暖通空调第5章辐射采暖与辐射供冷.docx
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暖通空调第5章辐射采暖与辐射供冷
第5章辐射采暖与辐射供冷
5.1定义与分类
华北电力大学-荆有印
5.1.1辐射采暖（供冷）定义
主要依靠供热（冷）部件与围护结构内表面之间的辐射换热向房间供热（冷）的采暖（供冷）方式称为辐射采暖（供冷）。
辐射采暖与对流采暖的主要区别：
辐射采暖时，房间各围护结构内表面（包括供热部件表面）的平均温度
高于室内空气温度
，即
>
对流采暖时，
<
。
通常称辐射采暖的供热部件为采暖辐射板。
辐射供冷时,房间各围护结构内表面（包括供冷部件表面）的平均温度
低于室内空气温度
，即
<
5.1.2辐射板的分类
1.按与建筑物的结合关系
埋管式辐射板：
将通冷、热媒（冷冻水或热水）的金属管或塑料管埋在建筑结构内，与其合为一体，如图5-1（a）；
风道式辐射板：
利用建筑结构内的连贯空腔输送热媒（热空气等）向室内供热，如图5-l（b）。
图5-1与建筑结构结合的辐射采暖板（整体式）
（a）埋管式（b）风道式
l-防水层2-水泥找平层3-保温层4-采暖辐射板
5-钢筋混凝土板6-加热管（流通热媒的钢管）7-抹灰层
贴附式辐射板：
将辐射板贴附于建筑结构表面，如图5-2所示。
单体式：
由加热管1、挡板2、辐射板3（或5）和隔热层4制成的金属辐射板。
如图5-3所示。
单体式辐射板还可串联成带状辐射板吊在顶棚下，挂在墙上或柱上，如图5-4。
吊棚式辐射板：
将通热媒（或冷媒）的管道4、隔热层3和装饰孔板5构成的辐射面板用吊钩挂在房间钢筋混凝土顶板2之下，如图5-5所示。
这种辐射板也常用于辐射供冷。
2．采暖辐射板按其位置
5.1.3辐射采暖的特点
1．辐射供暖比对流供暖舒适
辐射采暖同对流采暖相比，↑围护结构内表面温度（
），创造了对人体有利的热环境，↓人体向围护结构内表面的辐射放热量，热舒适度增加。
辐射采暖同对流采暖相比，↑辐射换热的比例，但仍存在对流换热。
↑辐射换热比例=f（热媒的温度、辐射热表面的位置）
各种辐射采暖方式的辐射放热量比例：
顶面式70％-75％；地面式30％-40％；墙面式30％-60％
2．辐射采暖时沿房间高度方向温度比较均匀，温度梯度小，房间无效热损失减少，节省采暖能耗。
图5-8给出不同采暖方式下沿高度方向室内温度的变化。
比较条件：
以房间高h为1.5m处，空气温度
为18℃。
从图上可看出：
⑴热风采暖时（曲线1），沿高度方向温度变化最大，房间上部区域温度偏高，工作区温度偏低。
⑵采用辐射采暖（曲线3和4），特别是地面辐射采暖（曲线4）时，工作区温度较高，地面附近温度升高，有利于改善人的舒适度。
⑶设计辐射采暖时相对于对流采暖时规定的房间平均温度可低1-3℃，使人体对流放热量↑，人的舒适感↑，并↓房间上部温度升高增加的无效热损失。
因此辐射采暖可节省采暖能耗。
图5-8不同采暖方式下沿房间高度室内温度的变化
1-热风采暖2-窗下散热器采暖
3-顶面辐射采暖4-地面辐射采暖
3．辐射供暖对流散热量少，室内气流速度低，避免了尘土飞扬，卫生条件好。
4．辐射供暖出投资大。
5.2辐射采暖系统
5.2.1辐射采暖系统的热媒
可用：
热水、蒸汽、空气和电。
1．用热水作热媒
