地面采暖混水泵小流量大溫差運行特性與節能性分析

上海市節能監察中心 任庚坡

0 前言

隨著居民生活質量要求的持續提高，冬季采暖地區進一步增多，人均生活用能和單位居住面積能耗剛性增長較快。地面采暖由于具有美觀、舒適、節能等一系列優越性，所以很快被人們接受而且迅速推廣。在實際工程中，最常遇到是地面采暖與散熱器采暖共用熱源的問題，混水泵混水法對于整個小區或單個建筑都適用，適應性廣；但混水泵也是一個耗能“大戶”，而水泵耗能的大小主要取決于系統循環水量，這就涉及到系統供回水溫差的取值問題。目前，我國的設計規范把地面采暖的供回水溫差定為10℃，這主要是參照國外的規范，由于國外的水泵基本都是變頻的，可根據負荷的大小自動調節水量，但在國內，由于變頻泵相對較貴，因而大多仍采用定速泵，所以供回水溫差的確定直接影響到水泵的耗電量。本文從室內溫度場、管內流速及地板材料等多方面討論混水泵小流量大溫差運行的可行性。

1 大溫差運行對室內溫度場的影響

1.1 數學模型

1）計算區域和模型假設

圖1為用于模擬計算的房間模型，房間大小為4.2×3.6×2.8（長×寬×高）m，有窗的一面墻為外墻，其余均為內墻。設計室外計算溫度為-26℃，室內計算溫度為18℃。

設計供回水溫度為50℃/40℃；盤管間距300mm，取地板表面靠近外墻的空氣層溫度為16℃；靠近內墻的空氣層溫度為19℃。由于房間不同位置的地板表面散熱量不同，將整個地板沿水流方向分為23塊，作為23個獨立熱源（見圖2），分別計算其散熱量。為簡化模型，作如下假設：

(1)熱水流過塑料管不斷放熱過程中，溫度均勻地降度；

式中：Vi為xi方向的速度分量；xi為坐標軸。

(2)動量守恒方程

(2)將多層材料復合而成的地板板體當作一個整體考慮；

(3)地板表面空氣層掠過地板時，其溫度從外墻附近到內墻附近均勻升高；

(4)忽略加熱盤管向下的傳熱。

2）控制方程

室內氣流的流動可由質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分方程來描述。

(1)質量守恒方程

式中：ρ為空氣密度；t為時間；Vj為xj方向的速度分量；p為壓力；μeff為有效粘度；β為空氣的熱膨脹系數；T0為參考點的空氣溫度；T為空氣溫度；gi為i方向的重力加速度。

(3)能量守恒方程

式中：ГT,eff為溫度的有效擴散系數；q為熱源散熱量；Cp為比熱。

(4)組分方程

式中：C為組分濃度；ГC,eff為濃度的有效擴散系數。

3）邊界條件

若要解出室內流場，還必須有下列邊界條件。

(1)對稱表面條件

如果xi是對稱表面的法線坐標，則此表面的邊界條件由下式表示：

(2)常規邊界條件

這種邊界條件的表面包括墻、天花板、地板表面以及室內家具的表面。如果xi坐標軸平行于表面，則邊界條件為：

式中：τ為剪切力；h為對流傳熱系數；Csource為組分濃度。

(3)自由邊界條件

對于送風來說：

式中：下標sup指送風出口的參數值。

對于回風來說，壓力通常是給定的，其它參數在表面法線方向設為零梯度：

式中：preturn是指回風壓力，xi為表面的法線坐標。

1.2 計算結果及分析

根據圖2，可以計算出每一塊地板的散熱量及地板表面的平均溫度，當供回水溫差發生變化時，圖2中每一塊地板的平均水溫也相應地發生變化，從而引起散熱量也發生變化。表1、表2分別為供回水溫差為10℃、20℃時各塊的盤管平均水溫、散熱量和表面溫度。

由表1可知，在供回水溫差10℃時，地板表面的溫度分布比較均勻，基本都在20～24℃之間，只有第1塊地板由于供水溫度最高，溫度達到25.89℃。對地板表面溫度分布影響較大的還有室外溫度，在外墻附近，由于盤管間距未變（仍為300mm），又沒有任何保溫措施，使得外墻附近的地板表面溫度普遍較低，緊靠外墻的3號地板溫度只有19.61℃；21號地板溫度為20.24℃左右。因此，在工程設計中，外墻附近的盤管間距應相應減小，在嚴寒地區應采取保溫措施。

