陳金華 黃敏 姜冬 高崇

1 重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室

2 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心

0 引言

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡绞皆谏鲜兰o(jì)二三十年代就已經(jīng)在國外開始得到應(yīng)用，國內(nèi)在近一二十年也開始了其應(yīng)用研究。從系統(tǒng)舒適度和節(jié)能性來說，低溫?zé)崴匕遢椛涔┡到y(tǒng)具有一定的優(yōu)勢[1-2]，但同時也存在響應(yīng)慢，反應(yīng)時間長等問題。毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)作為一種新型低溫?zé)崴椛涔┡问剑哂惺孢m度高、安靜、衛(wèi)生安全、節(jié)能、蓄熱能力較強、節(jié)省建筑空間、布置靈活、可利用低品位能源等諸多優(yōu)勢，特別是在節(jié)能方面有顯著優(yōu)勢[3]。

國內(nèi)外對毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)舒適性及節(jié)能性研究較多[4-8]，但對其響應(yīng)時間研究較少，且現(xiàn)有的文獻研究均是通過模擬與理論計算兩種輻射系統(tǒng)的響應(yīng)時間，并沒有通過實驗從室內(nèi)溫度和輻射表面溫度兩方面對兩種供暖末端溫升情況進行直接對比分析。本文對30 ℃，35 ℃，40 ℃三種不同供水溫度，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種不同流量下常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射系統(tǒng)開展實驗研究，著重從輻射表面溫度的變化情況和室內(nèi)空氣溫度的變化情況進行對比分析，為分析輻射供暖間歇運行及應(yīng)用提供一定的參考價值。

1 實驗

1.1 實驗房間介紹

本實驗在重慶大學(xué)輻射供暖實驗臺進行。實驗對象如圖1 所示兩間相同房間，房間1 和房間2。每個房間面積為21 m2，房間尺寸為6000 mm×3500 mm×2700 mm（長×寬×高），門尺寸800 mm×2100 mm（寬×高），外窗尺寸2700 mm×2000 mm（寬×高）。窗戶為鋁合金單層窗，玻璃厚度為6 mm，內(nèi)敷設(shè)藍(lán)色厚窗簾。建筑外墻為240 mm 的實心磚墻（未做保溫），內(nèi)墻為200 mm 厚的實心磚墻。

圖1 實驗房間平面圖

1.2 實驗系統(tǒng)

1.2.1 冷熱源

實驗系統(tǒng)冷熱源采用空氣源熱泵機組作為熱源，通過中間換熱水箱調(diào)節(jié)供水溫度，供給輻射末端。原理圖如圖2 所示。

圖2 冷熱源原理圖

1.2.2 實驗?zāi)┒?/p>

房間1 地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，輻射面積為10.5 m2。房間2 地面敷設(shè)常規(guī)地盤管，輻射面積為21 m2，裝飾層均為木地板。以水為傳熱介質(zhì)，毛細(xì)管網(wǎng)內(nèi)液體流動速度在0.05～0.2 m/s 之間，常規(guī)地暖根據(jù)規(guī)程[9]加熱供冷管和輸配管流速不宜小于0.25 m/s。根據(jù)工程常用管材，毛細(xì)管網(wǎng)采用PP-R 管為原料，外徑為5.0 mm（壁厚0.9mm），規(guī)格為1000×3000 mm，間距為20 mm。常規(guī)地暖采用PEXa 耐熱聚乙烯管，盤管管徑為φ20，壁厚為2.0 mm，間距為300 mm。地面毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)和常規(guī)地暖的敷設(shè)結(jié)構(gòu)如圖3～4 所示。

