論地暖節(jié)能舒適性在人居環(huán)境中發(fā)展?jié)摿?/div>
來源：地暖技術(shù)服務中心 瀏覽次數(shù)：3176 日期：2012年12月25日
1、建筑節(jié)能舒適必然性
我國是一個發(fā)展中國家，人均能源資源相對貧乏。但在城鄉(xiāng)建設中增長方式比較粗制，發(fā)展質(zhì)量和效益不高；建筑、建造和使用能源資源消耗高，利用率比較低。資源，能源和環(huán)境問題已成為城鎮(zhèn)發(fā)展的重要制約的因素，做好建筑節(jié)能是落實科學發(fā)展觀，調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式的重要內(nèi)容，是建設節(jié)約型社會和節(jié)約型城鎮(zhèn)的重要舉措。隨著我國城市化過程的加速，預計到2020年，全國城市生活人口將達到56%以上，相應的建筑物和設施也將成倍增加，建筑能耗的大幅度增加將不可避免。預計2020年前，我國每年城鎮(zhèn)竣工建筑面積的總量將持續(xù)保持在10億㎡左右，15年間新增城鎮(zhèn)民用建筑總量為150億㎡（含新增約10億㎡大型建筑）。另外，包括長江流域已有部分建筑在內(nèi)，到2020年我國將新增約110億㎡以上需要供暖的民用建筑。建筑為什么要消耗能源，就是因為人對居住生活健康舒適的要求而必須消費能量，包括溫度、濕度、空氣、聲音、光照和水等優(yōu)越的生活環(huán)境條件。離開了舒適度談節(jié)能是毫無意義的，沒有舒適度的節(jié)能建筑不是人們所需要的。
對于現(xiàn)代建筑的舒適度、量化節(jié)能有一定衡量標準：要保證夏天溫度在26℃左右，冬天保持在20℃左右，每人每小時要保證30m3的新鮮空氣，相對濕度保持在40-50%適宜程度，聲環(huán)境35-45分貝，光環(huán)境分區(qū)實現(xiàn)采光數(shù)值，不讓人有不舒適的感覺等。通過定量節(jié)能技術(shù)，溫度、濕度、空氣等指標可以精確到每家每戶，使每個住戶都能夠切身體會和享受到建筑節(jié)能帶來的種種好處，讓人們享受到來自科技，勝似自然的舒適人居，才能一切從人們的居住利益出發(fā)。推廣量化節(jié)能，積極制定全系統(tǒng)的節(jié)能與舒適度方案，加快人居環(huán)境的改善，是當務之急。
中國是一個人口大國，約占世界總?cè)丝诘?/5，亦是一個耗能大國，推行節(jié)能政策是保證我國可持續(xù)發(fā)展的必然之路，也是建筑資源節(jié)約型，環(huán)保友好型社會的必然選擇。
全社會之所以重視能源節(jié)約，是因為國民經(jīng)濟發(fā)展與能源消耗之間的不協(xié)調(diào)，我國9.5%的經(jīng)濟增長完全建立在各項能源消耗均上升15%的基礎上，當能源消耗的增幅大于經(jīng)濟增幅時，也就是說很多能源并沒有被充分利用。2004年，國內(nèi)生產(chǎn)增值實現(xiàn)了9.5%的增長，占世界的3%，但卻消耗了世界40%的原煤，1/3的鋼鐵和1/2的水泥，我國已經(jīng)成為世界上消耗鋼鐵，煤炭最多的國家。我國經(jīng)濟這種高速發(fā)展所消耗的能源是無法長期供給的，能源危機離我們越來越近。
