低温热水地板辐射采暖系统的发展概况ingWord文档下载推荐.docx
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约在上个世纪70年代末至80年代初，韩国从欧洲引进了PE-X管材的挤出工艺制造技术，开始以PE-X管逐渐取代铜管（这并非因为铜管不适于地板采暖，从其耐热、机械强度、抗腐蚀等性能方面，铜管均优于塑料管，主要从节约铜资源和能源的角度考虑而取代之）。
相继于80年代末至90年代初，在引进了PP-B、PP-R管材制造技术后，又逐渐以PP-B（在韩国称PP-C）管取代PE-X管，用于大面积新建的楼宇民宅。
从80年代起，中国东北的吉林延边鲜族聚居的地区，逐渐推广应用了这种直埋式的地板辐射的采暖方式。
由于它的舒适、节能、节约空间等优良特性，从最初的东北地区逐渐发展到全国的三北地区、黄河两岸。
用于该采暖系统的热水承压管材，从最初的PP-B（当初称为PP-C），发展到现在的PP-R、PE-X、交联PE铝塑复合管、PB、PE-RT管。
而其中的PE-X管材，由硅烷交联聚乙烯（PE-Xb）挤出工艺，又延伸至过氧化物交联聚乙烯（PE-Xa）柱塞式工艺。
当前，犹如春秋战国时期的多国混战，已形成多种管材，相互激烈竞争的局面。
其中PE-X特别是PE-Xa，由于种种原因，在当前地板采暖系统应用中，大有一统天下诸侯之势！
以史为鉴，回顾这虽然十分短暂的地板采暖应用的历史，总会给我们带来些许有益的昭示。
二、低温热水地板采暖系统管材的选用依据
对于上述在地板采暖工程上相互激烈竞争的种种管材，究竟应依据什么原则去合理选用？
笔者认为应确立如下理念和选用原则：
1、应确立“两个第一的设计理念”，才能科学合理地选用地板采暖系统管材
历来，任何一个工程的设计，都必须首先考虑满足工程的安全使用要求，这是“安全第一”的原则；
在保证安全使用的前提下，“经济适用第一”就是又一个必须保证的。
众所周知，过多的能量储备，过好材料的选用，对工程固然是安全的，但却会造成资源、经济等诸多方面的浪费。
在保证安全使用的前提下，少花钱是不会有人反对的，关键在“适用”。
如对于“直埋式”的地板采暖系统而言，是否具有“可维修性”，是衡量其“适用性”的最重要的标志！
直埋式的地板采暖系统不可能是“一次性”的，若盘管一旦漏损了就丢弃不用，这将是不可想象的！
无疑，它必须是可维护可修复！
两个第一的设计理念，是历来工程设计人员指导自己完成一个科学的、合理的、优质的
工程设计所必须遵循的原则。
对于地板采暖系统设计，概莫例外。
2、许用设计应力σD是地板采暖工程选材中“安全第一”的设计核心
对于压力管道系统设计而言，使管道系统具有足够的强度，保证需求的流量，实现合的布局，这是压力管道系统设计中的三个基本方面。
其中，系统的强度设计就是要满足系统“安全第一”的设计要求。
为展开下一步的讨论，必须要首先弄清“设计（或工作）压力PD”和“许用设计应力σD”这二个既有联系又有区别的概念。
从物理学角度看，任何物体内部都存在分子间或质点间的作用力（内力），不同质物体的内力各不相同，因而其承受外力的能力各不相同。
当受外力作用时，在物体内引发应力，它随外力增大而增大，当其增大到或超过物体本身固有的内力时，物体便会发生破坏。
在工程中，为保证构件安全工作，要求构件在小于其本身固有的内力一个数值下工作，即考虑一个安全系数，这就产生了“许用应力”这个概念。
对于冷热水承压管道系统而言，由于管道内水的工作压力PD，在压力管道管壁中产生的内应力，有轴向应力、环向应力和径向应力。
由于轴向应力仅为环向应力的二分之一，径向应力更小。