圖3 地面毛細(xì)管網(wǎng)構(gòu)造示意圖

圖4 常規(guī)地暖構(gòu)造示意圖

1.3 實驗內(nèi)容

1.3.1 實驗方案

實驗時間為2017 年12 月23 號至2018 年1 月1號，早上9:00-下午17:00 進行兩個房間的測試，實驗期間室外天氣相似，室外溫度從9 ℃到12 ℃左右。根據(jù)文獻[4]，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)供暖時，供水溫度宜30～40 ℃，供回水溫差宜采用3～6 ℃。因此本實驗測試在30 ℃，35 ℃，40 ℃三種不同供水溫度下，0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種不同流量下地面毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)和常規(guī)地暖系統(tǒng)下測試室內(nèi)外溫度與圍護結(jié)構(gòu)地面溫度等參數(shù)，分析空氣溫度和輻射供暖表面的溫度變化情況以及達(dá)到穩(wěn)定所需的時間。實驗期間，實驗房間相鄰房間均為供暖房間，實驗人員1人。測點按照文獻[10]相關(guān)規(guī)定布置，具體見圖5。測試時間間隔均為10 min 一次，實時監(jiān)測。

圖5 地面表面溫度測點布置圖

1）地面分別布置a、b、c、d、e 5 個溫度測點。輻射表面溫度取值為6 個溫度測點的平均值。

2）空間測點在a、b、c、d、e 5 個溫度測點位置，距地0.1 m（腳踝），0.6 m（膝蓋），1.1 m（坐姿頭頂），1.7 m（站姿頭頂），2.5 m（房間上部）處布置溫度測點，故空間共布有25 個溫度測點。室內(nèi)空氣溫度取值為25 個空間測點溫度的平均值。

1.3.2 測試儀器

主要儀器設(shè)備如表1 所示：

表1 實驗測試儀器

2 實驗數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 常規(guī)地暖系統(tǒng)響應(yīng)時間分析

2.1.1 流量對響應(yīng)時間的影響

響應(yīng)時間定義為系統(tǒng)由開始到達(dá)到室內(nèi)設(shè)計溫度時所需要的時間。

當(dāng)供水溫度40 ℃的時候，輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的溫升情況，如圖6 所示。

圖6 不同流量下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

由圖6 可知，供水溫度為40 ℃時：流量為0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h輻射表面溫度分別在6.2 h，6.5 h，8.3 h 后達(dá)到21 ℃，室內(nèi)空氣溫度分別在5 h，6.2 h 后達(dá)到16 ℃，0.5 m3/h 流量下8.3 h 后僅達(dá)到15.8 ℃。

室內(nèi)溫度達(dá)到房間設(shè)定溫度的響應(yīng)時間和輻射表面溫度的響應(yīng)時間均隨著流量的加大而減小，流量越大，變化趨勢越平緩。熱水在管內(nèi)流動時，流體與壁面進行換熱，引起壁面法線方向上溫度分布變化，形成溫度梯度，近壁處流體溫度變化顯著區(qū)域為熱邊界層。流體的流速增大，流動邊界層的厚度減小，熱邊界層厚度減小，從而減小流體與管壁熱阻，增強換熱。但流量增大對輻射表面的響應(yīng)時間影響較小，是因為地板回填層較厚，管壁與地板傳熱過程較慢。

2.1.2 供水溫度對響應(yīng)時間的影響

當(dāng)流量為0.83 m3/h，輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的溫升情況，如圖7 所示。

圖7 不同供水溫度下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

由圖7 可知流量為0.83 m3/h 時：40 ℃，35 ℃，30 ℃三種供水溫度下，6.6 h 后輻射表面溫度分別為21.6 ℃，20.1 ℃，17.5 ℃，均不滿足要求，室內(nèi)空氣溫度分別為16.7 ℃，16.0 ℃，14.5 ℃。流量一定時，供水溫度對常規(guī)地暖系統(tǒng)的響應(yīng)時間影響較大，同時對輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的極值有較大的影響。當(dāng)供水溫度為30 ℃時，室內(nèi)溫度未達(dá)到規(guī)程[9]≥16 ℃的要求。