我國建筑能耗占全國能源總消耗的30%。隨著城鎮(zhèn)化水平的加快，我國建筑能耗必將進一步增長，目前我國城鄉(xiāng)建筑房屋每年以20%的速度增長，每年竣工面積20億㎡，其中90%以上為高能耗建筑。全國已有建筑400億㎡，95%以上是高耗能建筑。我國單位建筑面積能耗是發(fā)達國家的2-3倍以上，中國要走可持續(xù)發(fā)展的道路，發(fā)展節(jié)能建筑刻不容緩。
2．地面輻射供暖的人性化特性：
2.1地面輻射供暖系統(tǒng)是建筑節(jié)能重要的組成部分，
2002年建設部把地面輻射供暖行業(yè)標準列入了國家行業(yè)標準，于2004年10月1日開始實施。2004年3月23日在第218號公告《建設部推廣應用限制禁止使用技術(shù)》中第129項將地面輻射供暖系統(tǒng)列為推廣項目，并明確指出，其主要技術(shù)性能及特點，有利于節(jié)能。
利用低溫輻射供暖，主要因輻射供暖可以用較低的室內(nèi)設計溫度（16-20℃）達到較高室內(nèi)設計溫度（18-22℃）的對流散熱的供暖效果。據(jù)有關(guān)資料介紹，室內(nèi)設計溫度每降低1℃可節(jié)約燃料10%。地面輻射供暖正以其自身的特點展現(xiàn)出無限的生命力，在其發(fā)展前景中必將伴隨巨大的節(jié)能效果。
2.2.地面低溫輻射供暖的原理：
2.2.1.低溫熱水地面輻射供暖是指以低溫熱水為熱媒，通過被埋設在地面內(nèi)的加熱管或加熱通道加熱地面，以被加熱的地表面作為散熱面的一種采暖方式。一般地表面的溫度為30℃左右，它放射出8～13μm的遠紅外線，使人體皮膚2mm深處的“熱點”傳感器產(chǎn)生刺激，發(fā)揮對人體的保健作用，促進和改善血液循環(huán)及新陳代謝，因而人體感到溫暖。人體對熱的感受和人們所處周圍環(huán)境及人體的散熱方式有關(guān)。維持人的生命的最低代謝率平均為每㎡人體表面積46W。人的體溫調(diào)節(jié)變化范圍是非常有限的，大約為36-41℃，人的平均體內(nèi)溫度為37℃。為了保持體溫相對穩(wěn)定，人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量和外界環(huán)境的熱交換之間必須保持平衡。
人體和周圍環(huán)境介質(zhì)的熱交換在平衡狀態(tài)下，通過皮膚以輻射形式的散熱量約為47%，以對流形式的散熱量約28%、而以蒸發(fā)和肺部呼吸等的散熱量約為35%。當人體的散熱量和其產(chǎn)熱量達到平衡時，一般人體體溫可維持在37℃左右。
地暖是以房間整個地面為散熱面，在加熱周圍空氣的同時，還同四周的墻、頂、棚等外圍護結(jié)構(gòu)進行輻射熱交換，從而使四周的圍護結(jié)構(gòu)表面溫度升高，減少了內(nèi)壁對人體的冷輻射。由于同時具有：輻射強度和溫度的雙重作用，造成了符合人體舒適要求的熱狀態(tài)，有利于提高人體舒適感。
由于人體換熱量中約有50%是以輻射方式進行的，因此圍護結(jié)構(gòu)（墻、窗、地面等）內(nèi)表面溫度的高低，直接影響到人體的散熱效果和人們的舒適感。人體的舒適程度可以用室內(nèi)綜合溫度ts來衡量，ts的表達式如式1-1所示，
ts=a·tn+b(MRT)（1-1）
式中：tn——室內(nèi)空氣溫度，單位為℃；
a、b—分別表示室溫和平均輻射溫度的加權(quán)系數(shù)，一般
a=0.5～0.6,b=0.5-0.4;
MRT—平均輻射溫度，單位℃。
平均輻射溫度的定義是：用它作為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度的平均值，來計算人體與該表面的換熱，其結(jié)果與實際的輻射換熱量相等。MRT的數(shù)學表達式如（1-2）式所示：
