地板辐射供热技术

第三节　地板辐射供热技术

一、地板辐射供热技术

1.概述

地板辐射供热以一定温度的热水作为热源，在埋置于地板下的盘管系统内循环流动，加热整个地板，通过地面均匀地向室内辐射散热的一种供暖方式。这种供热方式热舒适性高、节能效果良好，而且占地面积小、管理方便、无污染，在欧美、日韩都已获得了广泛应用。

地板辐射供暖发源于欧美，早在罗马帝国时期，人们开始将温泉引入地下管槽以及燃气壁挂炉，在大理石地面下循环发热取暖。其中公元前80年著名的古罗马浴室中地板辐射供暖以“火地”的形式出现，我国东北地区沿用至今的火炕也是应用了地板辐射供暖的原理。

早在20世纪30年代初，地板辐射供热技术就被西欧发达国家所采用，大量实践证明它比普通散热器供热更舒适、更节能，著名的美国建筑设计大师莱特先生在其设计的大量作品中采用了地板辐射供暖，极大地推动了地板采暖的应用，但由于当时只能采用铜管作为加热盘管，不仅价格高昂，而且腐蚀渗漏导致的维护成本较高，致使地板辐射供暖的应用受到了很大的限制。

直到20世纪60年代末，抗老化、耐高温、耐高压、易弯曲、热稳定性好的塑料管材进入取代了旧的金属管材，其成本低、不易漏、地面下埋管无接口、管内壁不易结垢、膨胀系数小等优点为低温地板辐射供热提供了可靠的材料保证，极大地促进了地板辐射供暖技术的推广和应用。随着社会节能减排意识的提升和人们生活水平的提高，特别是独立供热、分户计量等相关政策的出台，地板辐射供热显示了其巨大的优越性和旺盛的生命力，开始广泛应用于餐饮业、购物中心、体育场馆等公共建筑，并普及到个人住宅、商业高级住宅，并将成为未来主要的采暖方式。

2.特点

(1)优势。

1)热舒适性好。中医认为“热从头生，寒从足入”。当外界变冷时，人体机能自动调节，手脚血液会回流以保持内脏器官所需的温度。此时离内脏器官较远的脚部血管收缩，血液回流受阻，导致全身血液循环不顺畅，这样人的全身都会感到寒冷。英国学者Stoneman HG经过研究，分别给出了理想的人体温度梯度曲线图、强迫对流供暖曲线、自然对流供暖曲线和地板辐射供暖曲线，见图4－3。从图上可以看出:理想的人体舒适温度垂直方向的分布应该是头部、胸部比足部略低一些，其中地板辐射供暖曲线与之最为吻合，能够形成头部温度较低脚部温度较高的微气候，从而达到脚暖头凉的最理想舒适感。这种环境还可以避免犯困，有利于增强记忆力、提高学习和工作效率。

地板辐射供暖由远红外线辐射承担大部分供热任务，较少依赖室内空气对流散热，因为空气流动速度低，一般不高于0.2m/s，可避免室内燥热、皮肤失水、口干舌燥、室内扬尘等不适，因而也有助于提升人体的热舒适性。

2)节能高效、使用寿命长。地板辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度内。达到相同的热舒适条件，采用地板辐射供热比一般对流供热设计温度低2～3℃，因而可以减少围护结构的无效耗热量，总耗热量可减少10%～30%。地板辐射供热系统可以利用热网回水、余热水，也可以利用太阳能、风能、地热能等自然能源，因此减小了供热能耗。并且热媒低温传送，在传送过程中热量损失小，热效率高。

低温热水地板采暖，塑料管埋入地面的混凝土内，管内水温不高，水流速度平稳，无水击现象，一般安装有安全排气装置，不会对系统产生破坏力。管的内壁光滑，不易结垢，运行安全可靠，如无人为破坏，使用寿命在50年以上，不腐蚀、不结垢，大大减少了暖气片跑、冒、滴、漏，维护管理只需每年对分水器进行维修保养，维护管理费用低。

