0 引言

地板辐射采暖技术从二十世纪初，欧洲一些发达国家就已经开始应用，我国是在五十年代末在人民大会堂开始应用该项技术。但是，由于最初使用的钢管成本高，易泄露，易腐蚀，限制了它的大规模的推广应用。随着材料工业的进步，出现了抗老化，抗腐蚀，耐高温，易弯曲的塑料管材，如胶联聚乙烯管和聚丁烯管，加之人民生活水平提高，节能意识加强，近年来这种采暖方式逐渐开始推广起来。

地板辐射采暖较传统的暖气片采暖具有可利用的热源型式广，节约金属，在相同建筑结构条件下，室内温度分布均匀，卫生，不占用有效室内空间等优点，其中最突出的两点就是节能和舒适。传统的供暖方式的供暖设计热指标一般为50—80W/m²（根据不同类型的建筑物），而地板辐射采暖的设计热指标要比前者低，在天津地区对采用这种供暖方式测试中发现其设计热指标仅为45 W/m^2[1]，或者更低。现在人们普遍认为这种供暖方式的设计室温可以比传统的供暖方式低2--5℃，但是并没有深入探究其原因。本文从人体辐射得热和热源布置位置两方面进行了研究。为了研究它的舒适性，本文对分别采用这两种采暖方式的房间进行了实测，用以对比分析其室内温度分布，气流分布的差异及供暖效果。

1 实验系统介绍

本文选取天津大学地热中心一间暖气片采暖的房间和天津某小区的一间地板辐射采暖的房间为测试对象，其尺寸均为4.5x3x3m, 朝向均为坐南朝北，都是中间层，只有一面外墙。

图1测试房间示意图

图1 中A采用双回形埋管方式，总管长为70米，进口水温47℃，出口水温37℃。图1 中B房间采用四柱813型暖气片14片。测试在2002年12进行，当时室外温度为2℃。

2 测试结果与分析

2.1 人体辐射得热量的测量和计算

为了计算人体、地板和墙壁之间的角系数，特建立了以下几何模型，其中将人体近似看作是宽0.4，高1.7的矩形，而且位于房间的正中央。将地板表面，墙面和人体表面均视为灰体。由于空气中只含有很少量的二氧花碳和水蒸气，在室温下，可认为空气是热辐射的透明体，即空气不吸收热辐射。人体表面只穿一件薄毛衣。采用地板采暖的室温为17℃，采用暖气片采暖的室温为20℃。

图2 人体与地板的角系数模型

其物性参数见下表^[2]；

表1  各种表面的物性参数            

人体对地面的辐射角系数^[3]：

           F_1,2=0.27                                         (1)

人体对墙壁和天花板的辐射角系数：

           F_1,3=0.73                                         (2)

辐射换热量可用下式^[4]计算：

                                     (3)

                              (4)

式中A₁—物体表面积,m²；F_1,2—角系数；ε_s—系统黑度；E_b—黑体辐射力，W/ m²；         Q_1，2—辐射换热量,W； ， —物体黑度。

在地板采暖中，人体比采用暖气片供暖方式可多得由地板辐射热量为：

ΔQ₁=25.9w

在地板采暖中,人体比采用暖气片供暖方式多向墙壁和天花板辐射热量为：

   ΔQ₂=13.4W

人体和室内空气之间的自然对流换热可用下式计算：

                           （5）

                             （6）

式中G_r—葛拉晓夫数；N_u—努谢尔特数；P_r—普朗特数； —温差，℃

在地板采暖中，由于室温比暖气片采暖方式的室温低，人体因此而多耗散的热量为：

ΔQ₃=11.4W

可以看到：

ΔQ₁-ΔQ₂-ΔQ₃ =25.9-13.4-11.4=1.1W>0

以上计算说明了在地板采暖中，即使室温比暖气片采暖方式低3℃，人体向环境所散失的热量仍然少于暖气片采暖方式中人体向环境散失的热量。这表明地板向人体辐射热量是地板采暖方式节能的重要因素。

2.2 室内温度的垂直分布

由于两种采暖方式终端设备的位置分布不同，所以室内温度分布必然有差异。下图就是两种采暖方式的垂直温度分布图。

图3 两种采暖方式的垂直温度分布图

从图3中可以看出：两种采暖方式的垂直温度分布基本规律都是上热下冷，地板采暖的房间最大垂直温差为1.9℃，温度变化幅度较小，暖气片采暖房间的最大垂直温差为3℃，温度变化幅度较大。但是地板采暖房间接近地面处有较大的温度跃升。在地板采暖的房间中，人体脚部的气温比头部的气温高7℃，人们往往感觉脚部很温暖，这样脚部的血液温度就比头部要高，血液的密度就较低，就会产生很小的升浮力向上流动。正是这种热源在下的方式促使热量更好地传给人体，并且使人感觉更舒服。其次，热源在脚下，热空气由于密度较小，会向上流动，掠过人体表面，能比暖气片更有效地将热量传递给人体。

2.3室内温度的水平分布

图4 暖气片采暖房间水平温度分布

图5 地板采暖房间水平温度分布

注：两房间的温度分布均为靠窗的半面,高度为1.0米处。

从图4和图5可以看出暖气片采暖房间的水平温度分布：除暖气片附近温度有较大的跃升外，其它部分温度波动较小，在0.5℃左右。地板采暖房间的水平温度分布没有较大的跃升，但温度波动比前者稍大，在1.5℃左右。

2.4 室内风速分布

暖气片采暖方式主要依靠自然对流方式传热，由于热源温度较高，因此空气流速较大；地板采暖主要依靠辐射和自然对流两种方式传热，其热源温度较低，且面积大，因此空气流速较小。图6是两房间的风速分布曲线，其中测点均取自房间中心纵截面1.5高米处，图中只是风速的绝对值，不考虑方向。可以看出：地板采暖的房间室内的风速要比暖气采暖房间室内风速小得多。因为风速是影响室内扬尘的重要因素，所以采用地板采暖房间的扬尘很小，比较卫生。

图6 两种采暖方式的室内风速比较

2.5 热源热储量

地板采暖方式的热源体积很大，包括埋管中的热水和碎石混凝土。本文对两测试房间的热储量进行了详细计算。地板采暖房间的热源热储量为31.36MJ,而暖气采暖房间的热源热储量仅为8.07 MJ。可以看出前者是后者的8倍，地板采暖方式的热源的热储量更大，因而热惰性更强，当热水流量和温度波动时，热源可以相应地储存和释放热量，以保证室温的基本稳定。

3.结论

地板采暖方式比暖气片采暖方式有以下差别：

1．  地板采暖比暖气片采暖更节能，设计室温可比暖气采暖方式低，主要原因是热的地板向人体辐射热量。

2．  地板采暖比暖气片采暖使人体感觉更舒适，主要原因是地板采暖方式的热源在脚下，便于将热源热量传到人体。

3．  地板采暖方式的水平温度分布比暖气片采暖方式更均匀，没有较大的波动。

4．  地板采暖方式的室内风速比暖气片采暖方式要小得多，室内扬尘较小，更卫生。

5．地板采暖方式的热源热储量比暖气片采暖方式大得多，因此室内温度更稳定。