因此，在强度设计中只需计算和校核环向应力。
在国际或国家标准中出现的设计应力“σD”，即是压力管道壁中的环应力。
可见，设计压力PD是外部施加的外力，σD是材料本身固有的允许使用能力上限值。
PD在承压的管壁内部引发的应力σ，不得大于材料本身具有的能力限度σD，可示意为：
PD
σ≤σD
这就是PD同σD的关联与区别。
在国际标准中，根据该类管材料的预测强度参照曲线方程及其总体使用系数，以50年寿命为前提，按照Miner规则计算得出的各使用类别条件下的不同管材的设计应力σD,如下表：
表1各种管材在不同使用级别下的许用设计环应力（σD）
只要管道内工作压力引起的管壁中的环应力值小于或等于这σD，该管道系统就可安全工作50年以上。
因此，校核管道系统工作压力能否满足σD的要求，是管道系统强度设计的核心！
尽管稍具材料力学知识的人，对于上述过程和许用应力参数的含义，已熟悉得如数家珍。
但在当前塑料管道系统的设计应用中，确实存在忽视这许用应力σD在工程设计中的重要意义，忽视了这个制定选材保证使用寿命50年的核心依据，而常常只凭空地按公称压力PN、或管系列S来选择管材的普遍现象。
为消除这些设计应用中存在的盲目性，重温上述许用设计应力σD的产生过程是必要的。
管道系统强度设计的过程，即是按所用管材材料的许用设计应力σD，对系统管道的壁厚进行强度校核的过程。
3、管道系统静液压ISO方程，是管道系统依照许用设计应力σD进行强设计的理论依据国际标准化组织采纳并推荐用于表示塑料管壁内环向应力，管内工作压力及管材的直径与壁厚之间关系的方程，称之为ISO方程。
对于PP管道系统设计，一般采用如下形式：
PD
=
2σD
en
dn-en
或
σD
dn-en
2en
式中的
dn-en=Scal（计算管值）
2en
由于σD为许用设计应力，为允许使用的最大设计应力值，故其计算管级Scal为最大计算管值，即Scal.max于是：
=Scal.max
国际标准ISO/DIS15874-2的附录A，给出了利用这一公式的方法，即选取对应于使用等级下的许用设计应力σD和所选用的设计压力PD，来计算和选取最小壁厚emin。
由它们确定下来的管材最小壁厚，即可满足50年的使用寿命要求。
为应用方便，我们可将上述关系式作成“最大计算管值Scal.max和许用管系列S的选择”表。
4、地板采暖系统必须具备可维修性
多年来，实际使用的大量经验证明，无论是“卡套式”还是“卡压式金属制管接头，用于塑料管道的连接，必漏无疑！
只是发生漏泄的时间长短有别而已。
目前，在我国大量推广应用的直埋式的地板采暖系统，一旦加热盘管发生漏泄，怎么办？
如果采用的管材不具备可熔焊连接的特性，那就必须将整个盘管系统的管材全部换新，这对于已埋设完毕或已投入使用的地板采暖系统，要做全部换新处理，这简直是难以想象的！
在韩国，大量应用PE-X管材做地板采暖的时期，在万一遇到加热盘管漏泄情况时，往往都不得已将地板采暖系统废弃不用，而另设采暖设备。
这也正是韩国于90年代中期以来，在地板采暖系统应用中，以PP-B管材逐渐取代PE-X管材的重要原因。
三、依据“两个第一的设计理念”审视各类管材在我国地板采暖系统中的应用
（1）
聚丁烯PB（Polybutylenes）管材
PB管材具有做地板采暖管的最良好的物理和机械性能，从上述“表1各种管材在不同使用级别下的许用设计环应力（σD）”中可以看出，PB管材在不同使用类别下的许用设计环应力值最高，其长期抗静液压性能最佳。
另外，其弯曲弹性模量很低（E：
270MPa），质地非常柔软，易弯曲铺设，且可热熔联接，是地板采暖最理想用管。
但因其原料来源太少（据悉，目前仅有日本的三井化工和美国的壳牌公司可以生产），价格昂贵，约为PP管材的三倍左右。