3)应用范围广、增加使用面积。地板辐射供暖可广泛用于住宅、公共建筑、以及其他方法无法送暖的地方例如公路上融雪、动植物温棚等地方，具有很好的经济效益和社会效益。

图4－3　不同供热形式下的温度梯度

注: t℃=

地板辐射供暖取消了地面上散热器及其支管，增加了室内使用面积，且有利于室内建筑装修和家具布置，有助于改善居住环境，提高生活质量。

4)热稳定性好，方便计价收费。地板辐射供暖从地板向上传导，减少了墙体四周围护结构的无效耗热量，温度分布均匀，热稳定性好。且由于地面层及混凝土层蓄热量大，因此在间歇供热的情况下，室内温度变化缓慢，热稳定性好。

地板辐射供暖有地面保温层，减少了户间传递，有利于实现分户热计量。地暖供回水为双管系统，如采用分户计量，只需在分水器前加装热计量表和温度计，室内温度根据需要可自行调节，更进一步提高室内的热稳定性和热舒适性，符合按耗热量收费的社会大趋势，并解决长期以来取暖收费难的问题。

5)隔声效果好。目前我国楼板一般选用预制板或现浇板，其隔音效果极差。地板辐射供暖增加了保温层，具有良好的隔声效果，形成一个噪声缓冲区，减少声音的传射，从而形成良好的声环境，有助于增加了住宅的私密性。

(2)劣势。①热媒流量大、维修难度高。因热媒温差较小，传递相同的热量需要较大的流量，致使地板辐射供暖的热媒输送管道较散热器供热系统，约增大一倍。热媒管网直埋在混凝土地面里，万一发生损坏、渗漏现象，难于维修，造成的损失也比较大，必须由专业人员、专业设备查漏修复。虽然这种现象出现的可能性很小，但也无法完全排除。②需空间高度、对地面有影响。地板辐射供暖需占用空间高度至少60～80mm，与不设置辐射供热的室内其他空间形成高差，需增加地面荷载约120kg/m²，地暖由底板向上散热，容易引起填充层、找平层混凝土收缩，产生温度应力，导致地面产生轻微裂缝。

3.分类

地板供热现在主要有两种做法:热水系统地板辐射供热和发热电缆地板辐射供热。

(1)热水系统地板辐射供热。目前热水系统地板辐射供热应用最为广泛，它可以分为埋管式与组合式两大类型。

埋管式也称湿式，在塑料埋管上铺设一层豆石砂浆，再在豆石砂浆上部做找平层及装饰层，需要在现场进行铺设绝热层、敷设并固定加热管、浇灌混凝土填充层等全部工序，结构见图4－4。埋管式是目前水暖型地暖最为成熟的安装工艺，价格也比较低廉，是国内地暖市场的主导工艺。浇灌的混凝土不仅起到保护、固定水暖管道的作用，还是传递热量的主要渠道。混凝土层能够使热量均匀分部，减少出现局部过热或过冷的情况。

图4－4　埋管式地板辐射供热示意图

组合式也称干式，它的构造特点是不需混凝土填充层，所以没有湿作业。常见形式如图4－5和图4－6所示。干式安装不再使用混凝土豆石层固定水暖管道，而是采用特制的塑料模板，将管道卡在模板的凸起中，铺设非常方便。而地板则直接铺设在塑料模板上，热水通过空气和模板将热量传导到地板，再由地板加热空。