温升慢，混凝土板不易出现裂缝；可以采用集中质调节。
2．蒸汽作热媒
温升快，混凝土板易出现裂缝；不能采用集中质调节。
混凝土板热惰性大，与蒸汽迅速加热房间的特点不相适应。
3．用热空气作热媒
将墙板或楼板内的空腔作风道，使建筑结构厚度要增加。
4．用电热媒
用电加热的辐射板,具有许多优越性，板面温度容易控制，调节方便，但要消耗高品位电能。
5.2.2热水辐射采暖系统
1．采暖辐射板的加热管
采暖辐射板加热管的型式与采暖辐射板的位置、尺寸及类型有关。
⑴窗下辐射板加热管
如图5-9所示。
图5-9窗下采暖辐射板的加热管
（a）蛇型管（b）排管
⑵踢脚板式采暖辐射板加热管
一般采用图5-10所示的U形加热管。
图5-10踢脚板式采暖辐射板
（a）侧视图（b）正视图
⑶墙面采暖辐射板加热管
如图5-11所示，（a）为用于带闭合管单管系统；（b）用于双管系统；（c）用于垂直双线系统。
图5-11墙面采暖辐射板的加热管
（a）用于带跨越管的单管系统（b）用于双管系统；
（c）用于垂直双线系统
⑷地面采暖辐射板加热管
如图5-12所示，（a）平行排管式；（b）蛇形排管式；（c）和蛇形盘管式。
加热管可采用铝塑复合管等热塑性管材，埋设部分无接头，避免了渗漏之忧。
图5-12地面采暖辐射板的加热管
（a）平行排管式（b）蛇形排管式（c）蛇形盘管式
埋设方案见图5-13。
图5-13地面采暖辐射板中铝塑复合管的设置
l-面层2-混凝土3-加热管4-锚固卡钉
5-隔热层和防水层6-楼板7-侧面隔热层
与建筑结构结合或贴附的顶面采暖辐射板的加热管与地面采暖辐射板类似。
⑸单体悬挂式金属采暖辐射板加热管
如图5-14所示。
图中尺寸a、b、c分别为辐射板的长度、高度和厚度。
图5-14单体悬挂式辐射板的加热管
（a）加热管为蛇形管，波形辐射屏（b）加热管为排管，平面辐射屏
l-加热管2-辐射屏3-隔热材料
2．辐射采暖系统设计要点
⑴系统型式
热水辐射采暖系统：
上供式或下供式，单管或双管系统。
①窗下辐射板
可采用单管系统、双管系统或双线系统，如图5-11。
②地面辐射板、顶面辐射板、地面-顶面辐射板
应采用双管系统，以利于调节和控制。
a.地面-顶面辐射板
如图5-15所示，采用下供上回式双管系统中的辐射板与管路连接方式。
图5-15下供上回双管系统中的地面-顶面采暖辐射板
1-地面-顶面采暖辐射板2-供水立管3一回水立管
4-关闭调节阀5-放水阀
辐射板1并联于供水立管2和回水立管3之间，可用阀门4独立地关闭，用放水阀5放空和冲洗。
b.墙面采暖辐射板
可按图5-11的型式采用单管、双管或双线系统。
可只在建筑物的个别房间（例如公用建筑的进厅）装设混凝土辐射板。
如安装窗下辐射板，可连到供水管上；如安装顶面、地面辐射板，可连到回水管上。
如图5-16所示。
图5-16地面采暖辐射板与回水干管的连接
l-地面采暖辐射板2-集气罐3-温度计4-阀门
5-回热源的回水干管6-来自采暖系统的回水于管
7-旁通管上的调节阀8-放水阀
3．辐射板水平安装时，其加热管内的水流速不应小于0.25m/s，以便排气。
应设放气阀和放水阀。
4．采暖辐射板作为末端装置，其阻力损失比散热器大得多，且不同辐射板阻力损失差别较大，因此在一个采暖系统中宜采用同类辐射板，否则应有可靠的调节措施及调节性能好的阀门调节流量。
5.3辐射采暖系统的设计计算
