地面辐射 低温地面辐射采暖的基本原理

　　在近年来的工程应用和学术交流活动中，总有一种感觉：我们对低温地面辐射采暖技术在定性认识和理论分析上还不够深入、不够清楚，相关规范和理论研究相对滞后，应用推广很快但技术发展很慢。人们对什么是辐射采暖的原理还不是很清楚，一直在用对流采暖的观点和方法去衡量和看待辐射采暖。因此对该项技术进一步定 性认识是很有必要的。

　　2004年建设部颁布了《地面辐射供暖技术规程》，又极大的推动了这项技术的广泛应用。地面辐射供暖技术之所以能在我国快速发展、广泛应用，一是自然气候 的需要，占去我国面积过半的东北、西北、华北冬季寒冷，建筑采暖是必不可少的项目;二是地面辐射供暖技术有很多不可替代的优点：有着很好的舒适性、节省室 内空间;建设成本和运行成本低廉;宜实现分户供暖和分户热能计量等。2006年国家建设部和质量监督检验检疫总局联合下发的居住建筑节能设计标准 中，5.3.7条中规定：户内建筑面积大于或等于80m2时，宜采用低温地面辐射供暖方式。

　　辐射供暖是通过室内的一个或多个辐射面向供暖空间中的人和物传递热能的一种方式。与对流供暖不同的是，对流供暖方式的热能是散热器以空气为媒介将热能传递到 供暖空间而通过人和物的表面吸收。而辐射供暖无需媒介，直接由辐射面将能量以波长为8~13mm的远红外线形式传递给供暖空间中的人和物。那么这种波长为 8~13mm的能量是怎样被人和物吸收而产生热感的呢?

　　我们知道物质是由原子构成，原子核及核外电子所带电量是相等的，且电子在 核外周围等几率的运动，所以通常原子不显电性和极性，如图1。但是当我们将一个原子放在一个静电场中时，原子中的原子核就会移向电场的负极一边，而电子就 移向电场的正极一边，此时的原子就发生了偶极变化，如图2。如果此时我们改变电场的方向，这种偶极的极性就会反过来，如图3。如果我们将原子放置在一个以 一定频率变化的电场中，原子的极性就会随着电场方向变化的频率而变化。这样原子的正电荷、负电荷、中子间就会发生一定频率的运动而互相摩擦，从而产生热 量。这是一个由动能转化为热能的过程。

　　在辐射采暖中，辐射面所形成的就是一个波长为8~13mm远红外辐射场。在这个场内的物质中的原子内部就会发生上述粒子间的相互摩擦，从而在人与物体内产生 热量。辐射面的温度愈高，所形成的辐射场就愈强，反之愈弱。需要说明的是：在辐射供暖中，由于辐射面与供暖空间中的空气接触，因此也会发生部分空气对流换 热，使供暖空间空气温度同时上升，这也有助于提高供暖效果。在辐射供暖中，辐射换热量约占总换热量的60%左右，而对流换热量约占40%左右。

　　低温辐射供暖技术从发热体的不同可分为：

　　电加热发热体(如发热电缆、电加热膜等)低温辐射供暖技术。

　　水加热发热体(如塑料管材、金属管材等)低温辐射供暖技术。

　　1、低温热水地面辐射供暖的原理

　　低 温热水地面辐射供暖技术是二十世纪末从欧洲传入我国(也有人说从韩国传入我国)。80年代初，随着高分子塑料管材技术和保温材料技术的成熟，低温热水地面 辐射供暖技术在欧洲的应用发展很快。有资料显示，由于该技术的节能、舒适等特点，目前欧美国家约有50%以上的居住建筑采用该技术。低温热水地面辐射供暖 技术在我国应用已有近20年的历史，是近20年来发展最快的一种供暖形式。目前在我国西北地区(如新疆)，约有90%以上的新建住宅采温热水地面辐射供暖 系统用该技术。

　　低温热水地面辐射供暖系统由热源，分、集水器，绝热层，加热管，填充层以及管路、阀门、过滤器等组成。更准确的说应该把填充层称为辐射板，只不过在此我们是用混凝土来构造了辐射板。其地面结构如图。