MRT=ΣTij×φjs（1-2）
j=1
式中：Tij—圍護結(jié)構(gòu)第j個表面的內(nèi)表面溫度，單位為℃；
φjs——第j個表面與人體間輻射換熱的角系數(shù)、φjs的計算非常復雜。推薦一個通過實測有關(guān)數(shù)據(jù)，計算出MRT的方法，如：
MRT=tg+0.247√v(tg-tn)（1-3）
式中：tg—黑球溫度，即實感溫度，單位為℃；
v—室內(nèi)空氣的流速，單位為m/s。
黑球溫度tg可以由放置在直徑為130mm的中空、外表面涂黑、上部開有小孔的銅球中的溫度計讀出，黑球溫度反映出輻射換熱對室溫的影響。如果能夠測出黑球溫度tg，室溫tn和空氣的流速v,則可以由式（1-3）很方便的計算出MRT值。當建筑層高低于4m時，也可以近似地采用下式計算：
MRT=ΣTij×Aj/ΣAj(1-4)
j=1j=1
式中Aj—第j個內(nèi)表面面積，單位為m2；其它符號同前。
2.2.2.發(fā)熱電纜輻射供暖系統(tǒng)目前在國內(nèi)常見有以下兩種：一種是以金屬為發(fā)熱材料的電纜，另一種是碳素纖維為發(fā)熱材料的電纜。以金屬為發(fā)熱材料的電纜，供熱原理是：金屬導線通電后，由于自身的電阻而發(fā)熱，再將熱量以熱傳導形式散出。以碳素纖維為發(fā)熱材料的電纜發(fā)熱原理是在碳素纖維兩端加以電壓，碳素纖維會以遠紅外線方式向外輻射能量，而遠紅外線是具有熱作用，以此達到供暖的目的。這兩種發(fā)熱電纜雖然是利用電力進行發(fā)熱，但還是存在很大區(qū)別。在使用金屬發(fā)熱電纜時會產(chǎn)生一個周期變化的電磁波場，用戶則會長期處于這樣一種電磁波場中，但電纜呈雙導線發(fā)熱，自成回路，可有效克服電磁輻射，但畢竟會對人有微觀的不良影響。碳素纖維發(fā)熱電纜，質(zhì)地柔軟，可多次彎曲，不會產(chǎn)生電磁波。同時，碳元素具有高度的化學穩(wěn)定性，一般保證在七十年以上。日本的威斯木碳素纖維發(fā)熱電纜的質(zhì)量是可以信賴的，其碳素纖維的遠紅外線波長為8μm-14μm，最易被人體吸收，故其節(jié)能效果明顯，運行費用較低。碳纖維通電后所發(fā)出的電磁輻射能量較大，輻射能以電磁波的形式傳遞，其波長范圍又正好落在遠紅外波段區(qū)域，因此成為具有熱輻射性質(zhì)的電磁波。遠紅外波可穿透6cm左右厚的物體直接加熱于另一物體。
此波段有激發(fā)人體皮下組織里的水分子運動的功能，從而刺激人體新陳代謝，起到理療作用，改善水和電解質(zhì)代謝的紊亂，使體內(nèi)處于平衡狀態(tài)。另外人體對遠紅外波的吸收能力取決于遠紅外波的波長與人體的皮膚狀態(tài)，人體皮膚占有70%的水，水是遠紅外的良好吸收體，引發(fā)共振吸收，激活免疫細胞，改善病區(qū)的供血供氧，改善血液循環(huán)，加強細胞再生，控制病癥發(fā)展，加速了病的修復。此外，熱輻射與對流傳熱過程不同，傳播輻射熱的氣體介質(zhì)本身僅吸收極少的熱量，因而不會引起水分的減少。對流加熱是空調(diào)器的主要工作原理。熱量主要通過對流傳遞，而首先要加熱空氣，使空氣中水分被熱化，空氣與水分子的碰撞才能將熱傳遞過去，水分熱化時吸收能量而電功能無謂消耗，又由于水分子的蒸發(fā)與散失使人感到口干舌燥。碳纖維引發(fā)的電磁輻射其本質(zhì)類似于光波，為此它遵循光線輻射的所有規(guī)律，即逆動；也遵守反射定律與折射定律，并有偏輻射性。同時輻射的強度與距離的平方成反比。