图4－5　加热管敷在衬板中

图4－6　加热管敷在衬板下

相对于埋管式安装工艺，组合式安装具有以下优点:①采用该模块铺设的地暖系统，在使用中万一管路有破损，可以很方便地对管路进行维修。②无需管卡，扎带及钢网的施工步骤，大大简化了施工难度，同时由于无需水泥养护期，施工时间也从可以缩短3/4以上。③模块和管材均属塑料，热胀冷缩系数相近，解决了管道受热膨胀导致管道破裂和水泥整平层开裂的问题。④由于省去了水泥豆石层，同时龙骨层和地暖层同处一个平面，整个地暖层厚度只有4.5～5cm高(包含2cm的保温层)，减少了对有效层高的占用。相比之下，如果湿式安装，同时要铺设龙骨的话，水泥豆石层一般为10cm，上面再铺龙骨3cm，总共需要占用13cm左右的高度。⑤干式安装法可以很方便地适用于有龙骨和无龙骨铺设，可直接在模块上铺设木质地板装饰层，并适用于铺设蓄热体(如保温砂)。⑥可以通过选装具有远红外线和磁疗的保健功能的模块，达到保健目的。这种模块在生产过程中添加了能够产生远红外和磁场的颗粒。⑦模块本身就是塑料轻体材料，又无需水泥和豆石整平层，节省了材料、运输费用和人工费用，并减少了楼层负荷。干式安装的限制除了价格稍高外，还有不能安装在地砖、大理石等地面材料下，因为这些材料在铺设时必须使用水泥进行固定。所以干式安装通常不能用在卫生间、厨房间。另外，由于干式安装法在国内起步不久，安装数量相对湿式较少，是否适合国内的气候环境及家庭装修材料状况还需经受更多的时间的检验。

(2)发热电缆地板辐射供热。发热电缆地板辐射供热系统是以电力为能源，发热电缆为发热体，将近100%的电能转换为热能。该系统由发热电缆和温控器两部分组成，发热电缆铺设于地面中，温控器安装在墙上，当室温低于温控器设定的温度时，温控器接通电源，发热电缆通电后开始发热升温，发出的热量被覆盖着的水泥层吸收，然后均匀加热室内空气，还有一部分热量以远红外线辐射的方式直接释放到室内，保持室内最佳舒适温度。由于电能属于高品位的能源，将高品位的电能直接用于转换为低品位的热能，进行供暖或空调，不仅热效率低，而且运行费用也高，一般来说是不合适的。因此发热电缆地板辐射供热的应用受到了严格限制。

4.主要构造层作用

(1)绝热层。绝热层可以减少通过地(楼)板及墙壁的传热损失，比较理想的材料是热导率小、抗压强度大的挤塑板，如挤塑聚苯乙烯板或聚氨酯现场发泡。但由于价格偏高，国内很少应用。目前大多数采用模塑聚苯乙烯饱沫塑料板(EPS板)作为绝热层。EPS板的表面强度很差，当采用塑料卡固定加热管时，由于对固定卡子的抓力不足，很难有效地固定加热管。因此必须在EPS板的表面上复合一层夹筋镀铝膜层来增强EPS板的表面强度。

当采用其他固定方式时，如将加热管以尼龙扎带捆扎在钢丝网上时，为了降低初投资，可以不加复合镀铝膜层。

对于如办公楼、旅馆、酒店、幼儿园、候车厅、展厅等不进行分户热计量时的建筑，相邻楼层之间的地面可不设置绝热层，但其楼板应按双向散热进行设计。

(2)填充层。填充层的主要作用:一是埋置加热管与保护加热管，二是增大蓄热与均衡地板表面的传热。作为填充层的材料，应该具有以下特性:一定的强度和刚度，保证能承受地面设计荷载，传热性能好，导热系数大，施工方便，价格便宜。

填充层厚度不仅直接影响建筑层高，而且还影响到结构荷载和初投资。实践证明:当地面较平整时，有40mm厚填充层就可以满足要求。为安全计，填充层的推荐厚度为50mm。

当地面的设计荷载较大，或需要有车辆通行时，应在加热管上部的填充层里加一层钢丝网，丝径、网孔大小等由土建专业配合确定。

(3)附加导热装置。在加热管上镶嵌金属薄板作为附加导热装置，可以有效地增加地面的散热量。国外常见的做法是在绝热板上按不同管间距要求，预制好“U”形凹搭，同时将薄铝板(薄铝板的宽度一般小于或等于管间距)加工成“Ω”形并与加热管一起压入绝热板的“U”形槽内，形成类似翅片状的附加导热装置。附加导热装置上部，可以直接铺设面层，不应再做填充层，所以特别适用于以木地板为面层的场合。

