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上一层 略谈地暖设计 地暖相关计算 地暖节点细布 行业标准汇总 设计典型问题 确定盘管间距 混接水力计算 地暖设计问题 三点注意事项 几点参考意见 散热量计算 常见问题探析 地暖系统设计 地暖系统示意 地暖结构

上一层 略谈地暖设计 地暖相关计算 地暖节点细布 行业标准汇总 设计典型问题 确定盘管间距 混接水力计算 地暖设计问题 三点注意事项 几点参考意见 散热量计算 常见问题探析 地暖系统设计 地暖系统示意 地暖结构

 

地面供暖系统设计的三点注意事项

 

    摘 要:指出地面供暖系统设计时要对地表面温度、供回水温度有所限制;分析了严寒地区有的房间地面放热量可能小于外围护结构计算耗热量,不能保证室温18℃要求;最后探讨了质调节方法。
   
关键词:地面供暖  地表面温度  耗热量  质调节
    1 
地面供暖系统设计时要限制地面温度和供回水温度
   
地板的板面平均温度按卫生要求,最好不高于26℃(对游泳池池边通道,可容许达31℃,管上方地面可容许35℃),这样的限制也是为了避免木地板和混凝土开裂。相应的住宅地暖系统的供水温度限制在4045℃,回水温度限制在30℃及以下。正是由于这种最高容许温度的限制,使严寒地区的住宅在采用地暖系统时,可能有的房间因地面面积相对于外围护结构面积的比例较小,地面放热量不能补偿计算耗热量,会使室温达不到所需的18℃的下限温度,本文着重讨论这一问题。
    2 
地面放热补偿房间耗热量的能力分析
   
为增强说服力,取按节能标准建造的保温隔热性能好的新建住宅楼为例,且对处于中间楼层的房间进行分析。因为从地板放热补偿房间热损失目的看,这种房间失热围护结构面积与放热地面面积之比最小,最有利。显然,如果这样的房间不能满足采暖要求,其它房间更不能满足。
   
首先,确定单位面积热地面在表面平均温度达上限26℃时的放热量qdb,它随房间内空气温度tn的变化而变化。许多国家所规定的冬季室内温度标准,大致在1623℃范围内。根据国内有关卫生部门的研究结果认为:当人体衣着适宜,保暖量充分且处于安静状态时,室内温度20℃比较舒适,18℃无冷感,15℃是产生明显冷感的温度界限。我国《采暖通风与空气调节设计规范》规定,民用建筑的主要房间,宜采用1620℃。随经济发展,人民生活水平提高,冬季室内温度标准将提高上限温度,例如婴幼儿居室,可达23℃,目前国外如俄罗斯即如此(以前我国学习苏联经验,冬季采暖期起止室外温度为+5℃,后来苏联在上世纪60年代提高到+8℃,现在俄罗斯与美国相同,为+10℃)。相应地,室内基准温度也从18℃提高到其它一些国家的20℃。

1:地面αd和αf与房间tn的关系

2:地面单位面积放热量qdbtn的关系


   
热地面表面放热量为辐射放热量与对流放热量之和。图1是使用文献——俄罗斯科学院院士、莫斯科建筑大学B.H.博格斯洛夫斯基的《建筑热物理》中公式计算所得不同室温tn下的对流放热系数αd和辐射放热系数αf。计算时室内容许风速取0.2m/s,对于有代表性的住宅楼地面∶外墙∶窗的面积比取22/31/3。可见,随tn增大,αf稍增大;而αd相反,随温差(tdb-tn)的减小而减小。而且,αd减小得快些,αf增大得慢些。
由图2可见,在室内温度tn=2022℃范围内,qdb值不超出4060W/m2,而且随tn增大qdb减小,但减速不快。
   
再确定供暖系统的比热负荷,即补偿房间热损失所需相对1平方米居室地面面积的耗热量qh(W/平方米)qh为外围护结构(外墙与窗)耗热量加冷风渗透耗热量(或补偿自然通风所需冷空气加热量),减去生活散热量。后者取10W/平方米,居室通风换气耗热量取每平方米居室面积3立方米/h(总大于冷风渗透量,因此可不再计冷风渗透耗热量)。计算中使用上述地板∶外墙∶窗面积比,居室面积在套房面积中占0.7。可列出相对于单位地面面积的热平衡方程式,这时外围护结构传热阻按采暖度日数[1]HDD20heating degree day based on 20℃)取值。使用室外气候概率统计模型,可得到:
(tn-twe)=0.683(HDD20)1/2       (1)
   
式中,twe为冬季采暖外围结构计算室外空气温度。tn20℃不考虑其变化,当tn波动范围为±2℃时误差不超过3%5%,明显小于该计算中所取的其它假设值会引起的误差 [23] 。住宅耗热量qh与采暖度日数HDD20值关系曲线,见图3