在選擇何種供暖方式時，要綜合考慮其優(yōu)劣性。我國現(xiàn)在已進入建筑節(jié)能的第二階段，地面輻射供暖以其節(jié)能性必將成為供暖系統(tǒng)的趨勢。隨著峰谷電價收費制度的推廣，發(fā)熱電纜地面輻射供暖將占有一席之地。
2.3.地面輻射供暖的節(jié)能舒適性
2.3.1.根據(jù)上述的理論分析可知，低溫地面輻射供暖的室內(nèi)設計溫度較常規(guī)的以對流為主的散熱器供暖可以降低1～3℃，仍然會得到同樣的舒適效果。這是因為采用輻射采暖時，式1-1中的a、b基本相等（a=b=0.5），采用輻射供暖房間的MRT一般比室溫tn高1～3℃，所以雖然其室內(nèi)溫度降低，但室內(nèi)綜合溫度ts仍不變。
有關(guān)資料指出，室內(nèi)設計溫度每降低1℃可節(jié)約燃料10%，如按天津第二期節(jié)能目標，每個采暖期平均煤耗11.8kg/㎡(冬季采暖期室外平均氣溫為-1.2℃,室內(nèi)平均溫度為16℃)計算，當室溫降低1-3℃時，節(jié)約的燃料可達7%-10%。由此可知，地面輻射供暖不僅給人們以舒適的環(huán)境，同時其節(jié)能效果也十分可觀。
2.3.2地面輻射供暖室內(nèi)溫度分布均勻、衛(wèi)生、舒適。
根據(jù)衛(wèi)生要求，人長期停留在房間地表面溫度不高于28℃，室內(nèi)垂直方向距地面不同高度的溫度分布不同，是采用地面輻射供暖時室溫在室內(nèi)垂直方向的變化規(guī)律；地表面溫度接近30℃，垂直溫度開始降低，在人的呼吸地帶達到室內(nèi)設計溫度。距地面30cm垂直方向的溫度變化不大。
2.3.3采用常規(guī)的以對流散熱為主的散熱器采暖時，要想滿足人們呼吸地帶達到室內(nèi)設計溫度，則室內(nèi)上部空氣的溫度必然遠遠高于下面。而采用地面輻射供暖時，輻射供暖地面的溫度高于空間溫度，使人有“足熱頭寒”的舒適感，可以改善人體血液循環(huán)，促進新陳代謝。并且由于上部空間溫度低，因而大大地減少了上部空間向外的無益熱損失。
另外由于輻射供暖主要是以輻射散熱為主，室內(nèi)空氣流動較小，避免了灰塵的飛揚，有利于室內(nèi)環(huán)境清潔。居住在地面輻射供暖房間的人們，患腰酸腿痛和慢性哮喘病的減少了，特別對老年人及兒童更有利。由腦電磁波測試得知，“足熱頭寒”的環(huán)境有利于增強記憶力、提高學習和工作效率。
2.3.4.對流供暖要求暖氣片在室內(nèi)供水溫度70～90℃，地暖要求地面供溫在25～32℃，就是埋在地面下加熱管的溫度也不能超出60℃，在同樣集中供暖的管路系統(tǒng)熱損失應該一樣，而地暖流速快，只不過讓熱水在管路中的損失更少。從熱源的產(chǎn)生，熱媒的傳輸?shù)綗岬慕粨Q全是低溫狀態(tài)（40-60℃）進行，低溫，會使燃料消耗少，低溫傳輸熱損耗小，低溫結(jié)垢少，熱效率高、自然節(jié)能。
2.3.5.地面輻射供暖中的輻射散熱量占總散熱量50～60%，其余是對流和傳導散熱。