二、地板辐射供热技术要点

1.热负荷的确定

在辐射供暖时，辐射传热和对流传热交织在一起，很难精确地计算围护结构的耗热量。因此，至今国内外大都采用近似方法来估算供暖负荷，常用的有以下两种方法。

(1)修正系数法。建筑耗热量完全按对流供暖时相同的方法进行计算，然后对计算得出的总耗热量q_c乘以一个修正系教，即可得出辐射供暖时的热负荷q_τ。

其中: a——修正系数，辐射供暖系统建议采用0.9，中温和高温辐射供暖，建议采用0.8;

q_c——对流供暖时的热负荷。

(2)降低室温法。热负荷计算仍按对流供热时一样进行，但在室内供暖计算温度比对流供暖要低。通常，在低温辐射供暖时建议低2℃，中温和高温辐射供暖，建议低3℃。

2.施工流程

地板辐射供暖的施工一般可以分为如下流程:施工准备→固定分、集水器→铺设保温层和地板辐射供暖反射膜→铺设埋地管材→设置过门伸缩缝→中间验收(一次水压试验)→回填细石混凝土层→完工验收(二次水压试验)，下面进行详细介绍。

(1)施工准备。材料要求。①供暖系统共用同一集中热源水系统，且其他供暖系统采用钢制散热器等易腐蚀构件时，管材宜有阻氧层，以有效防止渗入氧而加速对系统的氧化腐蚀。②管件与螺纹连接部分配件的本体材料，应为锻造黄铜。使用PP－R管作为加热管时，与PP－R管直接接触的连接件表面应镀镍。管件的外观应完整、无缺损、无变形、无开裂。管件的物理力学性能，应符合规范规定的要求。管件的螺纹应完整，并符合国家标准《非螺纹密封的管螺纹》(GB/T 7307)的规定。③绝热板材宜采用聚苯乙烯泡沫塑料，其密度、导热系数、压缩应力、吸水率、氧指数均应满足相关要求。为增强绝热板材的整体强度，并便于安装和固定加热管，对绝热板材表面可分别作如下处理:有真空镀铝聚酯薄膜面层、敷有玻璃布基铝箔面层或铺设低碳钢丝网。④作业时，要求设计图纸及其他技术文件齐全，施工组织设计或施工方案经过批准，安装各专业人员认真熟悉图纸及相关标准图集并详细绘制出各类管线位置、标高的交叉草图。

(2)固定分、集水器。地板辐射供暖施工前，楼地面找平层应检验完毕。分集水器用膨胀螺栓水平固定在墙面上，安装要牢固。

(3)铺设保温层和地板辐射供暖反射膜。①用乳胶将边角保温板沿墙粘贴，要求粘贴平整，搭接严密。②在找平层上铺设保温层(如2cm厚聚苯保温板、保温卷材或进口保温膜等)，板缝处用胶粘贴牢固，在地暖保温层上铺设铝箔纸或粘一层带坐标分格线的复合镀铝聚酯膜，保温层要铺设平整。③在铝箔纸上铺设一层钢丝网，间距和规格符合要求，铺设要严整严密，钢网间用扎带捆扎，不平或翘曲的部位用钢钉固定在楼板上。设置防水层的房间如卫生间、厨房等固定钢丝网时不允许打钉，管材或钢网翘曲时应采取措施防止管材露出砼表面。

(4)铺设埋地管材。①按地板辐射供暖设计要求间距将加热管(PEX－A管)，用塑料管卡将管子固定在苯板上，固定点的间距，弯头处间距不大于300mm，直线段间距不大于600mm，大于90°的弯曲管段的两端和中点均应固定。管子弯曲半径不宜小于管外径的8倍。安装过程中要防止管道被污染，每回路加热管铺设完毕，要及时封堵管口。②检查地板辐射供暖铺设的加热管有无损伤、管间距是否符合设计要求后，进行水压试验，从注水排气阀注入清水进行水压试验，试验压力为工作压力的1.5～2倍，但不小于0.6MPa，稳压1小时内压力降不大于0.05MPa，且不渗不漏为合格。