表1 供回水溫差10℃時地板散熱量和表面溫度

表2 供回水溫差20℃時地板散熱量和表面溫度

由表2可知，當供回水溫差增大后，塊與塊之間的平均溫度差就比較明顯了，特別是第1塊與第23塊的差別最大，達18.76℃。但表中所示的情形是忽略了塊間傳熱的結果，事實上，當相鄰兩塊地板的平均溫度不同時，二者就會自發的進行傳熱，從而使溫度分布趨向均勻，這在地板表面為瓷磚或大理石時表現的最為明顯。因而當達到熱平衡時，各塊之間的溫度不會相差太大。

綜上所述，提高供回水溫差對室內溫度場影響不大。

2 大溫差運行對流速的影響

《采暖通風與空氣調節設計規范》和《低溫熱水地板輻射供暖應用技術規程》都對無坡度管道的管內流速作出規定：加熱管內熱媒流速不應小于0.25m/s，此規定的目的是便于排除管內空氣，避免形成氣塞，當供回水溫差增大時，水量的減少必然使管內流速降低。如仍按以前的方法進行設計，室外立管沒有問題，流速仍大于0.25m/s，但室內水平管內的流速卻可能小于0.2m/s，不利于空氣的排除。對于這個問題，可通過減少系統環路數加以解決。目前的設計基本是一個房間就是一個環路，當供回水溫度增大后，若管內流速太低時，可將兩個房間當作一個環路，雖然管長增加引起系統阻力增大，但由于混水泵的揚程通常遠大于用戶阻力，因而對用戶不會造成太大的影響，反而會提高系統的穩定性。

3 大溫差運行對地板材料的影響

地面采暖系統的表面材料通常為瓷磚、大理石和木地板。供回水溫差增大后，供水溫度也相應提高，但即使溫差提高到30℃，供水溫度也只有60℃，地板表面最高溫度為30℃左右，這一溫度對瓷磚和大理石沒有什么影響，對木地板也不會有太大影響。

至于有些復合地板在使用后產生開裂變型現象，這主要是安裝質量的問題。地面采暖系統的熱量本身并不能使在高溫高壓下壓合的復合地板面層與核心層分離。

因此，供回水溫差適當提高后，供水溫度雖有升高，但也不會超過60℃，因而不會對地板材料產生影響。

4 大溫差運行混水泵電耗經濟性分析

現以某小區為例來分析提高供回水溫差后水泵的節電情況。樓地上為8層，其中第8層為斜面屋閣樓層，總高約24.9m，2～8層建筑面積約為7854m2。地下一層及地上一層采用散熱器采暖方式，2～8層采用低溫熱水地板輻射采暖方式，混水連接。

熱水循環泵單臺循環水量為總水量的75%，當室外溫度在-10℃以上時，啟動一臺循環水泵供水；當室外溫度低于-10℃時，兩臺循環水泵全部投入運行。水泵型號為：80RXL-16；G=34m3/h；H=17mH2O。則一個采暖季水泵的電耗為：

若將供回水溫差提高到20℃，則水泵型號可變為：50RXL-20；G=16m3/h；H=20mH2O。則一個采暖季水泵的電耗為：

一個采暖季可節電：

由此可見，提高供回水溫差后，其節電效益還是相當可觀的。因此，在今后的設計中，可將供回水溫差提高為20℃。

5 結論與建議

(1)將供回水溫差由10℃提高為20℃時，對室內溫度場、管網穩定性、地板材料等方面基本沒有影響，但節電效益可觀；

(2)為使室內溫度分布更加均勻，外墻附近的盤管間距可相應減小，并采取良好的保溫措施；

(3)在工程實際中，應綜合考慮局部熱負荷、水力穩定性和地板材料等因素，合理設計盤管間距、熱媒流速和溫差，并做好水泵選型工作；

(4)各地在制定地方標準時，可根據各自氣候、經濟條件，合理規定供回水溫差和定、變頻水泵的適用條件。

[1]王子介.地板供暖及其發展動向.暖通空調，1999,29(6).

[2]秦緒忠，江億.供熱空調水系統的穩定性分析.暖通空調，2002,32(1).