由于流量保持不變，當(dāng)供水溫度升高后，系統(tǒng)回水溫度也會相應(yīng)升高，使得系統(tǒng)的供回水平均溫度上升，系統(tǒng)的供熱量隨之增加，從而使室內(nèi)溫升速率增加，同時與輻射板的換熱也增強，對輻射表面溫度的影響較大。

2.2 毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)時間分析

2.2.1 流量對響應(yīng)時間的影響

由圖8 可知，供水溫度為40 ℃時：0.83 m3/h，0.7 m3/h，0.5 m3/h 三種流量下，輻射表面溫度均在3.50 h、2.83 h、3.16 h 達(dá)到25.0 ℃，極值為27.3 ℃。室內(nèi)空氣溫度分別在3.3 h，3.0 h，3.75 h 后達(dá)到16.0 ℃，值分別為18.3 ℃，18.2 ℃，17.5 ℃。由于地板回填層較厚，管壁與地板換熱過程中較慢，流量增大，輻射表面溫度的響應(yīng)時間減少，但是變化緩慢。

圖8 不同流量下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

2.2.2 供水溫度對響應(yīng)時間的影響

由圖9 可知，流量0.83 m3/h 時：40 ℃，35 ℃，30 ℃三種供水溫度下，地板表面溫度分別在3.2 h、5.67 h 達(dá)到25 ℃，30 未達(dá)到25 ℃，極值分別為27 ℃，25 ℃，21.8 ℃，室內(nèi)空氣溫度分別在3.5 h，4.0 h，4.5 h 后達(dá)到16.0 ℃，極值分別為18.3 ℃，17.5 ℃，16.3 ℃。

圖9 不同供水溫度下地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

流量一定的時候，供水溫度對毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的輻射表面溫度和房間室內(nèi)溫度的響應(yīng)時間均有影響，同時對輻射表面溫度和室內(nèi)溫度的極值有較大的影響。這是因為供水溫度提高，根據(jù)傳熱學(xué)公式Q=cm△t，系統(tǒng)散熱量增加，系統(tǒng)向房間傳熱增加，相同室外條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定后溫度極值更高。

2.3 不同供暖末端的響應(yīng)時間、溫升情況對比

通過之前分別對常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的分析，供水溫度較低的時候，常規(guī)地暖系統(tǒng)的室內(nèi)溫度未達(dá)到要求且輻射表面溫度較低。故現(xiàn)取40 ℃的供水溫度，流量均為0.83 m3/h 下的相同條件下，對常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)進行對比分析。

2.3.1 響應(yīng)時間

由圖10 可知，根據(jù)規(guī)范[9]，輻射表面溫度設(shè)計溫度取25 ℃。毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)極值為27.6 ℃，從輻射表面溫度角度分析，響應(yīng)時間為3.2 h，常規(guī)供暖系統(tǒng)極值為21.6 ℃，未達(dá)到規(guī)范要求。

圖10 不同供暖末端的地板表面和室內(nèi)空氣溫度變化

根據(jù)規(guī)范[9]，室內(nèi)空氣設(shè)計溫度取16 ℃。從室內(nèi)溫度角度分析，常規(guī)地暖系統(tǒng)的響應(yīng)時間為5.3 h，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)為3.2 h。毛細(xì)管網(wǎng)相比常規(guī)地暖熱響應(yīng)時間偏短40%。毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度極值為18.3 ℃，而常規(guī)地暖系統(tǒng)極值為16.6 ℃。

毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)相比常規(guī)地暖系統(tǒng)具有熱響應(yīng)時間短，地面溫度及房間溫度上升快等特點，且輻射表面溫度及室內(nèi)溫度均能較好的滿足規(guī)程要求。毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)在室內(nèi)溫度和輻射表面溫度均滿足規(guī)范要求，但響應(yīng)時間較長，主要原因是由于毛細(xì)管表面敷設(shè)較厚的回填層導(dǎo)致的。

