[摘要] 本文根据当前低温热水地板辐射供暖工程设计中出现的问题, 从保证工程设计质量出发, 对地板辐射供暖热负荷计算、加热管间距的确定、加热管材质和壁厚的计算进行论述。建议设计时应注意的问题和应遵循的步骤。
[关键词] 地板辐射供暖设计；热负荷计算；管道选择。
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
中图分类号：TU831.2 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
引言
低温地板辐射采暖系统是一种节能并对房间微热气候进行相应调节的供暖系统,是一种世界公认的卫生条件和舒适度都十分理想的供暖方式，它以其舒适、卫生、高效节能、不占用使用面积、维护费用低、使用寿命长等优点受到人们普遍欢迎。在居住建筑和某些公共建筑中得到广泛应用。尤以别墅、住宅应用更为普遍。但我们通过几年的施工图设计工作,发现设计中存在较为普遍的问题, 并谈谈对这些问题的思考。
1 热负荷计算采暖系统热负荷是采暖设计的基础数据, 其决定了采暖设计的最终使用效果、系统运行的经济费用及能源的利用
在设计中对热负荷确定不准确的主要原因: 一是负荷确定时未考虑辐射采暖与对流采暖的区别, 直接将对流采暖负荷作为辐射采暖负荷进行计算；二是在计算采暖热负荷时没有考虑上层地板向下的传热量。所以导致采暖热负荷偏大。我们认为，在计算采暖热负荷时应全面考虑。
1.1 全面辐射采暖的热负荷, 应按现行国家标准《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019 有关规定进行计算,地板采暖系统热负荷与下列因素有关:
(1) 室内采暖计算温度取值;
(2) 加热盘管向下传热的影响;
(3) 户间传热的影响;
(4) 地面遮盖物的影响。
设计在确定室内采暖计算温度时未考虑地板采暖的特殊性( 辐射强度和温度双重作用)，仍按对流采暖室内温度( 如18℃) , 忽略加热盘管向下传热的影响，强调间歇供热和户间传热的影响和地面遮盖物的影响, 几部分叠加, 使得地板采暖系统热负荷比对流采暖系统热负荷还要大。正确的确定方法应是: 室内采暖计算温度取值可降低2℃。综合考虑加热盘管向下传热与地面遮盖物的影响, 中华人民共和国行业标准地面辐射供暖技术规程规定在确定地面所需的散热量时, 应扣除来自上层地板向下的传热损失,同时又规定地面散热量应考虑家具及其他地面覆盖物的影响。地面遮挡因素随机性很大, 情况非常复杂, 一般情况下, 向下的传热量可以弥补部分地面或大部被遮蔽部分的散热量, 故在设计计算时, 除顶层外, 地面遮盖物的影响较小, 设计人员应灵活掌握。实施按热计量收费, 户间传热的影响因素加大,但笔者认为, 尤其对居住建筑, 考虑房间使用功能的一致性和供热的稳定性, 在计算热负荷附加时比例不宜过大。将计算出的热负荷乘以0.9～0.95 修正系数或将室内计算温度取值降低2℃均可。这是因为在相同条件下, 辐射采暖时壁面温度比对流采暖时高, 减少了墙壁对人体的冷辐射, 而人对室内热环境的感受常以实感温度来衡量, 实感温度比室内环境温度高2℃～3℃, 因此在保持相同舒适感的情况下, 辐射采暖室内空气温度可比对流采暖时低2℃～~3℃或在负荷计算时取对流采暖热负荷(不计算设有辐射供暖地板地面的传热量)的0.9～0.95。
1.2 扣除来自上层的得热量, 确定所需辐射供暖地板的有效散热量Q1。辐射供暖地板向下部的散热量：
加热管以下有绝热层时: Q2 为0.1～0.2 Q1；加热管以下无绝热层时: Q2 为0.3～0.5 Q1。
除上述两点外, 还应按《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019 有关规定进行逐项计算, 确定出准确的辐射供暖地板所需的有效散热量。
2 供回水温度的确定
为满足人体舒适性要求, 对加热地板的表面平均温度需有一定的限值, 对居住建筑, 中华人民共和国国家标准采暖通风与空气调节设计规范规定为24～26℃, 最高为28℃。地板的表面平均温度可按下式计算:
?? ?? ?? ?? tpj = tn+ 9*() 0.909 (1)
由公式(1)可得到:
?? ?? ?? ?? ?? q= 100 ()1.1 (2)
式中：q -- 加热管单位地面面积的散热量,W/ m2；
Tpj -- 地表面平均温度,℃ ；
tn -- 室内温度,℃ 。