利用低溫熱水地面輻射供暖向室內(nèi)供暖時，熱量主要以輻射方式傳送，這種傳送方式直接迅速，熱量無需通過任何介質(zhì)便可傳給供暖對象，減少了中間環(huán)節(jié)，降低了傳熱成本，提高了熱效率。因此地暖可以用較低的室內(nèi)設計溫度便得到以較高室內(nèi)設計溫度的對流散熱采暖相當?shù)墓┡Ч。室?nèi)設計溫度的降低，意味著室內(nèi)供暖熱負荷的降低，亦即節(jié)省了采暖能耗，節(jié)約了能源。地面供暖使室內(nèi)溫度提高到16～20℃，已能保證你舒適可行。而使用傳統(tǒng)的暖氣系統(tǒng)達到同樣效果，室內(nèi)溫度必須達到18～22℃，每升高一度，就會多耗費7～10%的燃料。
2.3.6.地面輻射供暖單戶自成系統(tǒng)，只需在分水器處加裝熱計量裝置，即可實現(xiàn)分戶熱計量，適應了供熱方式的變革，可按需供求，實現(xiàn)行為節(jié)能。
2.3.7.可節(jié)約高質(zhì)能，低溫熱水地面輻射供暖所需水溫低，可利用地熱、廢氣、廢熱、太陽能、水源.地源熱泵、生物質(zhì)能等可再生能源和低品位能源，節(jié)約了高質(zhì)能。
2.3.8.發(fā)熱電纜低溫輻射供暖系統(tǒng)是以電力為能源，以發(fā)熱電纜為發(fā)熱體，將電能97％以上轉(zhuǎn)換為熱能，并以建筑物內(nèi)部地面作為散熱面，能將高質(zhì)能盡最大可能的利用到地面供暖中，熱效率高。能夠利用溫控器控制電源，控制室內(nèi)溫度，做到最大可能行為節(jié)能。充分利用高質(zhì)能，節(jié)省每一度電，不至于象機關(guān)中央空調(diào)那樣，有人沒人都得開著空調(diào)，甚至因為一個人辦公，也要全面開放，極大浪費高質(zhì)能。
2.3.9發(fā)熱電纜系統(tǒng)節(jié)約能源，還在于智能化控制。與其他傳統(tǒng)供暖方式相比，該系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)裝置具有獨特優(yōu)勢，當建筑物夜間或白天無人活動時，可適當降低溫度或關(guān)閉某一房間的電源，以達到行為節(jié)能。
2.3.10.由于地暖垂直溫度分布的差別，有效區(qū)域內(nèi)相同溫度時，平均溫度最低，可減少人體輻射散熱，與對流供暖方式相比，可取得2～4℃的等效舒適溫度。
2.4低溫熱水地面輻射供暖節(jié)能優(yōu)勢：
2.4.1低溫，從熱源的產(chǎn)生，熱媒的傳遞到熱的交換全是低溫狀態(tài)下（40～60℃）進行。低溫會使燃料消耗少，低溫傳輸熱損耗小，低溫結(jié)垢少，熱效率高，是自然節(jié)能。
2.4.2從地面開始，熱量自下而上，符合熱交換規(guī)律。同樣的散熱條件下，同樣的人們居住活動空間，地暖的溫度要比其他供暖方式高2～3℃。
2.4.3輻射是不同于傳導、對流的傳熱形式。輻射是通過熱效應產(chǎn)生的遠紅外線發(fā)射來完成熱能的傳遞，也即熱輻射。因此上低溫熱水地面暖輻射供暖較之其他供暖方式可節(jié)能20～30%。
2.4.4地面輻射供暖的分室溫度控制，要求環(huán)路設計，按房間單獨布置，分集水器上每個支路設流量調(diào)節(jié)閥，使每個房間都能達到設計所需流量，從而避免了管長一致，導致流量一致，以及超出設計流量造成的過熱浪費現(xiàn)象。
采用自動分室溫度控制以后，溫控系統(tǒng)能自動關(guān)斷環(huán)路，減少熱量浪費，預計節(jié)能10%左右。
