯即如此（以前我國學習蘇聯經驗，冬季采暖期起止室外溫度為+5℃，后來蘇聯在上世紀60年代提高到+8℃，現在俄羅斯與美國相同，為+10℃）。相應地，室內基準溫度也從18℃提高到其它一些國家的20℃。

圖1：地面αd和αf與房間tn的關系

圖2：地面單位面積放熱量qdb與tn的關系

    熱地面表面放熱量為輻射放熱量與對流放熱量之和。圖1是使用文獻——俄羅斯科學院院士、莫斯科建筑大學B.H.博格斯洛夫斯基的《建筑熱物理》中公式計算所得不同室溫tn下的對流放熱系數αd和輻射放熱系數αf。計算時室內容許風速取0.2m/s，對于有代表性的住宅樓地面∶外墻∶窗的面積比取2∶2/3∶1/3。可見，隨tn增大，αf稍增大；而αd相反，隨溫差（tdb-tn）的減小而減小。而且，αd減小得快些，αf增大得慢些。

由圖2可見，在室內溫度tn=20～22℃范圍內，qdb值不超出40～60W/m2，而且隨tn增大qdb減小，但減速不快。

    再確定供暖系統的比熱負荷，即補償房間熱損失所需相對1平方米居室地面面積的耗熱量qh(W/平方米)。qh為外圍護結構（外墻與窗）耗熱量加冷風滲透耗熱量（或補償自然通風所需冷空氣加熱量），減去生活散熱量。后者取10W/平方米，居室通風換氣耗熱量取每平方米居室面積3立方米/h（總大于冷風滲透量，因此可不再計冷風滲透耗熱量）。計算中使用上述地板∶外墻∶窗面積比，居室面積在套房面積中占0.7。可列出相對于單位地面面積的熱平衡方程式，這時外圍護結構傳熱阻按采暖度日數[1]HDD20（heating degree day based on 20℃）取值。使用室外氣候概率統計模型，可得到：

(tn-twe)=0.683(HDD20)1/2       (1)

    式中，twe為冬季采暖外圍結構計算室外空氣溫度。tn取20℃不考慮其變化，當tn波動范圍為±2℃時誤差不超過3%～5%，明顯小于該計算中所取的其它假設值會引起的誤差 [2，3] 。住宅耗熱量qh與采暖度日數HDD20值關系曲線，見圖3。

圖3：住宅耗熱量qh與采暖度日數HDD20關系

    只要把供暖系統的比熱負荷，即單位面積耗熱量qh，與1平方米熱地板放熱量qdb進行比較，即可找出地暖系統適用的采暖度日數的范圍，在這樣的度日數情況下qh將小于qdb，因而熱地面放熱量完全有能力補償房間耗熱量。圖4表示采暖最大度日數與所取tn的高低關系曲線。可見，應用地暖系統，若tn取19℃，則采暖度日數最大值為15500。隨tn取值增大，地暖系統應用范圍迅速縮小。當取tn=22℃時最大采暖度日數只有3000。所以，嚴寒地區，即使是住宅樓的中間樓層的一些房間，由于對地面溫度的限制，熱地面不能完全補償房間計算熱損失。因此，選擇地暖系統要謹慎，特別是獨戶住宅小樓，因其外圍護結構面積與采暖面積之比，通常遠大于多套住戶的公寓樓。若采用地暖系統，要求特別地提高外圍護結構的保溫隔熱性能，或采取其它措施，例如增設散熱器放熱面或墻板、頂棚放熱面等等，以減少房間耗熱量、增大供暖系統放熱量，使之達到平衡,維持所需室溫tn。此外，單間居室的面積不能過小，尤其朝北小房間。

    圖4：采用地暖系統最大采暖度日數HDD與室溫tn關系

    3  地面放熱量的調節應采用質調節方式不同于散熱器溫控閥調流量

    地暖系統的主要特點是：與常規供暖系統比，供水溫度低（不超過45℃），且系統中供、回水溫降小（不大于15℃）。這樣，計算水流量，即循環水流量在用戶側比常規的大，而在熱源側熱媒流量小得多。