3:住宅耗热量qh与采暖度日数HDD20关系


   
只要把供暖系统的比热负荷,即单位面积耗热量qh,与1平方米热地板放热量qdb进行比较,即可找出地暖系统适用的采暖度日数的范围,在这样的度日数情况下qh将小于qdb,因而热地面放热量完全有能力补偿房间耗热量。图4表示采暖最大度日数与所取tn的高低关系曲线。可见,应用地暖系统,若tn19℃,则采暖度日数最大值为15500。随tn取值增大,地暖系统应用范围迅速缩小。当取tn=22℃时最大采暖度日数只有3000。所以,严寒地区,即使是住宅楼的中间楼层的一些房间,由于对地面温度的限制,热地面不能完全补偿房间计算热损失。因此,选择地暖系统要谨慎,特别是独户住宅小楼,因其外围护结构面积与采暖面积之比,通常远大于多套住户的公寓楼。若采用地暖系统,要求特别地提高外围护结构的保温隔热性能,或采取其它措施,例如增设散热器放热面或墙板、顶棚放热面等等,以减少房间耗热量、增大供暖系统放热量,使之达到平衡,维持所需室温tn。此外,单间居室的面积不能过小,尤其朝北小房间。

    4:采用地暖系统最大采暖度日数HDD与室温tn关系
    3 
地面放热量的调节应采用质调节方式不同于散热器温控阀调流量
   
地暖系统的主要特点是:与常规供暖系统比,供水温度低(不超过45℃),且系统中供、回水温降小(不大于15℃)。这样,计算水流量,即循环水流量在用户侧比常规的大,而在热源侧热媒流量小得多。
   
为保证供给地暖系统所需的较低热媒温度tdbg(图5直线3),通常靠来自热源的房屋供热系统的供水(流量Gr,温度tr,即图5直线12),与地面供暖回路的回水(流量Gdbh,温度tdbh,即直线4)混合而实现的。以图5为例,tw=-30℃时,tr=95℃,tdbg=45℃,tdbh=30℃,tn=20℃。通常,集中供热系统或有自己热源的自治式供热系统的供水温度,正是按图5直线2这样的tr=f(tw)质调节曲线调节的。但是,一些自治式供热系统在某些时间段内,为满足热水供应的需要,温度tr值会自动地提高到tr=tmax=95℃,例如当热水供应系统的容积式水—水加热器需强化加热制备热水时。此外,当自治式供热系统有采暖、通风、热水供应和游泳池池水加热等不同用户时,这一温度可为恒定值tr=tmax=const(5直线1)。对图6这样的节点,在选择循环泵、三通混合阀、手动调节阀(截止阀)以及确定从分水器—地板—集水器全部管道管径时都应考虑上述情况。分析该节点工作状况,首先需确定混合水量Ghh,为此可先按文献[4]公式算出所需的混合系数u=Ghh/Gr=(tr-tdbg)/(tdbg-tdbh)。由图5可见,当供热系统采用质调节的运行调节方式时(直线2),所需混合系数u理论上是固定不变的(直线5)。但是,当供热系统的供水温度不变时tr=const(直线1)时,随室外气温升高,则u值(曲线6)会由原来采暖设计室外计算温度条件(例如tw=-30℃)的u=3.33迅速增大,到采暖期开始与结束时(tw=+5℃)u=15(若美国、俄罗斯tw=+10℃,u=20左右)。混合系数增大很多,这一变化情况将使三通混合阀和旁通管管径选择复杂,因采暖期里,流过三通阀的旁通管的流速会变化,最大为6倍,水力阻力相应地变化36倍。这时需变化循环泵扬程,以保证地暖系统固定的热媒流量,实际上行不通。为使连接节点工况稳定,部分地分担三通混合阀负担,设置有手动调节阀(截止阀)的第二旁通管辅助。在系统调试过程中,把手动调节阀调到:第二旁通管中流量等于计算值Ghh,那么在供热系统采用质调节方式时(tr=f(tw)),设置三通混合阀就无必要。但是,仅理论上如此,因实际上供热系统在运用时有很大的热惰性,设置三通混合阀是必不可少的,但在这种情况下它仅起精调作用,把tdbg调到所需温度值tdbg=f(tw)。设置手动调节阀的开启度必须由相当熟练的调整工来做。
   
现在有一种令人不解的不可取的做法:把用于散热器放热系统形式所使用的温控阀用于地暖系统,以此调节室温。地暖系统中的水流量应力求保持恒定,因为通过温控阀调水流量,从而调地板中水温,会导致地面加热严重的冷热不均衡性,大大缩短受热地板的寿命。因此,热地面放热量的调节必须采用质调节,即改变供水温度,而不是改变供水流量,这与散热器放热系统不同,这一问题应引起足够重视。

5:采暖期热媒温度和混合系数U变化情况


6:地暖用户与室外管网连接图


    4 
结语
   
对地面最高温度进行限制,可提高供暖卫生、舒适质量,供回水温度低也为低温热源和余热、废热利用及冷凝式锅炉的应用创造了条件。但其不利的一面是放热量减少,严寒地区小面积居室,或位于有二、三面外围护结构的房间,不能保证室温要求。
   
地暖系统不能使用量调节,应采用改变供水温度的质调节,以免地面中温度分布不均,影响地板寿命。可设两根旁通管,分别用截止阀手动调节和三通混合阀精调。
   
参考文献
    [1] JGJ 134-2001
J116-2001夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准
    [2]
Самарин О.Д.Овероятностно‐статистическом моделировании
взаимосвязи расчётных параметров наружного климата..М.
НИИСФ,2001.
    [3]
Махов Л.М., Самарин О.Д. Системы напольного отопления ..
 ABOK,2003(5).
    [4]
贺平,孙刚. 供热工程. 北京:中国建筑工业出版社,1994.     

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