故，目前仅在美、日等发达国家比较流行，在我国一般民居工程上很少采用。
（2）PE-X交联聚乙烯管材
用硅烷法生产的三维交联的PE-X管材，亦有非常好的物理与机械性能。
从上述表1中可看出，其长期抗静液压能力，仅次于PB，高于PP-B和PP-R。
另外，其弯曲弹性模量也较低（E：
850MPa），质地亦较柔软，较易弯曲铺设，短期物理性能亦较好。
但它不能熔焊连接，必须用金属卡套式或卡箍式（一次性）连接，在冷热循环作用下，易渗漏，这是其突出的弱点。
但由于舆论导向的推动，且其价格与PP-R管相近，故目前的应用很广泛。
目前，在我国大量应用PE-X管材作地板采暖系统的工程中，确已频频遇到PE-X加热盘管意外漏泄的情况。
据悉，对此常常采取的办法是，将漏管部份扒出切掉，用金属管接头或用热收缩套管接上一段新管，然后再重埋设于水泥砂浆层中。
显然，这种处理方式对工程质量必然留下隐患！
确已有人考虑到，若将金属管接头直埋于水泥找平层中，肯定会造成漏泄，故而将联接后的金属接头处留空不埋，上覆一活动盖板，以备金属接头漏泄时，方便于再次紧固除漏。
此举，若在室内隐蔽处，尚且勉强，但这种权益之计，是绝对不符合工程质量要求的。
鉴于PE-X管材由于其不可熔焊联接，加之目前所有的金属接头都无法避免漏泄的这一弱点，在没有彻底解决好“可维修性”问题之前，PE-X管材自身的性能不论再如何优越，也不适用用于直埋式地板采暖工程。
于2004年10月1日正式发布实施的国家行业标准《地面辐射供暖技术规程》J365-2004中，第“5.3.5”条规定：
“施工验收后,发现加热管损坏，需要增设接头时，应先报建设单位或监理工程师，提出书面补救方案，经批准后方可实施。
增设接头时，应根据加热管的材质，采用热熔或电熔插接式连接，或卡套式、卡压试铜制管接头连接，并应做好密封。
铜管宜采用机械连接或焊接连接。
”不知这一条是据何而定？
！
会引发什么样的后果？
（3）交联PE铝塑复合管
交联PE铝塑复合管确是一种性能非常优秀的新型管材。
但由于和PE-X管存在同样的连接密封问题，在地板采暖工程应用中，不具备可维修性。
另外，其热熔胶的寿命能否具有50年的使用寿命？
尚无定论。
因此，它能否适于做“直埋式”地板采暖用管，是值得探讨的。
（4）
PE-RT（PolyethleneWithRaisedTemperatureresistance）
PE-RT管材是近年来才涌现出的一种耐热聚乙烯管，它是由乙烯单体和1-辛烯单体共聚而成。
其长分子链之间及长支链间相互无序缠绕，形成立体网状结构。
因而，其热稳定性、长期抗液压强度、抗慢速裂纹增长（SCG）等性能，都比较良好。
其弯曲弹性模量同PE-X管材相近，亦易弯曲铺设，且可熔焊连接。
故在地板采暖工程中也开始得到一定的应用。
但其原料价位比PP-B和PP-R（韩国原料）高出许多，约为PP-R（韩国产原料）的1.4倍左右。
且由于其热熔焊接时的热熔温度区域较窄，又易粘附加热模具，加之其导热系数较高（0.4），焊接质量不易控制。
因此，PE-RT管材在目前的应用还比较少。
但据业内资深人士称，只要调控好熔焊温度，其焊接质量还是可以得到控制的，认为PE-RT管材今后还是会得到愈来愈广泛应用的。
（5）PP-B和PP-R管材
PP-B和PP-R管材均有较好的物理机械性能。
它们的长期抗静液压能力，虽然较低于PB和PE-X（硅烷法），特别是PP-B更低一些。
但对于地板采暖工程，按国家标准GB/T18742-2002的规定和实际工程要求，经过强度校核后会发现，它们的长期抗静液压能力，完全可以满足低温热水地板采暖工程的要求。