　　它是低温热水地面辐射供暖系统的核心构件。其工作原理是：热源提供的热媒(低温热水)在通过加热管时，热能通过管壁传递到填充层(辐射板)的混凝土内，在填 充层(辐射板)的表面形成一定宽度、一定温度的辐射面。在不考虑辐射板与建筑物构件的传热关系的情况下，辐射面的宽度、温度与热媒的温度、填充层材料的导 热系数及厚度、加热管的通径、材质等因素有关。有人认为填充层仅仅是用来保护加热管而设置的，厚一点、薄一点无所谓。混凝土的材质也无所谓。只要能保护管 子就行了。甚至有人认为可不设填充层，这是非常错误的，从理论上说，不设填充层就等于没有辐射面。值得注意的是，加热管的通径、材质均为工业控制的参数， 是非常稳定的。而填充层(辐射板)的厚度及材质是施工过程控制的参数，受影响的因素比较多，难以控制。辐射面的宽度、表面温度与填充层的厚度和材质有直接 关系。首先填充层是辐射板的重要组成部分，它是形成辐射面的保证。填充层厚度不同，辐射板表面所形成的辐射面的宽度就不同;同时，辐射板还有决定地面承载 的功能，而填充层的材质和厚度直接决定了地面的承载力。填充层厚度h与辐射面宽度L的关系可近似用如图1-2所示的物理模型来描述 ，由图1-2可看出：当填充层厚度为h1时，辐射面宽度为L1; 当填充层厚度为h2时，辐射面宽度为L2，显然L2> L1。其中α角与填充材料的热阻有关。研究结果表明：

　　填充层的厚度在一定的范围内时，其厚度愈厚，在辐射板上所形成的辐射面愈宽，反之愈窄。填充层愈厚，辐射板表面温度分布愈均匀，反之就愈不均匀。

　　填充层材料热阻愈小，α角愈大，辐射面愈宽，反之愈窄。当然，辐射面愈宽、辐射板表面温度分布愈均匀，采暖的效果愈好。

　　为了保证辐射板所形成的热能是向上传递的，而不会通过与辐射板接触的基础层和维护墙体传导形成热损耗，在辐射板的下面及墙体接触边缘还要做一层绝热层。其材 料在国内用的最普遍的是采用聚苯乙烯板并在表面复合一层聚酯镀膜(铝膜)无纺布铝箔。关于这层铝箔一般认为有四个作用：①、反射由辐射板传递过来的 8~13Μm的远红外线，使其向上传递，因为金属对微波有屏蔽和反射作用。②、配合专用卡钉固定加热管。③、作为聚苯乙烯板的防潮层，因为聚苯乙烯板中渗 入水分后会降低绝热作用。④、在铝箔上印有50*50mm的方格，可以帮助施工时确定加热管间距。

　　有学者提出除底层和土 壤之上的地面处，也可不做绝热层。因为向下传递的热量对下层房间也有供暖作用，从辐射传热的角度这种主张也有道理，并且这种做法还可减少建筑层高的损失， 降低工程成本。不过这样做会产生建筑“热桥”，产生较大的通过楼板和墙体向外的热损失，不符合节能的要求。同时目前辐射双向传热的基础研究和设计参数及资 料尚且不足，给实际应用带来一定困难，使应用变得盲目;更重要的是双向传热给国家分户计量的政策提出了难题(中间楼层互相传热)。当然，不实行分层计量的 建筑和别墅、复式建筑的夹层、整栋楼计量的公共设施、写字楼另当别论。

　　2、低温热水地面辐射供暖的专用管材

　　加热管是低温热水地面辐射供暖系统中的核心材料，其选型的正确与否，直接决定了工程的质量寿命。用于低温热水地面辐射供暖系统的加热管大致分为两大类，即热 塑性塑料和热固性塑料管材(如图2-2)，常用的热塑性塑料管材有PPR、PB、PE-RT等，热固性塑料管材有PEXa，PEXb,PEXc等，如图 2-3是这些管材的蠕变特性曲线。

