论地暖节能舒适性在人居环境中发展潜力

     1、建筑节能舒适必然性

    我国是一个发展中国家，人均能源资源相对贫乏。但在城乡建设中增长方式比较粗制，发展质量和效益不高；建筑、建造和使用能源资源消耗高，利用率比较低。资源，能源和环境问题已成为城镇发展的重要制约的因素，做好建筑节能是落实科学发展观，调整经济结构，转变经济增长方式的重要内容，是建设节约型社会和节约型城镇的重要举措。随着我国城市化过程的加速，预计到2020年，全国城市生活人口将达到56%以上，相应的建筑物和设施也将成倍增加，建筑能耗的大幅度增加将不可避免。预计2020年前，我国每年城镇竣工建筑面积的总量将持续保持在10亿㎡左右，15年间新增城镇民用建筑总量为150亿㎡（含新增约10亿㎡大型建筑）。另外，包括长江流域已有部分建筑在内，到2020年我国将新增约110亿㎡以上需要供暖的民用建筑。建筑为什么要消耗能源，就是因为人对居住生活健康舒适的要求而必须消费能量，包括温度、湿度、空气、声音、光照和水等优越的生活环境条件。离开了舒适度谈节能是毫无意义的，没有舒适度的节能建筑不是人们所需要的。   

    对于现代建筑的舒适度、量化节能有一定衡量标准：要保证夏天温度在26℃左右，冬天保持在20℃左右，每人每小时要保证30m3的新鲜空气，相对湿度保持在40-50%适宜程度，声环境35-45分贝，光环境分区实现采光数值，不让人有不舒适的感觉等。通过定量节能技术，温度、湿度、空气等指标可以精确到每家每户，使每个住户都能够切身体会和享受到建筑节能带来的种种好处，让人们享受到来自科技，胜似自然的舒适人居，才能一切从人们的居住利益出发。推广量化节能，积极制定全系统的节能与舒适度方案，加快人居环境的改善，是当务之急。

    中国是一个人口大国，约占世界总人口的1/5，亦是一个耗能大国，推行节能政策是保证我国可持续发展的必然之路，也是建筑资源节约型，环保友好型社会的必然选择。

    全社会之所以重视能源节约，是因为国民经济发展与能源消耗之间的不协调，我国9.5%的经济增长完全建立在各项能源消耗均上升15%的基础上，当能源消耗的增幅大于经济增幅时，也就是说很多能源并没有被充分利用。2004年，国内生产增值实现了9.5%的增长，占世界的3%，但却消耗了世界40%的原煤，1/3的钢铁和1/2的水泥，我国已经成为世界上消耗钢铁，煤炭最多的国家。我国经济这种高速发展所消耗的能源是无法长期供给的，能源危机离我们越来越近。

    我国建筑能耗占全国能源总消耗的30%。随着城镇化水平的加快，我国建筑能耗必将进一步增长，目前我国城乡建筑房屋每年以20%的速度增长，每年竣工面积20亿㎡，其中90%以上为高能耗建筑。全国已有建筑400亿㎡，95%以上是高耗能建筑。我国单位建筑面积能耗是发达国家的2-3倍以上，中国要走可持续发展的道路，发展节能建筑刻不容缓。

    2．地面辐射供暖的人性化特性：

    2.1地面辐射供暖系统是建筑节能重要的组成部分，

    2002年建设部把地面辐射供暖行业标准列入了国家行业标准，于2004年10月1日开始实施。2004年3月23日在第218号公告《建设部推广应用限制禁止使用技术》中第129项将地面辐射供暖系统列为推广项目，并明确指出，其主要技术性能及特点，有利于节能。

    利用低温辐射供暖，主要因辐射供暖可以用较低的室内设计温度（16-20℃）达到较高室内设计温度（18-22℃）的对流散热的供暖效果。据有关资料介绍，室内设计温度每降低1℃可节约燃料10%。地面辐射供暖正以其自身的特点展现出无限的生命力，在其发展前景中必将伴随巨大的节能效果。

