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摘 要： 本文根據當前低溫熱水地板輻射供暖工程設計中出現的問題, 從保證工程設計質量出發, 對地板輻射供暖熱負荷計算、加熱管間距的確定、加熱管材質和壁厚的計算進行論述。建議設計時應注意的問題和應遵循的步驟。
[摘要] 本文根據當前低溫熱水地板輻射供暖工程設計中出現的問題, 從保證工程設計質量出發, 對地板輻射供暖熱負荷計算、加熱管間距的確定、加熱管材質和壁厚的計算進行論述。建議設計時應注意的問題和應遵循的步驟。
[關鍵詞] 地板輻射供暖設計；熱負荷計算；管道選擇。
Abstract: Combined with the problems existing in the engineerng design of low temperature hot water radiant floor heating, for ensuring the quality, the paper expounds the calculation of thermal load, the determination of heating pipe spacing, the calculation of the materials and wall thickness of heating pipe, as well as the precautions and steps to be followed in design.
Key words: radiant floor heating design; calculation of thermal load; pipeline selection
中圖分類號：TU831.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）
引言
低溫地板輻射采暖系統是一種節能并對房間微熱氣候進行相應調節的供暖系統,是一種世界公認的衛生條件和舒適度都十分理想的供暖方式，它以其舒適、衛生、高效節能、不占用使用面積、維護費用低、使用壽命長等優點受到人們普遍歡迎。在居住建筑和某些公共建筑中得到廣泛應用。尤以別墅、住宅應用更為普遍。但我們通過幾年的施工圖設計工作,發現設計中存在較為普遍的問題, 并談談對這些問題的思考。
1 熱負荷計算采暖系統熱負荷是采暖設計的基礎數據, 其決定了采暖設計的最終使用效果、系統運行的經濟費用及能源的利用
在設計中對熱負荷確定不準確的主要原因: 一是負荷確定時未考慮輻射采暖與對流采暖的區別, 直接將對流采暖負荷作為輻射采暖負荷進行計算；二是在計算采暖熱負荷時沒有考慮上層地板向下的傳熱量。所以導致采暖熱負荷偏大。我們認為，在計算采暖熱負荷時應全面考慮。
1.1 全面輻射采暖的熱負荷, 應按現行國家標準《采暖通風及空氣調節設計規范》GB50019 有關規定進行計算,地板采暖系統熱負荷與下列因素有關:
(1) 室內采暖計算溫度取值;
(2) 加熱盤管向下傳熱的影響;
(3) 戶間傳熱的影響;
(4) 地面遮蓋物的影響。
設計在確定室內采暖計算溫度時未考慮地板采暖的特殊性( 輻射強度和溫度雙重作用)，仍按對流采暖室內溫度( 如18℃) , 忽略加熱盤管向下傳熱的影響，強調間歇供熱和戶間傳熱的影響和地面遮蓋物的影響, 幾部分疊加, 使得地板采暖系統熱負荷比對流采暖系統熱負荷還要大。正確的確定方法應是: 室內采暖計算溫度取值可降低2℃。綜合考慮加熱盤管向下傳熱與地面遮蓋物的影響, 中華人民共和國行業標準地面輻射供暖技術規程規定在確定地面所需的散熱量時, 應扣除來自上層地板向下的傳熱損失,同時又規定地面散熱量應考慮家具及其他地面覆蓋物的影響。