5.3.1辐射板的表面温度
混凝土辐射板的表面温度ts与加热管的管径d、管间距s、管子埋设厚度h、混凝土的导热系数λ、热媒温度thm和房间温度tR等有关,即
（5-3）
一般采用铝塑复合管等热塑管，其管径规格为12/16、16/20、20/25（内径/外径）等，在给定
的数值后，辐射板表面温度
。
s越小，h越大，板面温度越均匀，但造价越高。
⑴地面辐射板加热管周围温度分布
地面辐射板在每一加热管周围的混凝土块内温度分布，如图5-17所示，图中实线为等温线，虚线表示热流。
①热流线起始于加热管，终止于辐射板表面。
沿不同的热流方向混凝土的热阻是变化的，使得辐射板表面是不等温面。
②加热管管顶所对应的混凝土表面温度最高，为t0，两相邻加热管之间（距离s/2处）的混凝土表面温度最低，为ts/2。
图5-17两面放热的采暖辐射板中的温度场和板表面温度的变化
1-地面-顶面混凝土辐射板2-加热管3-等温线4-热流线
⑵地面辐射板沿水的流程混凝土表面温度分布
图5-18所示。
图5-18地面采暖辐射板表面温度的变化
（a）平行排管式（b）蛇形排管式（c）蛇形盘管式
图中
--地面表面平均温度的变化范围。
图（a）平行排管式：
用单根管道平排成蛇形，辐射板表面平均温度沿水的流程逐步均匀降低；
图（b）蛇形排管式：
用供水管和回水管并列平排成蛇形，辐射板表面温度在小面积上波动大，平均温度分布较均匀；
图（b）蛇形盘管式：
供水管和回水管并列盘成螺旋形，辐射板表面平均温度也是沿水的流程波动的。
混凝土辐射板表面的平均温度是计算辐射采暖的基本数据，辐射板表面最高允许平均温度应根据卫生要求、人的热舒适性条件和房间的用途来确定。
对不同采暖辐射板，各房间的最高允许平均温度：
✧对地面采暖辐射板
托儿所、幼儿园24℃
住宅24℃
厂房26℃
人员长期停留场所26℃
人员短期停留场所30℃
卫生间31℃
✧对顶面采暖辐射板
层高2.5-2.8m28℃
2.9-3.0m30℃
3.1-3.4m33℃
3.5-6m36℃
✧对墙面采暖辐射板
离地面高度＜1m95℃
l-3.5m45℃
＞3.5m不规定
顶面辐射板温度过高，使人头部不适；地面辐射板温度过高，时间长久之后，人体也会不适。
地面采暖辐射板表面的平均温度还应受地面覆盖层最高允许温度限制。
例如：
镶木地板采用铝塑复合管辐射板时，最高允许温度为27℃。
5.3.2盘管的水力计算
1.铝塑复合管的沿程比摩阻R
式中λ--沿程阻力系数，可由下式计算：
b--水的流动相似系数；
K--管子的当量粗糙度，m；对铝塑管：
K＝1×10-5m；
Rep--实际的雷诺数；
di--铝塑管的内径，m。
热媒温度为80℃时，铝塑管的比摩阻R值可查附录5-1“铝塑管的水力计算表”。
如热媒平均温度不等于80℃时，由附录5-1查出的比摩阻R需用下式进行修正：
（5-8）
式中Rt--热媒在计算温度和流量
下的比摩阻，Pa/m；
R--用
查附录5-1得到的比摩阻，Pa/m；
α--比摩阻修正系数，查表5-1。
比摩阻修正系数
的值表5-1
热媒平均温度（℃）
90
80
70
60
50
40
系数α
0.98
1
1.02
1.05
1.08
1.11
2．管径计算
铝塑管的材质和制造工艺与钢管不同。
在进行水力计算时应考虑管子的管径及壁厚的制造偏差。
用下式来确定管子的计算直径（内径）：