    2.2.地面低温辐射供暖的原理：

    2.2.1.低温热水地面辐射供暖是指以低温热水为热媒，通过被埋设在地面内的加热管或加热通道加热地面，以被加热的地表面作为散热面的一种采暖方式。一般地表面的温度为30℃左右，它放射出8～13μm的远红外线，使人体皮肤2mm深处的“热点”传感器产生刺激，发挥对人体的保健作用，促进和改善血液循环及新陈代谢，因而人体感到温暖。人体对热的感受和人们所处周围环境及人体的散热方式有关。维持人的生命的最低代谢率平均为每㎡人体表面积46W。人的体温调节变化范围是非常有限的，大约为36-41℃，人的平均体内温度为37℃。为了保持体温相对稳定，人体新陈代谢产生的热量和外界环境的热交换之间必须保持平衡。

    人体和周围环境介质的热交换在平衡状态下，通过皮肤以辐射形式的散热量约为47%，以对流形式的散热量约28%、而以蒸发和肺部呼吸等的散热量约为35%。当人体的散热量和其产热量达到平衡时，一般人体体温可维持在37℃左右。

    地暖是以房间整个地面为散热面，在加热周围空气的同时，还同四周的墙、顶、棚等外围护结构进行辐射热交换，从而使四周的围护结构表面温度升高，减少了内壁对人体的冷辐射。由于同时具有：辐射强度和温度的双重作用，造成了符合人体舒适要求的热状态，有利于提高人体舒适感。

    由于人体换热量中约有50%是以辐射方式进行的，因此围护结构（墙、窗、地面等）内表面温度的高低，直接影响到人体的散热效果和人们的舒适感。人体的舒适程度可以用室内综合温度ts来衡量，ts的表达式如式1-1所示，

    ts=a·tn+b(MRT)（1-1）

    式中：tn——室内空气温度，单位为℃；

    a、b—分别表示室温和平均辐射温度的加权系数，一般

    a=0.5～0.6,b=0.5-0.4;

    MRT—平均辐射温度，单位℃。

    平均辐射温度的定义是：用它作为围护结构内表面温度的平均值，来计算人体与该表面的换热，其结果与实际的辐射换热量相等。MRT的数学表达式如（1-2）式所示：

    MRT=ΣTij×φjs（1-2）

    j=1

    式中：Tij—围护结构第j个表面的内表面温度，单位为℃；

    φjs——第j个表面与人体间辐射换热的角系数、φjs的计算非常复杂。推荐一个通过实测有关数据，计算出MRT的方法，如：

    MRT=tg+0.247√v(tg-tn)（1-3）

    式中：tg—黑球温度，即实感温度，单位为℃；

    v—室内空气的流速，单位为m/s。

黑球温度tg可以由放置在直径为130mm的中空、外表面涂黑、上部开有小孔的铜球中的温度计读出，黑球温度反映出辐射换热对室温的影响。如果能够测出黑球温度tg，室温tn和空气的流速v,则可以由式（1-3）很方便的计算出MRT值。当建筑层高低于4m时，也可以近似地采用下式计算：

    MRT=ΣTij×Aj/ΣAj(1-4)