地面遮擋因素隨機性很大, 情況非常復雜, 一般情況下, 向下的傳熱量可以彌補部分地面或大部被遮蔽部分的散熱量, 故在設計計算時, 除頂層外, 地面遮蓋物的影響較小, 設計人員應靈活掌握。實施按熱計量收費, 戶間傳熱的影響因素加大,但筆者認為, 尤其對居住建筑, 考慮房間使用功能的一致性和供熱的穩定性, 在計算熱負荷附加時比例不宜過大。將計算出的熱負荷乘以0.9～0.95 修正系數或將室內計算溫度取值降低2℃均可。這是因為在相同條件下, 輻射采暖時壁面溫度比對流采暖時高, 減少了墻壁對人體的冷輻射, 而人對室內熱環境的感受常以實感溫度來衡量, 實感溫度比室內環境溫度高2℃～3℃, 因此在保持相同舒適感的情況下, 輻射采暖室內空氣溫度可比對流采暖時低2℃～~3℃或在負荷計算時取對流采暖熱負荷(不計算設有輻射供暖地板地面的傳熱量)的0.9～0.95。
1.2 扣除來自上層的得熱量, 確定所需輻射供暖地板的有效散熱量Q1。輻射供暖地板向下部的散熱量：
加熱管以下有絕熱層時: Q2 為0.1～0.2 Q1；加熱管以下無絕熱層時: Q2 為0.3～0.5 Q1。
除上述兩點外, 還應按《采暖通風及空氣調節設計規范》GB50019 有關規定進行逐項計算, 確定出準確的輻射供暖地板所需的有效散熱量。
2 供回水溫度的確定
為滿足人體舒適性要求, 對加熱地板的表面平均溫度需有一定的限值, 對居住建筑, 中華人民共和國國家標準采暖通風與空氣調節設計規范規定為24～26℃, 最高為28℃。地板的表面平均溫度可按下式計算:
?? ?? ?? ?? tpj = tn+ 9*() 0.909 (1)
由公式(1)可得到:
?? ?? ?? ?? ?? q= 100 ()1.1 (2)
式中：q -- 加熱管單位地面面積的散熱量,W/ m2；
Tpj -- 地表面平均溫度,℃ ；
tn -- 室內溫度,℃ 。
由上式可計算出不同地板表面平均溫度下的單位面積允許散熱量見表1。
?? 不同地板表面平均溫度下單位面積允許散熱量W/ m2??表1
室溫 ℃t pj ℃
242628
1687.8112.3137.2
1864.087.8112.3
2041.064.087.8
2219.141.064.0
從表1 可以看出, 理論上居住建筑所需單位面積的散熱量存在一定的范圍, 如室內溫度為18℃,其上限值為112.3w/ m2, 下限值為64.0w/ m2, 超出或低于上下限值, 會造成室內過熱或過冷。加熱盤管散熱量( q ) 與系統中的熱媒平均溫度、室內計算溫度tn 和加熱地板熱阻R 有關。
q= (3)
其中: R = ( A+ B ) / 2λ。
式中：R --加熱地板熱阻, m2·(K/W) ；
tp--熱媒的平均溫度, ℃；
λ--加熱管上部覆蓋材料的導熱系數, W/(m·K) ；
A --加熱管間距, m；
B--加熱管上部覆蓋材料的厚度, m。
為保證地板表面散熱的均勻性, 有關技術規程規定了加熱盤管間距A 不大于300mm。對同一工程只能有一組供回水溫度值( 熱媒平均溫度) , 通常由最不利房間計算確定( q 最大) 。由于標準房間熱負荷小, 在相同的供回水溫度下, 往往所需加熱盤管間距A 已大于300mm ( 盤管提供的熱量超過需求量) , 這時就應綜合考慮, 采取改變供回水溫度、減少布管面積或者減小最不利房間管道間距的辦法。當絕大部分房間滿足要求而最不利房間供熱量不足時, 可考慮采用其他散熱設備分擔一部分熱負荷的辦法。
3 加熱管間距確定