(5)设置过门伸缩缝。地板辐射供暖地板当边长超过8m或面积超过40m²时，要设置伸缩缝，缝的尺寸为5～8mm，高度同细石混凝土垫层。塑料管穿越伸缩缝时，应设置长度不小于400mm的柔性套管。在分水器及加热管道密集处，管外用不短于1 000mm的波纹管保护，以降低混凝土热膨胀，在缝中填充弹性膨胀膏(或进口弹性密封胶)。

(6)中间验收(一次水压试验)。地板辐射供暖系统应根据工程施工特点进行中间验收。中间验收过程，从加热管道敷设和热媒分、集水器装置安装完毕进行试压起，至混凝土填充层养护期满再次进行试压止，由施工单位会同监理单位进行。

(7)回填细石混凝土层。加热管验收合格后，回填细石混凝土，加热管保持不小于0.4MPa的压力;垫层应用人工抹压密实，不得用机械振捣，不许踩压已铺设好的管道，细石混凝土接近初凝时，应在表面进行二次拍实、压抹，以防止顺管轴线出现塑性沉缩裂缝。表面压抹后应保湿养护14d以上，垫层达到养护期后，管道系统方允许泄压。

浇捣混凝土填充层之前和混凝土填充层养护期满之后，应分别进行系统水压试验。水压试验应符合下列要求:①水压试验之前，应对试压管道和构件采取安全有效的固定和养护措施。②试验压力应为不小于系统静压加0.3MPa，但不得低于0.6MPa。③冬季进行水压试验时，应采取可靠的防冻措施。

(8)完工验收(二次水压试验)。竣工验收时，应具备下列文件:①施工图、竣工图和设计变更文件。②主要材料、零部件和构件的检验合格证和出厂合格证。③中间验收记录。④试压和冲洗记录。⑤工程质量检验评定记录。

竣工验收应遵循如下原则:①竣工质量符合设计要求和本规程的有关规定。②填充层表面不应有明显裂缝。③管道和构件无渗漏。④阀门开启灵活、关闭严密。

供热支管后的分配器竣工验收后，应对整个供水环路水温及水力平衡进行调试。采暖向地板供水时，应选用预热方式，供热水温不得骤然升高，初始供水温度应为20～25℃，保持3d，然后以最高设计温度保持4d，并以不高于50℃水温正常运行。至此，地板辐射供暖安装结束。

3.加热管的选择

辐射供暖系统的加热管，一般采用热塑性塑料管、铝塑复合管或铜管，国内在地面辐射供暖设计中较少应用铜管。应用较为普遍的是热塑性塑料管。

常用的热塑性塑料管材，有PB管、PE－X管、PE－RT管、PP管和XPAP管等，其中国际上普遍认为最适宜作为辐射供暖/冷加热管的管材是PE－RT管和PE－X管。尤其是PE－RT管，不仅承压和耐温适中，便于安装，能热熔连接，具有良好的稳定性和长期的耐压性能，易于弯曲，方便施工，抗冲击性能好，安全性高，低温脆裂温度可达－70℃，可在低温环境下运输、施工;耐老化、寿命长;加工工艺方便，质量易于控制;废管可熔化，而且废料能回收利用，不会形成“白色污染”，符合环保要求。

选择热塑性塑料管材时，应结合其工作温度、工作压力、使用寿命、可维修性、施工方便程度和环保性能(如管材回收利用的可能性)等因素，进行全面综合考虑与技术经济比较;特别是环保性能，应该予以足够的重视。表4－5列出了管道性能的综合比较，可供管道选择时参考。