    j=1j=1

    式中Aj—第j个内表面面积，单位为m2；其它符号同前。

    2.2.2.发热电缆辐射供暖系统目前在国内常见有以下两种：一种是以金属为发热材料的电缆，另一种是碳素纤维为发热材料的电缆。以金属为发热材料的电缆，供热原理是：金属导线通电后，由于自身的电阻而发热，再将热量以热传导形式散出。以碳素纤维为发热材料的电缆发热原理是在碳素纤维两端加以电压，碳素纤维会以远红外线方式向外辐射能量，而远红外线是具有热作用，以此达到供暖的目的。这两种发热电缆虽然是利用电力进行发热，但还是存在很大区别。在使用金属发热电缆时会产生一个周期变化的电磁波场，用户则会长期处于这样一种电磁波场中，但电缆呈双导线发热，自成回路，可有效克服电磁辐射，但毕竟会对人有微观的不良影响。碳素纤维发热电缆，质地柔软，可多次弯曲，不会产生电磁波。同时，碳元素具有高度的化学稳定性，一般保证在七十年以上。日本的威斯木碳素纤维发热电缆的质量是可以信赖的，其碳素纤维的远红外线波长为8μm-14μm，最易被人体吸收，故其节能效果明显，运行费用较低。碳纤维通电后所发出的电磁辐射能量较大，辐射能以电磁波的形式传递，其波长范围又正好落在远红外波段区域，因此成为具有热辐射性质的电磁波。远红外波可穿透6cm左右厚的物体直接加热于另一物体。

    此波段有激发人体皮下组织里的水分子运动的功能，从而刺激人体新陈代谢，起到理疗作用，改善水和电解质代谢的紊乱，使体内处于平衡状态。另外人体对远红外波的吸收能力取决于远红外波的波长与人体的皮肤状态，人体皮肤占有70%的水，水是远红外的良好吸收体，引发共振吸收，激活免疫细胞，改善病区的供血供氧，改善血液循环，加强细胞再生，控制病症发展，加速了病的修复。此外，热辐射与对流传热过程不同，传播辐射热的气体介质本身仅吸收极少的热量，因而不会引起水分的减少。对流加热是空调器的主要工作原理。热量主要通过对流传递，而首先要加热空气，使空气中水分被热化，空气与水分子的碰撞才能将热传递过去，水分热化时吸收能量而电功能无谓消耗，又由于水分子的蒸发与散失使人感到口干舌燥。碳纤维引发的电磁辐射其本质类似于光波，为此它遵循光线辐射的所有规律，即逆动；也遵守反射定律与折射定律，并有偏辐射性。同时辐射的强度与距离的平方成反比。

    在选择何种供暖方式时，要综合考虑其优劣性。我国现在已进入建筑节能的第二阶段，地面辐射供暖以其节能性必将成为供暖系统的趋势。随着峰谷电价收费制度的推广，发热电缆地面辐射供暖将占有一席之地。

    2.3.地面辐射供暖的节能舒适性

    2.3.1.根据上述的理论分析可知，低温地面辐射供暖的室内设计温度较常规的以对流为主的散热器供暖可以降低1～3℃，仍然会得到同样的舒适效果。这是因为采用辐射采暖时，式1-1中的a、b基本相等（a=b=0.5），采用辐射供暖房间的MRT一般比室温tn高1～3℃，所以虽然其室内温度降低，但室内综合温度ts仍不变。

    有关资料指出，室内设计温度每降低1℃可节约燃料10%，如按天津第二期节能目标，每个采暖期平均煤耗11.8kg/㎡(冬季采暖期室外平均气温为-1.2℃,室内平均温度为16℃)计算，当室温降低1-3℃时，节约的燃料可达7%-10%。由此可知，地面辐射供暖不仅给人们以舒适的环境，同时其节能效果也十分可观。

    2.3.2地面辐射供暖室内温度分布均匀、卫生、舒适。

    根据卫生要求，人长期停留在房间地表面温度不高于28℃，室内垂直方向距地面不同高度的温度分布不同，是采用地面辐射供暖时室温在室内垂直方向的变化规律；地表面温度接近30℃，垂直温度开始降低，在人的呼吸地带达到室内设计温度。距地面30cm垂直方向的温度变化不大。

    2.3.3采用常规的以对流散热为主的散热器采暖时，要想满足人们呼吸地带达到室内设计温度，则室内上部空气的温度必然远远高于下面。而采用地面辐射供暖时，辐射供暖地面的温度高于空间温度，使人有“足热头寒”的舒适感，可以改善人体血液循环，促进新陈代谢。并且由于上部空间温度低，因而大大地减少了上部空间向外的无益热损失。