（5-9）
式中de--铝塑管外径，m；
Δde--铝塑管外径的允许误差，m；
s--铝塑管壁厚，m；
Δs--铝塑管壁厚的允许误差，m。
3．局部阻力损失
铝塑管所有的局部阻力系数可由附录5-2确定。
5.3.3地面辐射板供热量的计算
地面采暖辐射板的供热量与热媒的温度、流量，加热管的管径、材质、间距、位置、盘管型式，混凝土的导热系数、厚度，采暖辐射板表面的温度及其分布、背部材料的导热系数、厚度等许多因素有关。
俄罗斯莫斯科卫生工程研究所对铝塑管进行了系统的热工试验，得到了每米长明装铝塑管散热量的试验数据并纳入其设计规范，其结果可见附录5-3、5-4。
1．传热温差
（5-10）
式中
--管道起、终点热媒温度，℃；
--辐射采暖时室内空气的温度，℃。
2．每米长塑料管的散热量
附录5-3是离地l00mm水平明装铝塑管的散热量；附录5-4是垂直明装铝塑管的散热量。
每米长塑料管的散热量根据管径和传热温差Δt，由附录5-3、5-4确定。
3．其他情况下铝塑管采暖辐射板的散热量
⑴当管子明装时的有效散热量取表中数值的90％-100％；
⑵当在天棚下明装水平管道的有效散热量取表中数值的70％-80；
⑶当管子埋于重混凝土（混凝土的密度
≥2000kg/m3、导热系数λ=1.8W/（m·℃）楼板或隔墙中时，有效散热量是表中数值的2倍；
⑷当管子埋于轻混凝土中时，有效散热量是表中数值的1.1-1.15倍。
5.4电热膜辐射采暖
1．定义：
电热膜是一种通电后能发热的、厚度很小（0.24mm）的半透明聚酯薄膜。
2．结构：
由特制的可导电油墨、金属载流条经印刷、热压在两层绝缘聚酯薄膜之间制成的一种特殊的加热产品。
3．功用：
将其布置在建筑结构中可实现辐射采暖。
4．特点：
电热膜辐射采暖具有辐射采暖和电采暖的优点。
没有直接的燃烧排放物，便于控制，运行简便、舒适。
但要消耗高品位的电能，设计不当时运行费用较高。
5．适用范围：
可用在集中供热热源不足、电价低廉的地区，对环保有特殊要求的地方及节能建筑中作为集中供热的辅助和补充采暖型式。
5.4.1电热膜辐射采暖的结构
1．电热膜辐射采暖型式
房间顶面、地面或墙面辐射采暖。
顶面辐射采暖电热膜安装方便，电耗小，室内温度比较均匀，不影响室内设备的布局以及室内设备不影响电热膜散热效果，不易损坏。
因此比地面和墙面电热膜辐射采暖用得多。
2．电热膜的安装结构
电热膜的安装结构有多种，图5-19中为顶面电热膜辐射采暖安装示意图。
图5-19顶面电热膜辐射采暖安装示意图
5.4.2电热膜片数的计算
（5-11）
式中N--电热膜片数；
--房间采暖设计热负荷，W；
q--每一片电热膜的功率，W／片；
k--考虑供暖方式、电压波动等因素的富裕系数，一般取k＝0.2。
5.5辐射供冷
1.辐射供冷系统型式
原则上辐射板可有：
合体式、贴附式和悬挂式。
但目前见得最多的是顶面式辐射板-冷却吊顶。
2．顶面式辐射板-冷却吊顶的特点
①施工安装和维护方便，不影响室内设施布置、不易破坏辐射板和影响其供冷效果。
②冷却吊顶从房间上部供冷，可降低室内垂直温度梯度，避免“上热下冷”现象。
③冷却吊顶无除湿能力，为避免冷却吊顶表面结露，通常与新风（经冷却去湿处理后的室外空气）系统一起应用。
5.5.1冷却吊顶
冷却吊顶又称冷却顶板。
1．传热方式
辐射和自然对流。
