热水地面辐射供暖系统设计中的几个问题

摘要：本文介绍了目前常用的两种地面辐射供暖系统的设计计算方法，并对其计算结果进行了比较。通过对算例的实际计算，对地面辐射供暖系统户内系统的阻力损失及其构成特点进行了定量分析。

关键词：地面辐射 供暖系统 计算方法 阻力损失

1 概述

热水地面辐射供暖系统由于具有舒适、卫生、节能、不影响室内观感和不占用室内面积与空间等显著的优点，在三北地区的住宅和公共建筑中，得到了越来越广泛地应用，但在设计方法上还存在很多不完善的地方。如何合理设计，更好的发挥该系统的优势，是设计人员所关心的问题。本文根据设计实践经验，对设计过程中普遍关心的几个关键问题进行了分析与探讨。

2 关于设计计算方法

地面辐射供暖系统的设计计算方法，即指如何根据地面所需散热量、热媒温度及地面结构以及加热管类型，确定加热管的敷设间距。

目前国内的计算方法，究其出处主要有以下两种来源：（1）算法一：欧洲算法，目前国内已有的地面辐射供暖技术规程中的数据均来自此算法。（2）算法二：ASHREA手册提供的计算方法。

2.1　算法一：欧洲算法

该算法是建立在欧洲标准EN1264：《地面供暖系统与部件》（Floor heating systems and components）基础上的，德国、英国等欧洲国家均采用此算法。该算法简述如下：

2.1.1　假设条件：

（1）单位地面散热量满足下列关系：q=8.92(θ_pj-θ_i)^1.1

（2）当地面无覆盖层（覆盖层热阻R_λ,B=0）时，通过地板向下传热的损失假定为10%。

2.1.2　单位地面面积散热量q采用下式计算：

=

其中：对数平均温差△θ_H。

θ_v----供水温度 ℃

θ_R----回水温度 ℃

θ_i--- 室内空气温度 ℃

：填充层修正系数；：管间距修正系数；

：覆盖层修正系数； ：管外径修正系数；

=1-T/0.075 (0.05m≤T≤0.375m) T：管间距 m

=100(0.045-s_u) (s_u≥0.015m) S_u：加热管上部覆盖层厚度 m

=250(D-0.020) (0.010m≤D≤0.030m) D：加热管外径 m

当管间距T>0.375m时，q可近似按下式修正：

q=q_0.375*0.375/T

上述修正系数可根据地面的实际结构（面层材料、加热管规格及间距、填充层厚度等）由相应表格中查得。

2.2　算法二：ASHREA手册算法

不同于欧洲算法，该算法是建立在基本传热公式基础上的。2000年ASHRAE手册中给出了加热管外表面平均温度以及管内平均水温的公式，可用于地面辐射供暖的设计计算。地面辐射供暖系统热水平均温度可按以下公式计算：

式中：q—单位平板面积的散热量，W/m²

q_b—平板背面传热损失（四周的热损失忽略不计），W/m²

M—管间距，m

r_t—管壁热阻， m.k/W

（如果是电缆，r_t=0；若是金属管，r_t≈1/h.D_i）

t_d—加热管表面平均温度，℃

式中：

t_a—室内空气温度，℃

t_p—地面的表面平均温度，℃

2W—管间净距，M- D_o，m

η—肋片效率，该值与地板结构及相应热阻有关，可通过计算获得。

D_o—管外径，m

r_p—平板热阻，

r_s—管与板的接触热阻，m.k/W，对于埋地管道r_s=0

r_c—地板面层热阻，m².k/W

从上述公式中的各影响参数可见，该方法既适用于地面供暖同时也适用于各种形式的平板供冷与供热（包括发热电缆）。设计者可对任意形式的辐射供冷（供热）系统进行设计计算，对平板背面传热损失无任何限制，可根据绝热层实际导热系数及厚度经计算确定。

2.3　两种算法计算结果的比较

2.3.1　算例及其计算结果

算例：De20×2（外径x壁厚）的PE-X管，30mm厚聚苯乙烯泡沫塑料保温层（其热阻值满足欧洲算法的假设条件（2）之要求），填充层厚度60 mm ，设计室温18℃，加热管间距250mm，计算单位地面面积散热量及向下传热损失。