    另外由于辐射供暖主要是以辐射散热为主，室内空气流动较小，避免了灰尘的飞扬，有利于室内环境清洁。居住在地面辐射供暖房间的人们，患腰酸腿痛和慢性哮喘病的减少了，特别对老年人及儿童更有利。由脑电磁波测试得知，“足热头寒”的环境有利于增强记忆力、提高学习和工作效率。

    2.3.4.对流供暖要求暖气片在室内供水温度70～90℃，地暖要求地面供温在25～32℃，就是埋在地面下加热管的温度也不能超出60℃，在同样集中供暖的管路系统热损失应该一样，而地暖流速快，只不过让热水在管路中的损失更少。从热源的产生，热媒的传输到热的交换全是低温状态（40-60℃）进行，低温，会使燃料消耗少，低温传输热损耗小，低温结垢少，热效率高、自然节能。

    2.3.5.地面辐射供暖中的辐射散热量占总散热量50～60%，其余是对流和传导散热。

    利用低温热水地面辐射供暖向室内供暖时，热量主要以辐射方式传送，这种传送方式直接迅速，热量无需通过任何介质便可传给供暖对象，减少了中间环节，降低了传热成本，提高了热效率。因此地暖可以用较低的室内设计温度便得到以较高室内设计温度的对流散热采暖相当的供暖效果。室内设计温度的降低，意味着室内供暖热负荷的降低，亦即节省了采暖能耗，节约了能源。地面供暖使室内温度提高到16～20℃，已能保证你舒适可行。而使用传统的暖气系统达到同样效果，室内温度必须达到18～22℃，每升高一度，就会多耗费7～10%的燃料。

    2.3.6.地面辐射供暖单户自成系统，只需在分水器处加装热计量装置，即可实现分户热计量，适应了供热方式的变革，可按需供求，实现行为节能。

    2.3.7.可节约高质能，低温热水地面辐射供暖所需水温低，可利用地热、废气、废热、太阳能、水源.地源热泵、生物质能等可再生能源和低品位能源，节约了高质能。

    2.3.8.发热电缆低温辐射供暖系统是以电力为能源，以发热电缆为发热体，将电能97％以上转换为热能，并以建筑物内部地面作为散热面，能将高质能尽最大可能的利用到地面供暖中，热效率高。能够利用温控器控制电源，控制室内温度，做到最大可能行为节能。充分利用高质能，节省每一度电，不至于象机关中央空调那样，有人没人都得开着空调，甚至因为一个人办公，也要全面开放，极大浪费高质能。

2.3.9发热电缆系统节约能源，还在于智能化控制。与其他传统供暖方式相比，该系统的温度调节装置具有独特优势，当建筑物夜间或白天无人活动时，可适当降低温度或关闭某一房间的电源，以达到行为节能。

    2.3.10.由于地暖垂直温度分布的差别，有效区域内相同温度时，平均温度最低，可减少人体辐射散热，与对流供暖方式相比，可取得2～4℃的等效舒适温度。

    2.4低温热水地面辐射供暖节能优势：

    2.4.1低温，从热源的产生，热媒的传递到热的交换全是低温状态下（40～60℃）进行。低温会使燃料消耗少，低温传输热损耗小，低温结垢少，热效率高，是自然节能。

    2.4.2从地面开始，热量自下而上，符合热交换规律。同样的散热条件下，同样的人们居住活动空间，地暖的温度要比其他供暖方式高2～3℃。

    2.4.3辐射是不同于传导、对流的传热形式。辐射是通过热效应产生的远红外线发射来完成热能的传递，也即热辐射。因此上低温热水地面暖辐射供暖较之其他供暖方式可节能20～30%。