2.3.2 溫升情況

單位時間溫升定義為初始值達(dá)到設(shè)定值的差值與時間之比。

1）供水溫度為40 ℃，不同流量的溫升

由圖11～12 可知，從地板表面溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時間溫升4 ℃/h，從室內(nèi)空氣溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時間溫升2.2 ℃/h。

圖11 不同供暖末端在不同流量下地板表面單位時間溫度變化（℃/h）

圖12 不同供暖末端在不同流量下室內(nèi)空氣單位時間溫度變化（℃/h）

在一定供水溫度，變流量情況下，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)時間溫升效果優(yōu)于常規(guī)地暖系統(tǒng)且可達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度。不同流量對毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時間溫升有較大影響，對常規(guī)地暖系統(tǒng)影響較小。這是因為常規(guī)地暖系統(tǒng)的管間距較大，改變流量對其系統(tǒng)的換熱影響較小，但毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)的管間距較小，所以換熱能力較強，相比之下改變流量對其影響較大。

圖13 不同供暖末端在不同供水溫度下地板表面單位時間溫度變化（℃/h）

圖14 不同供暖末端在不同供水溫度下室內(nèi)空氣單位時間溫度變化（℃/h）

2）流量為0.7m3/h，不同溫度的溫升

由圖13～14 可知，從地板表面溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位的時間溫升3.3 ℃/h，從室內(nèi)空氣溫度角度分析，毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位的時間溫升為1.35 ℃/h。

在一定流量、變供水溫度的情況下，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)可達(dá)到室內(nèi)設(shè)定溫度，且單位時間溫升效果優(yōu)于常規(guī)地暖系統(tǒng)。當(dāng)供水溫度低于35 ℃時，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)和常規(guī)地暖系統(tǒng)溫度上升較慢。

不同供水溫度對毛細(xì)管網(wǎng)輻射系統(tǒng)單位時間輻射表面溫升有較大影響，室內(nèi)空氣單位溫升影響較小，但是常規(guī)地暖系統(tǒng)影響較小。這是因為相同房間面積，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)由于管間距較小，管網(wǎng)面積大，因此換熱能力更強，地板表面溫度上升更快。但是室內(nèi)溫度上升受室外溫度影響，當(dāng)室外溫度較低時，相同條件下室內(nèi)空氣溫度上升較慢。

3 結(jié)論

本文通過對常規(guī)地暖系統(tǒng)和毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)兩種不同末端的低溫地板輻射供暖系統(tǒng)進行研究，在不同供水溫度，不同流量下進行實驗，通過對其響應(yīng)時間的對比分析，得出以下結(jié)論：

1）相同條件下，從輻射表面溫度的角度，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)的溫度極值為27.6 ℃，常規(guī)地暖系統(tǒng)未達(dá)到設(shè)定溫度,溫度極值為21.6 ℃。從室內(nèi)空氣溫度的角度，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)溫度極值為18.3 ℃，常規(guī)地暖系統(tǒng)溫度極值為16.6 ℃，均滿足規(guī)范要求。

2）既有建筑中，若無法改變輻射供暖末端形式，相比增大供水流量，提高供水溫度更有利于減少響應(yīng)時間。在新建建筑中，為了提高輻射供暖溫升速率，輻射供暖系統(tǒng)末端形式可采用毛細(xì)管網(wǎng)地板供暖末端。

3）毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)對供水溫度要求相比常規(guī)地暖較低，相同的條件下，采用較低的供水溫度，且在較快的時間內(nèi)滿足室內(nèi)舒適性的要求，達(dá)到節(jié)能的目的。

4）一定供水溫度和流量下，毛細(xì)管網(wǎng)相比常規(guī)地暖熱響應(yīng)時間偏短40%，毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)的單位時間溫升高于常規(guī)地暖系統(tǒng)71%，故在較短時間內(nèi)，房間及輻射表面溫度可達(dá)到設(shè)計溫度，為長江流域輻射供暖間歇運行的可行性提供了依據(jù)。