它们的弯曲弹性模量分别为：
PP-B
1100MPa、PP-R
850MMPa。
其中，PP-R管材同PE-X、PE-RT相近；
PP-B管相对较高些，铺设弯管时，在冬季需采取一些热风加热等辅助措施。
它们原料来源丰富，价格亦比PB、PE-RT、PE-X等低廉。
其管材产品的生产工艺简单，质量容易控制，无环境污染。
特别是由于PP-B和PP-R管材具有人所共知的可熔焊连接的优异特性，焊接质量又容易控制。
因而，PP-B、PP-R做加热盘管系统，具有更良好的可维修性。
故而，它们都是直埋式地板采暖系统可优先选择的全面满足“安全”和“经济适用”要求的管材。
有人认为：
焊接质量不好也会造成漏泄，所以，焊接也不可行！
古人早已告诫人们：
不能“因噎废食”。
经过努力即可实现的事，同无论如何努力都无法实现的事，二者是有本质区别的。
我们只要严格控制焊接过程中均可做得到的各个环节（此中包括焊接器具的性能、管接头的质量及正确的焊接工艺），焊接质量就一定会得到保证！
相反，到目前为止，所有的金属接头，无论其质量如何良好，却都无法杜绝其使用过程中的漏泄！
这是众所周知的事实。
我们不能以假定焊接质量不好也可能造成漏泄为由，去否定经过努力可以做到的事，这应是我们的共识。
四、PP-B和PP-R管材在我国地板采暖工程中的应用前景
目前，人们已经熟知，PP-R耐高温性能优于PP-B，而PP-B的低温抗冲击性能高于PP-R，它们互补使用，可以满足当前地板采暖工程的全部要求。
至于，在PP-B、PP-R二种管材中，如何具体进行选择使用，可根据工程实际情况，仍可遵循以上设计原则进行。
首先，按照国家标准GB/T18742-2002中“使用级别4”的规定，根据长期工作温度℃和实际使用工作压力，选择满足使用寿命50年的管系列S的管材。
此中：
PP-B与PP-R的许用设计环应力σD分别为1.95MPa和3.30MPa。
根据PD＝σD/S，计算结果分别为：
若选用S5管级
PP-B管可在工作压力PD为0.40MPa以下长期工作，使用寿命50年；
PP-R管可在工作压力PD为
0.66MPa以下长期工作，使用寿命50年。
若选用S4管级
PP-B管可在工作压力PD为0.49MPa以下长期工作，使用寿命50年；
PP-R管可在工作压力PD为0.83MPa以下长期工作，使用寿命50年。
但考虑到如下因素：
当环境温度低于10℃时，在运输或施工过程中，PP-R管材易脆裂，常常造成管材破裂的隐患，这已经是众所周知的事实；
而PP-B管材在0～10℃之间时，却仍具有较为良好的抗冲击性能，不易脆裂，且原料价格又比PP-R便宜许多。
因此，当地板采暖系统的长期工作压力＜0.5MPa时，选用S5或S4管级PP-B管材更符合“经济适用”的原则。
如果地板采暖系统的长期工作压力＞0.5MPa时，则必须选用PP-R管材。
根据国家暖通设计规范，高层建筑超过50米即要分区。
因此,即使在高层建筑或在集中供热高低建筑混合供热地区，地板加热盘管中的最高工作压力亦不会超过0.6MPa。
而对于10~12层小高层以下的居民生活区，其最高工作压力一般都不超过0.4MPa。
由此可见，PP-B、PP-R管的长期抗静液压能力，虽然不及PB、PE-X，但PP-B、PP-R二种管材互补使用，已可满足所有建筑物地板采暖系统的使用要求，符合“安全第一”的原则。
但在选用PP-B管材时，要注意对PP-B承压管材专用料的鉴别，并不是所有的PP-B原料都可制作冷热水用承压管材。
目前，北欧化工公司在中国市场推出的BA202E和BA212E二种牌号的PP-B原料，均为制造非承压管专用料，一般为排水用的双壁波纹管用料。