    2.4.4地面辐射供暖的分室温度控制，要求环路设计，按房间单独布置，分集水器上每个支路设流量调节阀，使每个房间都能达到设计所需流量，从而避免了管长一致，导致流量一致，以及超出设计流量造成的过热浪费现象。

    采用自动分室温度控制以后，温控系统能自动关断环路，减少热量浪费，预计节能10%左右。

    2.4.5实现分室温度控制，均由温控器自动完成。温度的设定、调节非常方便，不象现在大都用暖气片的集中供暖。天冷了，该来气来不了；春天天暖和了，该停气停不了。冬季室外温度偏高了，室内该调低温度调不了，室外温度低了，室内暖气温度也上不去。不能按用户、气候、舒适与否进行调节室温，既浪费了能源又不舒适；既不能调节室温，又不能分户计量，当然也不会节能。地暖智能化、分户计量、自动调温节能是暖气片不易达到的。

    2.4.6水系统地面辐射供暖所需热源多元化，可以利用集中供热，小型锅炉，电厂余热及天然气、煤气壁挂炉，电壁挂炉及水源热泵、土壤热泵、太阳能、地热温泉水等。除了集中供热以外，所需输送管路不长，管路热损失小，能节能。

    2.4.7热源如果采用集中供热或小锅炉，起始供水温度只要70℃左右即可。较之暖气片对流采暖的起始温度需100℃左右低20～30℃，耗煤量自然会少，节省能源。

    2.4.8地暖具有30～50mm厚的填充层，大都用C15以上的豆石混凝土，热容量大、热稳定性好，尤其是间歇供暖情况下室温变化缓慢，即使关断热水阀门或降低供水温度，填充层蓄热量能使室温可保持6小时左右。白天出去，下午回来，室内仍有余温。相比之下，对流暖气片供暖就不可能，一旦关闭暖气阀门或停气1～2小时后，等不及上班回家，室温会很快降下来。实践证明还是地暖保温、节能。

    2.4.9地暖热舒适性好、不干燥，能使室内相对湿度保持在40-70%适宜程度，不起尘、不污染室内环境。这一点是暖气片供暖无可比拟的。

    2.4.10建筑围护结构的节能只是为建筑节能创造了条件，而地面辐射供暖系统节能才是落实节能的关键。因此上，发展地面辐射供暖是供暖系统节能的方向。

    2.4.11.利用太阳能和水源热泵及热辅助装置可以使水系统地面辐射供暖冬暖夏凉，伏天除潮。这一科研新课题不久将付诸实施。

    2.4.12.在目前集中供热占优势的情况下，可推行供水温度分楼可调新技术。采用混水或换热的方式调节每座建筑入口的供水温度，在建筑内实行大流量、小温差、低水温供热方式；在室外管网试行小流量、大温差的循环方式。这可以大幅度降低集中供热供应建筑屋内水系统地面辐射供暖的热损失，从而降低北方地区集中供暖能耗。

    2.5.地面辐射供暖的隔音效果好

    在地面辐射供暖中，无论是水系统还是电系统的都有隔热保温层铺在载热体下面。隔热层常用EPS聚苯板还是发泡水泥，都有一个共同点：具有无数个微小闭孔泡沫组成。它们既有隔热作用，又有隔音良好效果。保温层越厚，隔音效果越好，能使上下楼之间无噪音干扰，为室内达到45分贝以下噪音标准起到重要作用。

    2.6.节省室内空间，

    地暖不占用室内使用面积，减少了对流暖气片及其支管所占用空间，可增加使用面积3%左右，便于装修和家具布置。

    3.地面辐射供暖正以其自身特点，展现出无限生命力。不久将来在其发展前景中必将在建筑节能和人性化舒适度方面发挥其巨大作用，将与对流暖气片、中央空调供暖一比高下，象三只并蒂花，开放在祖国大地上。在科技型、节约型社会人居环境发展中会潜力无穷。