　　一般说来，热塑性塑料管材比较柔软，易弯曲，可以热熔连接，便于施工，但它们往往抗划痕能力较差;抗冲击强度和拉伸强度、耐热性能、耐应力开裂性能不及热固 性塑料管;抗蠕变能力较差。热固性塑料管材要相对硬一些，不能够热熔连接，这可能会给施工带来不便，但所有的规程、规范都作出了规定：埋于填充层内的加热 管不得有接头。当然也包括热熔接头。因此这一点也就显得不那么重要了。相对热塑性塑料管来说，热固性塑料管有较强的抗冲击能力，抗划痕能力，抗应力开裂能 力，尤其是它有着极好的耐热性能和耐蠕变性能，如表2-1，在所有的加热管中唯有PEX管在110℃，8760h环境下环应力为2.5MPa，除PB外， 其它管材要比PEX低24-40%，从图2-3可见，在114年的时间里唯有PEX管未出现蠕变拐点，在70℃环境下，PE-RT是50000小 时，5.5年出现拐点，PB是5000小时0.5年出现拐点，PPR是100000小时11年出现拐点;在60℃环境下，PE-RT是120000小时 13.5年出现拐点，PB是10000小时1.1年出现拐点，PPR是400000小时50年出现拐点;在80℃的环境下，PE-RT是20000小时 2.2年出现拐点，PB是2000小时0.2年出现拐点，PPR是20000小时2.3年出现拐点。由上述分析可见，热塑性塑料管材的耐热性能相对热固性 管材来说比较差，在使用时，应充分注意这一点。在低温热水地面辐射供暖技术的发源地欧洲，PEX管的用量占整个地暖业用管总量的半数以上，(有资料显示占 52.2%，而其它管材包括金属管在内的总和为47.8%)。这些经验对我们来说都是十分宝贵的。

　　PEX是高密度聚乙烯经化学或物理的方法交联改性使其分子结构变成平面网状或立体网状结构而形成的。目前在国内大致有三种方法实现，分别是：①过氧化物交联法 ②硅烷交联法 ③辐照交联法。 至于其它方法目前在国内用的很少。

　　我 们分析一下三种交联方法的特点：⑴、过氧化物交联方法是在高密度聚乙烯中加入过氧化物交联剂，经充分混合，在一定温度作用(230℃左右)下，经熔炼交联 完成平面网状交联的过程，其产品称为PEXa,它是先交联后成型的过程 ，过氧化物交联法特点的是管材相对柔软;管材一旦成型，交联度不再变化且较稳定。一般来说，其产品的交联度是由原料和工艺设备的工况决定的。我国所使用的 PEXa原料主要由韩国LG化工生产。

　　⑵、硅烷交联方法是在高密度聚乙烯中加入硅烷交联剂，经充分混合、熔炼、接枝、造粒，再经过熔炼、增压、挤出、成型、冷却、打卷、蒸煮(交联)完成立体网 状的交联过程 ，其产品称为PEXb，它是先成型后交联的过程 ，硅烷交联法管材的特点是：它的分子结构属立体网状结构，由于它的交联过程是一个水解过程，交联条件较低，即使在常温下，只要空气中有一定水分，其产品也 会自然交联，所以管材在保管和使用过程中也会继续交联，所以管材不宜长期贮存，否则交联度会变得很高而使管材变得很硬以致难以施工。硅烷交联法从工艺上又 分为一步法和二步法工艺。

　　⑶、辐照交联法是一种物理交联过程 。它是由高密度聚乙烯管在α、β射线或电子束辐照下，分子结构发生立体网状交联的过程 ，其产品称为PEXc，其工艺特点也是先成型后交联，交联度取决于射线的辐照强度和温度，辐照强度和温度愈高，交联度愈高，反之愈低。一般来说，辐照交联 法不适宜于生产内承压型管材，因为辐照能量会在内外壁间形成较大的能量梯度差，因此在内外壁间形成较大的交联度梯度差(也就是说外皮交联度高，内层交联度 低)。这种方法多用于电缆外护套的生产。在生产成本方面辐照交联工艺的成本略高于其它交联工艺。