而韩国各大公司在中国市场推出的PP-B承压管材专用料中，目前，也仅有LG公司推出的牌号为M910的PP-B原料所生产的管材，在中国国家级检测机构通过了8760小时的热稳定性试验，其它国内外品牌的PP-B，原料尚待进一步考核。
值得我们欣喜的是，北京燕化石油化工股份有限公司通过共聚装置生产的型号为“PPR4220”PP-R冷热水用承压管道专用料，经过多年的努力，该产品的性能质量已完全达到了国际标准ISO/DIS15874和国家标准GB/T18742的要求，并于2004年5月通过了“国家化学建筑材料测试中心”的检测。
为PP管道专用料的国产化开辟了道路，为全面提升国产PP管道专用料的性能品质打下了良好的基础。
我们期待着北京燕化在其PP-B产品的性能上，也能早日有个良好的突破。
争取在一切领域中的软硬件技术赶超世界科技发展水平，是一百多年来我国全民族一代又一代为之努力奋斗的目标。
PPR4220PP-R承压管材专用料能够达到国际和国家标准标要求，实现PP-R承压管材专用料的国产化，这无疑是我们塑料管材行业的一大福音！
五、混合阀调温技术在地板采暖系统中的应用
请注意，上述选择是基于长期工作温度为60℃的条件下考虑的。
有人问，如果长期工作温度为70℃或80℃时怎么办？
实际上，对于地板采暖系统而言，60℃的水温就足够高了！
完全可满足我国北方高寒地区的采暖需要，这也正是低温热水地板辐射采暖的优势之一。
但在老城区中推广应用，确常遇到长期工作温度为70℃或80℃的情况，则必须解决降低供水温度的技术。
众所周知，城市集中供热主要源自原苏联传入的采暖方式，另由于我国的能源至今仍以燃煤为主，采取城市集中供热，宜于环保，节约能源，易于管理。
一般采取热电厂直接供热到户，或通过二级供热站转换后到户供热。
采暖热水温度一般在75～85℃上下。
因此，在城市集中供热条件下，发展地板采暖，难免会造成散热器采暖和地板采暖混合供热的局面。
特别是老城区旧采暖系统个别穿插改造时，更难避免二种采暖方式混用的状况。
由于地板采暖热水最高不能超过60℃，因为供暖水温若高于60℃，一则会造成室内温度过高，不适宜人居；
另一方面，会影响地板采暖水塑料盘管的安全运行。
在有条件的地区，可通过换热站将75～85℃较高温度的水转换为60℃以下的低温热水，而在不具备条件或不易设换热站的混合供热区，可通过地板供热回水来调整供水温度的“混合阀调温系统”来实现。
混合阀调温系统有意大利等国的进口组合，制作精巧，耐用，但价格稍高。
现已有国产混合阀系统组合，价格仅为进口组合的一半左右，据悉，使用情况也较良好。
在我国三北地区的许多地方，已成功地应用了这一技术，可将供水温度调整到60℃以下任一需要的温度。
这种混合阀调温系统，为在我国城市集中供热条件下，实现对旧的采暖系统穿插改造提供了条件。
无疑，这将对低温热水地板辐射采暖系统的发展，起到很大的推动作用。
也给PP-B、PP-R管材的应用，创造了更为安全宽松的工作条件。
六、结束语
《益寿文摘》刊登的《寒头暖足胜吃药》一文（详见附录B），告诉了人们在我国数千年前医书《脉法》中，即已提出“寒头暖足”是养生保健的这一客观的医理。
而低温热水地板采暖系统所提供的人居采暖环境，恰恰符合这一医理要求。
“假如只有一次选择，我选择健康”，可以预见这低温热水地板采暖系统，作为一种节能环保、有益健康长寿的采暖方式，必将是人们愈来愈加喜欢的选择。
近几年来，低温热水地板采暖系统在中国三北地区广泛推广应用的结果，已雄辩地证明了它的可行性和生命力！
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