表4-5　管道性能的综合比较

4.埋管铺设方式

目前，地面辐射供暖系统塑料埋管的铺设方式大致分为蛇形和回形两种，蛇形铺设又可分为单蛇形铺设、双蛇形铺设和交错双蛇形铺设三种方式。回形铺设可分为单回形、双回形和对开双回形三种方式，六种方式各具有不同的特点，见图4－7。其中对双回形布置方式经过板面中心的任何一个剖面，埋管是高温管、低温管相间隔布置，易于达到均匀性的效果，从而使地板表面的温度更均匀，进而达到房间温度均匀分布的目的，并且这种埋管形式弯曲度数多为90°，故铺设简单，也没有埋管相交的问题，因此在工程上得到了广泛应用。

图4－7　地热供热的六种铺设方式

5.毛细管型供暖系统

毛细管型供暖系统实质上是地面辐射供暖系统的一种特殊形式，它是根据仿真原理模拟自然界植物利用叶脉和人体依靠皮下血管输送能量的形式设计制作的一种较先进的辐射板形式。它以φ3.35×0.5mm的导热塑料管作为毛细管，用φ20×2mm塑料管作为集管，通过热熔焊接组成不同规格尺寸的毛细管席，如图4－8所示。

图4－8　毛细管席

毛细管席的敷设与安装形式，一般有以下几种类型。

(1)墙面埋置式。将加工好的毛细管席安装在墙上，然后喷或抹5～10mm水泥砂浆、混合砂浆或石膏粉刷层加以板盖并固定，使所在墙面成为辐射供暖的换热表面。

(2)平顶安装。平顶安装有下列几种方式:①直接固定在平顶上，表面喷或抹5～10mm水泥砂浆、混合砂浆或石膏粉刷层加以覆盖。②直接粘贴在石膏平顶板下，然后喷或抹5～10mm水泥砂浆、混合砂浆或石膏粉刷层加以覆盖。③欲设在金属吊顶或石膏板吊顶的背面(预制成金属顶板或石青板顶板的模块，现场进行拼装连接)。

(3)地面埋置式。将加工好的毛细管席铺设在地面的基层上，然后抹以10mm厚水泥砂浆，干燥后上部再铺设地面的面层。

三、典型地板辐射供热系统

目前地板供热系统多为低温热水地板辐射供热系统，热水温度一般低于60℃。热水除了可以由普通锅炉提供以外，还可以利用太阳能、土壤能、地热水、风能等自然能量直接提供。下面简单介绍目前应用较广的太阳能地板辐射供热系统和土壤源热泵地板辐射供热系统。

1.太阳能地板辐射供热系统

如图4－9所示，太阳能地板供热系统由太阳能集热器、蓄热水箱、循环泵等组成。太阳能集热器可以使用普通的家用全玻璃真空管集热器，蓄热水箱的容积可以根据太阳能集热器的面积确定。太阳能集热器、蓄热水箱均放于屋顶，集热时水泵不工作，太阳能集热器靠自然循环来加热蓄热水箱中的水，需要供热时，热水循环泵开启，系统运行。系统可以手动控制，也可以配合自动控制系统进行控制，成本较低，结构简单，使用方便，适于推广使用。

太阳能地板辐射供热系统可以增加电辅助加热、燃煤锅炉辅助加热或燃气锅炉辅助加热等，以保证阴雨天及夜间系统的运行。

图4－9　间歇运行的太阳能地板辐射供暖系统

1.太阳能集热器;2.电加热器;3.蓄热水箱;4.循环泵;5.供热盘管

2.土壤源热泵地板辐射供热系统

土壤源热泵地板辐射供热系统是由土壤源热泵来提供地板辐射供热系统所需的热水，如图4－10所示。采用土壤源热泵供应热水，节能性好且运行稳定，经济效益和社会效益都十分可观。在土壤热源热泵装置中，土壤热交换器是利用土壤热进行冬季供热的关键设备。它的形式、几何尺寸直接影响热泵的供热性能、性能系数和占地面积等。