    為保證供給地暖系統所需的較低熱媒溫度tdbg（圖5直線3），通常靠來自熱源的房屋供熱系統的供水（流量Gr，溫度tr，即圖5直線1或2），與地面供暖回路的回水（流量Gdbh，溫度tdbh,即直線4）混合而實現的。以圖5為例，tw=-30℃時，tr=95℃，tdbg=45℃，tdbh=30℃，tn=20℃。通常，集中供熱系統或有自己熱源的自治式供熱系統的供水溫度，正是按圖5直線2這樣的tr=f(tw)質調節曲線調節的。但是，一些自治式供熱系統在某些時間段內，為滿足熱水供應的需要，溫度tr值會自動地提高到tr=tmax=95℃，例如當熱水供應系統的容積式水—水加熱器需強化加熱制備熱水時。此外，當自治式供熱系統有采暖、通風、熱水供應和游泳池池水加熱等不同用戶時，這一溫度可為恒定值tr=tmax=const(圖5直線1)。對圖6這樣的節點，在選擇循環泵、三通混合閥、手動調節閥（截止閥）以及確定從分水器—地板—集水器全部管道管徑時都應考慮上述情況。分析該節點工作狀況，首先需確定混合水量Ghh，為此可先按文獻[4]公式算出所需的混合系數u=Ghh/Gr=(tr-tdbg)/(tdbg-tdbh)。由圖5可見，當供熱系統采用質調節的運行調節方式時（直線2），所需混合系數u理論上是固定不變的（直線5）。但是，當供熱系統的供水溫度不變時tr=const（直線1）時，隨室外氣溫升高，則u值（曲線6）會由原來采暖設計室外計算溫度條件（例如tw=-30℃）的u=3.33迅速增大，到采暖期開始與結束時（tw=+5℃）u=15(若美國、俄羅斯tw=+10℃，u=20左右)。混合系數增大很多，這一變化情況將使三通混合閥和旁通管管徑選擇復雜，因采暖期里，流過三通閥的旁通管的流速會變化，最大為6倍，水力阻力相應地變化36倍。這時需變化循環泵揚程，以保證地暖系統固定的熱媒流量，實際上行不通。為使連接節點工況穩定，部分地分擔三通混合閥負擔，設置有手動調節閥（截止閥）的第二旁通管輔助。在系統調試過程中，把手動調節閥調到：第二旁通管中流量等于計算值Ghh，那么在供熱系統采用質調節方式時（tr=f(tw)），設置三通混合閥就無必要。但是，僅理論上如此，因實際上供熱系統在運用時有很大的熱惰性，設置三通混合閥是必不可少的，但在這種情況下它僅起精調作用，把tdbg調到所需溫度值tdbg=f(tw)。設置手動調節閥的開啟度必須由相當熟練的調整工來做。

    現在有一種令人不解的不可取的做法：把用于散熱器放熱系統形式所使用的溫控閥用于地暖系統，以此調節室溫。地暖系統中的水流量應力求保持恒定，因為通過溫控閥調水流量，從而調地板中水溫，會導致地面加熱嚴重的冷熱不均衡性，大大縮短受熱地板的壽命。因此，熱地面放熱量的調節必須采用質調節，即改變供水溫度，而不是改變供水流量，這與散熱器放熱系統不同，這一問題應引起足夠重視。

圖5：采暖期熱媒溫度和混合系數U變化情況

圖6：地暖用戶與室外管網連接圖

    4  結語

    對地面最高溫度進行限制，可提高供暖衛生、舒適質量，供回水溫度低也為低溫熱源和余熱、廢熱利用及冷凝式鍋爐的應用創造了條件。但其不利的一面是放熱量減少，嚴寒地區小面積居室，或位于有二、三面外圍護結構的房間，不能保證室溫要求。

    地暖系統不能使用量調節，應采用改變供水溫度的質調節，以免地面中溫度分布不均，影響地板壽命。可設兩根旁通管，分別用截止閥手動調節和三通混合閥精調。