（1）热媒平均温度为45℃时，单位地面面积散热量及向下传热损失如表2.3.1－1：

表2.3.1－1

（2）地面层热阻为0.02（m².K/W）时，单位地面面积散热量及向下传热损失如表2.3.1－2：

表2.3.1－2

2.3.2　计算结果分析

（1） 由表2.3.1－1、表2.3.1－2可见，算法一计算结果均小于算法二，前者平均为后者的80％。说明两种算法，由于其计算方法不同，其计算结果相差较大。同样条件下，算法一计算结果小，说明算法一安全系数比较大。

（2） 由表2.3.1－1、表2.3.1－2可见，在30mm厚聚苯乙烯泡沫塑料保温层的条件下，向下传热损失已接近地面散热量的20％，且其值随着面层热阻的增加、水温的降低而增加。说明地面辐射供暖系统设计计算时，向下传热损失量是不可忽视的，应加以考虑。

2.4　综合分析，

2.4.1　与算法一相比，算法二通用性好，适用于任何形式的平板辐射供暖（供冷）系统的计算，对所计算系统无假设条件限制，而且可同时计算向下传热损失。就计算方法本身而言，算法二是目前相对比较完善的方法。

2.4.2　鉴于国内地面辐射供暖系统的实际应用普遍存在过热现象分析，一方面是由于系统缺乏控制，同时设计富裕量过大也是导致过热现象的主要原因。算法二的计算结果应更符合实际。

3 关于户内系统阻力损失

通常地面辐射供暖系统的阻力损失要大于散热器采暖系统，究竟大多少？局部阻力与沿程阻力的比例如何？这是设计人员普遍关心的问题。下面将通过实际计算，分析地面辐射供暖系统的阻力损失。

3.1　算例：房间地面面积30 m²，假定单位热负荷为70W/m²、供回水温差10℃，则该房间热负荷为2100W，热媒流量为180.6kg/h。以De20×2的PE-X管为例，假定加热管间距200mm。

（1） 沿程阻力损失⊿P_l

假定房间可敷设加热管的地面面积22 m²，若不考虑弯头部分的差别，管长可按下式计算：

L=A/T

L-----加热管管长 m

A-----敷设加热管的地面面积 m²

T------加热管间距 mm

经计算，加热管长度为110米，假设分、集水器到房间的加热管长度（供回）为10 米，则加热管总长度为120米。由塑料管水力计算表可查得，此时热媒流速υ为0.25m/s、沿程比摩阻为85.86（Pa/m），则沿程阻力⊿P_l为46.7x120=10303（Pa）。

（2） 局部阻力损失⊿P_j

按上述条件，加热管布置形式可如图3.1所示。

图3.1

由 图3.1可计算.房间内有90⁰弯头38个。

表3.1 局部阻力系数汇总表

注①引自俄罗斯1999年出版的设计与施工规范《采用交联铝塑复合管供暖系统的设计与安装》

局部阻力可按下式计算：

⊿P_j=∑ξ.ρυ²/2 Pa

式中∑ξ―――局部阻力系数之和 ∑ξ＝30.7

ρ—――水的密度（㎏／m³）；ρ＝1000

υ—――水的流速（m/s）；υ＝0.25

局部阻力⊿P_j＝959 Pa

（3） 户内系统总阻力损失⊿P

⊿P=⊿P_l+⊿P_j=11262 Pa

局部阻力⊿P_j占系统总阻力损失⊿P的8.5％。

若考虑恒温阀（一般压降为10－20kPa）、热量表（一般压降为10－15kPa），则系统总阻力损失可达到30－50 kPa。

4 结束语

（1） 地面辐射供暖系统因舒适性的要求，供水温度及供回水温差均小于散热器采暖系统，同等供热条件下，其系统流量为散热器系统的2－3倍。因此，选用更符合实际的设计计算方法，从设计上避免系统过热想象，对降低地面辐射供暖系统的综合费用，减少其初投资是非常必要的。

（2） 地面辐射供暖系统户内系统总阻力损失应在10kPa左右。若考虑恒温阀.、热量表.，则系统总阻力损失可达到30－50 kPa。本文计算工况偏于不利工况，对面积较小或热负荷较小的房间，其对应环路的阻力损失相应也小，适当增加户内系统总阻力损失，利于变流量系统的调节与稳定。

（3） 仅就加热管的阻力损失而言，其局部阻力占户内系统总阻力损失的比例不超过10％。

参考文献：

（1） ASHRAE Handbook 2000 HVAC Systems and Equipment中第六章 Panel heating and cooling

（2） BS EN1264 Floor heating—systems and components

（3） 俄罗斯1999年出版的设计与施工规范《采用交联铝塑复合管供暖系统的设计与安装》