两者的传热比例=f（顶板的结构型式,顶板附近的空气流动方式）
当冷辐射面为封闭式时，两者的比例大约为1:
1；
当冷辐射面为开敞式或辐射面上有贯通的气流通道时，对流换热的比例则要大得多，供冷量也较大。
2．冷却顶板的结构型式
如图5-20所示。
⑴一体式
图（a），将冷顶板与水管制成一体，直接形成一顶板单元；
⑵单元式
图（b），通过传热肋片把水管和金属顶板连接起来，形成一吊顶单元；
⑶镶嵌式
图（c），将水管以毛细管的型式镶嵌在吊顶内，组成一安装单元。
其中（a）、（b）两种结构型式最为常见。
图5-20冷却顶板的结构型式
（a）一体式（b）单元式（c）镶嵌式
图5-21为对流式冷却顶板的单元。
铜管3用弯头4串联成盘管，靠压力与一组有一定倾角的翅片1的一边紧密结合，由Z形支架连接构成一冷却顶板的单元。
对流式冷却顶板的换热量中对流约占80％，辐射约占20％；最大供冷量可达230W/m2。
图5-21对流式冷却顶板单元
1-翅片2-Z形支架3-铜管4-铜管弯头
5.5.2冷却吊顶的水系统
当新风系统由冷水机组提供冷量时，必须同时考虑冷却吊顶系统和新风系统对水系统的不同要求。
⑴供水温度
为避免冷却吊顶表面结露，冷却吊顶供水温度要求较高；为除湿，新风系统供水温度要求较低。
冷却吊顶的表面温度应比室内的露点温度高l-2℃，供水温度需根据冷却吊顶的结构型式与室内的设计参数来确定。
一般情况下，冷却吊顶的供水温度可定在14-18℃之间。
实际设计中，多采用16℃。
新风系统的供水温度为6-7℃。
⑵供、回水温差
一般来说，冷却吊顶供、回水温差为2℃，而新风系统的供、回水温差为5℃。
⑶系统型式
①冷水机组供冷和冷却塔供冷相结合的水系统
如图5-22所示。
冷水机组（由2和3构成）制备6-7℃的冷冻水，经分水器一路供新风系统使用；一路在经水-水板式换热器4加热到较高温度（如16℃）供冷却吊顶系统使用。
当室外温度适宜时，可停止使用6-7℃的冷冻水，而利用冷却塔8进行自然供冷。
由于采用开式冷却塔，冷却水易被污染。
因此，让冷却水通过板式换热器来提供冷却吊顶1用的冷水。
由图可见，实际上冷却吊顶的冷水系统是独立的。
它的供水温度可通过控制流经板式换热器的冷冻水（或冷却水）的流量来调节。
冷却吊顶的供冷量通过电动阀11控制（开或关）冷媒流量来调节。
优点：
可利用冷却塔提供的冷却水的自然冷量。
图5-22冷水机组供冷和冷却塔供冷相结合的冷却吊顶水系统图
l-冷却吊顶2-冷水机组蒸发器3-冷水机组冷凝器
4-水-水板式换热器5-冷冻水循环水泵6-冷却水循环水泵
7-冷却吊顶系统冷媒循环水泵8-开式冷却塔9-膨胀水箱
10-压差调节阀11-电动阀
②混合法制备冷却吊顶冷媒的水系统
如图5-23所示。
冷水机组2提供6-7℃的冷冻水。
其中一路供新风系统；另一路供冷却吊顶1的水系统，其供水温度由三通电动调节阀8调节6-7℃的冷冻水与冷却吊顶的回水的混合比来实现。
冷却吊顶的供冷量由水路上的电动阀7控制（开或关）。
图5-23用混合法制备冷却吊顶冷媒的水系统图
1-冷却吊顶2-冷水机组3-冷水机组循环水泵
4-新风系统循环水泵-5一冷却吊顶系统循环水泵
6-膨胀水箱7-电动阀8-三通电动调节阀
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