從公式(3)可知, 地板的散熱量是地板表面溫度和室內溫度的函數, 在樓板構造一定且已知供、回水溫度的條件下, 地板的表面溫度主要取決于加熱盤管的直徑與間距。加熱管的輻射管間距, 應根據地面散熱量、室內計算溫度、平均水溫及地面傳熱熱阻等通過計算確定。但在設計中計算的不多, 一般都是按參考資料提供的地板散熱量直接查取管間距, 甚至根據經驗確定管間距, 而忽略了其適用條件。如參考文獻[2]中給出了加熱管為交聯聚乙烯管或嵌段共聚聚丙烯管, 公稱外徑為20mm, 填充層厚度為50mm, 聚苯乙烯泡沫塑料絕熱層厚度20 mm, 供回水溫差為10℃時, 不同加熱管間距在不同平均水溫時的地板散熱量。事實上當地面層構造改變、供回水溫差改變、管間距的增減, 都將影響地板散熱量的大小。即所謂輻射條件對散熱量的影響。
3.1 地面層構造對散熱量的影響
以水泥或瓷磚類地面為1.0 (比較基礎)
塑料類地面0.79
木地板地面0.72
地毯0.62
3.2 管間距(以管外徑20 mm 的數值為例) 對散熱量的影響
以管間距300 mm 為1.0
間距200 mm 為1.22
間距150 mm 為1.34
間距100 mm 為1.46
所以, 在確定加熱管的輻射管間距時, 應進行計算或在查表時, 按工程實際情況將其結果進行修正。
4 管材選擇
按系統壓力選擇管材, 進行強度計算并確定壁厚《采暖通風及空氣調節設計規范》GB50019 中規定: 地板輻射采暖加熱管的材質和壁厚的選擇, 應根據工程的耐久年限、管材的性能、管材的累積使用時間以及系統運行水溫、工作壓力等條件確定。而且本條為強制性條文, 可見地熱采暖加熱管材質和壁厚對工程使用壽命的重要, 但在實際中, 設計者往往并沒有引起足夠的重視, 在施工圖設計文件中對加熱管壁厚不做交待, 任施工單位自然選擇,這直接影響了工程質量。在工程設計中應通過強度計算確定加熱管材質和壁厚或按參考文獻[1]中附錄B 選擇加熱管材質和壁厚。
4.1 加熱管材質和壁厚選擇方法舉例
4.1.1 根據工程使用性質、運行水溫及其周期, 選擇確定使用條件分級(參見表2)。
加熱管材的使用條件分級 表2
使用條件等級正常操作溫度最大操作溫度異常溫度典型應用范圍
℃時間(y)℃時間(y)℃時間(y)（舉例）
l604980l95100供60℃熱水
2704980l95100供60℃熱水
330 4020 25504.565100地板下的低溫地供熱
440 60 2020 25 2.5702.5100100地板下的供熱和低溫暖氣
560 80 20 25 10 14 901100100高溫暖氣
注：3級一般不被采用。
使用條件分級并不是硬性規定,是按特定地區氣候和典型使用條件計算所得的推薦性標準。選擇時應加以分析。例如: 對一般低溫熱水地板輻射供暖工程, 如按上述標準的4 級選用管材和確定管壁厚。即在共50 年的總使用周期中, 運行溫度20℃共歷時2.5 年,40℃共歷時20 年, 60℃共歷時25年, 70℃共歷時2.5 年, 100℃的意外運行條件不超過共100 小時,顯然是十分安全可靠的。
4.1.2 初選管材質, 根據使用條件分級, 確定該管材的許用設計環應力σD 參見表3。
管材的許用設計應力σp(MP) 表3
使用條件分級l2455A20℃/50年
PB管5. 185. 045. 464. 313. 3910. 92
PE-X管3. 853. 5443. 242. 947.6
PP-R管3. 092. 133.31.91. 456. 93
PVC-C4. 384.110
注:1.上表系按ISO13760 推薦的Miners 準則, 計算出的確保50 年使用壽命的管材許用設計應力, 其中20℃/50 年的許用設計應力, 安全系數取1.5, 只適合輸送冷介質時采用。(例如: 采用PP- R 管, 使用條件4 級, σD=3.3MPa)