2.4.5實現(xiàn)分室溫度控制，均由溫控器自動完成。溫度的設定、調(diào)節(jié)非常方便，不象現(xiàn)在大都用暖氣片的集中供暖。天冷了，該來氣來不了；春天天暖和了，該停氣停不了。冬季室外溫度偏高了，室內(nèi)該調(diào)低溫度調(diào)不了，室外溫度低了，室內(nèi)暖氣溫度也上不去。不能按用戶、氣候、舒適與否進行調(diào)節(jié)室溫，既浪費了能源又不舒適；既不能調(diào)節(jié)室溫，又不能分戶計量，當然也不會節(jié)能。地暖智能化、分戶計量、自動調(diào)溫節(jié)能是暖氣片不易達到的。
2.4.6水系統(tǒng)地面輻射供暖所需熱源多元化，可以利用集中供熱，小型鍋爐，電廠余熱及天然氣、煤氣壁掛爐，電壁掛爐及水源熱泵、土壤熱泵、太陽能、地熱溫泉水等。除了集中供熱以外，所需輸送管路不長，管路熱損失小，能節(jié)能。
2.4.7熱源如果采用集中供熱或小鍋爐，起始供水溫度只要70℃左右即可。較之暖氣片對流采暖的起始溫度需100℃左右低20～30℃，耗煤量自然會少，節(jié)省能源。
2.4.8地暖具有30～50mm厚的填充層，大都用C15以上的豆石混凝土，熱容量大、熱穩(wěn)定性好，尤其是間歇供暖情況下室溫變化緩慢，即使關(guān)斷熱水閥門或降低供水溫度，填充層蓄熱量能使室溫可保持6小時左右。白天出去，下午回來，室內(nèi)仍有余溫。相比之下，對流暖氣片供暖就不可能，一旦關(guān)閉暖氣閥門或停氣1～2小時后，等不及上班回家，室溫會很快降下來。實踐證明還是地暖保溫、節(jié)能。
2.4.9地暖熱舒適性好、不干燥，能使室內(nèi)相對濕度保持在40-70%適宜程度，不起塵、不污染室內(nèi)環(huán)境。這一點是暖氣片供暖無可比擬的。
2.4.10建筑圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能只是為建筑節(jié)能創(chuàng)造了條件，而地面輻射供暖系統(tǒng)節(jié)能才是落實節(jié)能的關(guān)鍵。因此上，發(fā)展地面輻射供暖是供暖系統(tǒng)節(jié)能的方向。
2.4.11.利用太陽能和水源熱泵及熱輔助裝置可以使水系統(tǒng)地面輻射供暖冬暖夏涼，伏天除潮。這一科研新課題不久將付諸實施。
2.4.12.在目前集中供熱占優(yōu)勢的情況下，可推行供水溫度分樓可調(diào)新技術(shù)。采用混水或換熱的方式調(diào)節(jié)每座建筑入口的供水溫度，在建筑內(nèi)實行大流量、小溫差、低水溫供熱方式；在室外管網(wǎng)試行小流量、大溫差的循環(huán)方式。這可以大幅度降低集中供熱供應建筑屋內(nèi)水系統(tǒng)地面輻射供暖的熱損失，從而降低北方地區(qū)集中供暖能耗。
2.5.地面輻射供暖的隔音效果好
在地面輻射供暖中，無論是水系統(tǒng)還是電系統(tǒng)的都有隔熱保溫層鋪在載熱體下面。隔熱層常用EPS聚苯板還是發(fā)泡水泥，都有一個共同點：具有無數(shù)個微小閉孔泡沫組成。它們既有隔熱作用，又有隔音良好效果。保溫層越厚，隔音效果越好，能使上下樓之間無噪音干擾，為室內(nèi)達到45分貝以下噪音標準起到重要作用。
2.6.節(jié)省室內(nèi)空間，
地暖不占用室內(nèi)使用面積，減少了對流暖氣片及其支管所占用空間，可增加使用面積3%左右，便于裝修和家具布置。
3.地面輻射供暖正以其自身特點，展現(xiàn)出無限生命力。不久將來在其發(fā)展前景中必將在建筑節(jié)能和人性化舒適度方面發(fā)揮其巨大作用，將與對流暖氣片、中央空調(diào)供暖一比高下，象三只并蒂花，開放在祖國大地上。在科技型、節(jié)約型社會人居環(huán)境發(fā)展中會潛力無窮。