由上式可计算出不同地板表面平均温度下的单位面积允许散热量见表1。
?? 不同地板表面平均温度下单位面积允许散热量W/ m2??表1
室温 ℃t pj ℃
242628
1687.8112.3137.2
1864.087.8112.3
2041.064.087.8
2219.141.064.0
从表1 可以看出, 理论上居住建筑所需单位面积的散热量存在一定的范围, 如室内温度为18℃,其上限值为112.3w/ m2, 下限值为64.0w/ m2, 超出或低于上下限值, 会造成室内过热或过冷。加热盘管散热量( q ) 与系统中的热媒平均温度、室内计算温度tn 和加热地板热阻R 有关。
q= (3)
其中: R = ( A+ B ) / 2λ。
式中：R --加热地板热阻, m2·(K/W) ；
tp--热媒的平均温度, ℃；
λ--加热管上部覆盖材料的导热系数, W/(m·K) ；
A --加热管间距, m；
B--加热管上部覆盖材料的厚度, m。
为保证地板表面散热的均匀性, 有关技术规程规定了加热盘管间距A 不大于300mm。对同一工程只能有一组供回水温度值( 热媒平均温度) , 通常由最不利房间计算确定( q 最大) 。由于标准房间热负荷小, 在相同的供回水温度下, 往往所需加热盘管间距A 已大于300mm ( 盘管提供的热量超过需求量) , 这时就应综合考虑, 采取改变供回水温度、减少布管面积或者减小最不利房间管道间距的办法。当绝大部分房间满足要求而最不利房间供热量不足时, 可考虑采用其他散热设备分担一部分热负荷的办法。
3 加热管间距确定
从公式(3)可知, 地板的散热量是地板表面温度和室内温度的函数, 在楼板构造一定且已知供、回水温度的条件下, 地板的表面温度主要取决于加热盘管的直径与间距。加热管的辐射管间距, 应根据地面散热量、室内计算温度、平均水温及地面传热热阻等通过计算确定。但在设计中计算的不多, 一般都是按参考资料提供的地板散热量直接查取管间距, 甚至根据经验确定管间距, 而忽略了其适用条件。如参考文献[2]中给出了加热管为交联聚乙烯管或嵌段共聚聚丙烯管, 公称外径为20mm, 填充层厚度为50mm, 聚苯乙烯泡沫塑料绝热层厚度20 mm, 供回水温差为10℃时, 不同加热管间距在不同平均水温时的地板散热量。事实上当地面层构造改变、供回水温差改变、管间距的增减, 都将影响地板散热量的大小。即所谓辐射条件对散热量的影响。
3.1 地面层构造对散热量的影响
以水泥或瓷砖类地面为1.0 (比较基础)
塑料类地面0.79
木地板地面0.72
地毯0.62
3.2 管间距(以管外径20 mm 的数值为例) 对散热量的影响
以管间距300 mm 为1.0
间距200 mm 为1.22
间距150 mm 为1.34
间距100 mm 为1.46
所以, 在确定加热管的辐射管间距时, 应进行计算或在查表时, 按工程实际情况将其结果进行修正。
4 管材选择
按系统压力选择管材, 进行强度计算并确定壁厚《采暖通风及空气调节设计规范》GB50019 中规定: 地板辐射采暖加热管的材质和壁厚的选择, 应根据工程的耐久年限、管材的性能、管材的累积使用时间以及系统运行水温、工作压力等条件确定。而且本条为强制性条文, 可见地热采暖加热管材质和壁厚对工程使用寿命的重要, 但在实际中, 设计者往往并没有引起足够的重视, 在施工图设计文件中对加热管壁厚不做交待, 任施工单位自然选择,这直接影响了工程质量。在工程设计中应通过强度计算确定加热管材质和壁厚或按参考文献[1]中附录B 选择加热管材质和壁厚。
4.1 加热管材质和壁厚选择方法举例
4.1.1 根据工程使用性质、运行水温及其周期, 选择确定使用条件分级(参见表2)。
加热管材的使用条件分级 表2
使用条件等级正常操作温度最大操作温度异常温度典型应用范围
℃时间(y)℃时间(y)℃时间(y)（举例）
l604980l95100供60℃热水
2704980l95100供60℃热水
330 4020 25504.565100地板下的低温地供热
440 60 2020 25 2.5702.5100100地板下的供热和低温暖气
560 80 20 25 10 14 901100100高温暖气
注：3级一般不被采用。
使用条件分级并不是硬性规定,是按特定地区气候和典型使用条件计算所得的推荐性标准。选择时应加以分析。例如: 对一般低温热水地板辐射供暖工程, 如按上述标准的4 级选用管材和确定管壁厚。即在共50 年的总使用周期中, 运行温度20℃共历时2.5 年,40℃共历时20 年, 60℃共历时25年, 70℃共历时2.5 年, 100℃的意外运行条件不超过共100 小时,显然是十分安全可靠的。