許用設計環應力是對應于使用條件分級要求, 在該等級多種運行水溫的綜合作用下, 在要求的使用壽命年限內,避免發生不能滿足系統工作壓力的蠕變。由于使用條件分級不是硬性規定,因此宜按實際要求的使用壽命年限, 并根據使用情況,分析使用壽命年限內不同溫度的頻率, 合理確定許用設計環應力。實際使用壽命不需50 年或使用溫度較低, 可選用設計應力較小的管材。
4.1.3 計算SCALC.MAX 值, 選擇管材的S 值。
(1) 管材的環應力和承壓之間的關系, 可用下式表示:
σ/P=(D- e)/2e=S
上式中: e -- 管壁厚(mm) ；
P -- 管內壓力(MPa)；
D --管徑(mm)；
σ--許用環應力(MPa)。
從上式可見, S 值是管材環應力與承壓的比值, 同時, 它僅與管道尺寸有關, 不同管道尺寸的S 值不同。
(2) 計算SCALC.MAX 值
SCALC.MAX=σD/PD
上式中: σD --許用設計環應力(MPa)；PD --系統工作壓力(MPa)。
( 例如: 系統工作壓力PD =0.8(MPa), σD/PD=3.3/0.8=4.1)。
(3) 環應力σ應不大于許用設計環應力σD, 因此應根據S 不大于SCALC.MAX 的原則, 參見表3, 選擇所選管材系列S。例如: 應圓整選擇S3.2 系列,3.2 小于4.1。
PP- R 管的SCALC.MAX 值和最小壁厚選擇 表3
系統工作壓力PD(MPa)0.4 0.6 0.8 l
管材的SCALC.MAX 值 6.9 5.5 4.1 3.3
應選用的管材 S5 S5 S3.2 S3.2
管材應選的最小壁厚(mm)
管材公稱外徑mm161.81.82.22.2
201.91.92.82.8
25 2.32.3 3.5 3.5
注：適用于使用條件4 級(σD =3.3MPa)
PB 管的SCALC.MAX 值和最小壁厚選擇 表4
系統工作壓力PD(MPa)0.4 0.6 0.8 l
管材的SCALC.MAX 值 10.9 9.1 6.8 5.4
應選用的管材 Sl0 S8 S6.3 S5
管材應選的最小壁厚tnm)
管材公稱外徑mm161.31.31.31.5
201.31.31.51.9
251.31.51.92.3
注：適用于使用條件4 級(σD =5.46MPa)
4.1.4 在所選管材系列S 中, 按管材的公稱外徑,仍參見表3, 確定所需最小壁厚。例如: 在S3.2 系列內, DN16 壁厚應為2.2mm,DN20 壁厚應為2.8mm。
4.1.5 按壁厚檢驗初選管材是否合理。例如: DN20壁厚應已達2.8mm, 不易彎曲, 宜選用其他材質。
4.1.6 改選用其他材質并驗算。例如: 改用PB 管,σD =5.46 MPa, σD/ PD=5.46/ 0.8=6.85, 應圓整選擇S6.3 系列, 參見表4 確定所需最小壁厚, DN16 壁厚為1.3 mm, DN20 壁厚應為1.5mm。
4.1.7 考慮管材生產和施工過程可能產生的缺陷,管材的壁厚地板輻射供暖不宜小于1.7 mm, 散熱器供暖不宜小于2.0 mm, 因此壁厚應為2.0 mm。
5 結束語
低溫地板輻射采暖系統設計應認真計算, 不應簡單查表或按經驗套用, 否則一方面將直接影響工程設計質量, 另一方面將造成室內不舒適及能源的浪費。
參考文獻：
[1]采暖通風及空氣調節設計規范,GB50019.
[2]地面輻射供暖技術規程, 中華人民共和國行業標準JGJ142-2004/J365- 2004.
[3]低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程,北京市標準DBJ/T01- 49- 2000.