4.1.2 初选管材质, 根据使用条件分级, 确定该管材的许用设计环应力σD 参见表3。
管材的许用设计应力σp(MP) 表3
使用条件分级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 推荐的Miners 准则, 计算出的确保50 年使用寿命的管材许用设计应力, 其中20℃/50 年的许用设计应力, 安全系数取1.5, 只适合输送冷介质时采用。(例如: 采用PP- R 管, 使用条件4 级, σD=3.3MPa)
许用设计环应力是对应于使用条件分级要求, 在该等级多种运行水温的综合作用下, 在要求的使用寿命年限内,避免发生不能满足系统工作压力的蠕变。由于使用条件分级不是硬性规定,因此宜按实际要求的使用寿命年限, 并根据使用情况,分析使用寿命年限内不同温度的频率, 合理确定许用设计环应力。实际使用寿命不需50 年或使用温度较低, 可选用设计应力较小的管材。
4.1.3 计算SCALC.MAX 值, 选择管材的S 值。
(1) 管材的环应力和承压之间的关系, 可用下式表示:
σ/P=(D- e)/2e=S
上式中: e -- 管壁厚(mm) ；
P -- 管内压力(MPa)；
D --管径(mm)；
σ--许用环应力(MPa)。
从上式可见, S 值是管材环应力与承压的比值, 同时, 它仅与管道尺寸有关, 不同管道尺寸的S 值不同。
(2) 计算SCALC.MAX 值
SCALC.MAX=σD/PD
上式中: σD --许用设计环应力(MPa)；PD --系统工作压力(MPa)。
( 例如: 系统工作压力PD =0.8(MPa), σD/PD=3.3/0.8=4.1)。
(3) 环应力σ应不大于许用设计环应力σD, 因此应根据S 不大于SCALC.MAX 的原则, 参见表3, 选择所选管材系列S。例如: 应圆整选择S3.2 系列,3.2 小于4.1。
PP- R 管的SCALC.MAX 值和最小壁厚选择 表3
系统工作压力PD(MPa)0.4 0.6 0.8 l
管材的SCALC.MAX 值 6.9 5.5 4.1 3.3
应选用的管材 S5 S5 S3.2 S3.2
管材应选的最小壁厚(mm)
管材公称外径mm161.81.82.22.2
201.91.92.82.8
25 2.32.3 3.5 3.5
注：适用于使用条件4 级(σD =3.3MPa)
PB 管的SCALC.MAX 值和最小壁厚选择 表4
系统工作压力PD(MPa)0.4 0.6 0.8 l
管材的SCALC.MAX 值 10.9 9.1 6.8 5.4
应选用的管材 Sl0 S8 S6.3 S5
管材应选的最小壁厚tnm)
管材公称外径mm161.31.31.31.5
201.31.31.51.9
251.31.51.92.3
注：适用于使用条件4 级(σD =5.46MPa)
4.1.4 在所选管材系列S 中, 按管材的公称外径,仍参见表3, 确定所需最小壁厚。例如: 在S3.2 系列内, DN16 壁厚应为2.2mm,DN20 壁厚应为2.8mm。
4.1.5 按壁厚检验初选管材是否合理。例如: DN20壁厚应已达2.8mm, 不易弯曲, 宜选用其他材质。
4.1.6 改选用其他材质并验算。例如: 改用PB 管,σD =5.46 MPa, σD/ PD=5.46/ 0.8=6.85, 应圆整选择S6.3 系列, 参见表4 确定所需最小壁厚, DN16 壁厚为1.3 mm, DN20 壁厚应为1.5mm。
4.1.7 考虑管材生产和施工过程可能产生的缺陷,管材的壁厚地板辐射供暖不宜小于1.7 mm, 散热器供暖不宜小于2.0 mm, 因此壁厚应为2.0 mm。
5 结束语
低温地板辐射采暖系统设计应认真计算, 不应简单查表或按经验套用, 否则一方面将直接影响工程设计质量, 另一方面将造成室内不舒适及能源的浪费。
参考文献：
[1]采暖通风及空气调节设计规范,GB50019.
[2]地面辐射供暖技术规程, 中华人民共和国行业标准JGJ142-2004/J365- 2004.
[3]低温热水地板辐射供暖应用技术规程,北京市标准DBJ/T01- 49- 2000.
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