地暖系统

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File:Underfloor heating pipes.jpg
地面铺好的电暖管

地暖系统又称地板采暖、地板暖气、地板辐射、地暖，是一种中央室温控制系统，地板会被嵌入热水或电热元件，通电后，电热元件便将电能转化为热能，这些热量随后从地面辐射或传导出来，这样房间便能温暖舒适。地暖系统亦可以用来降低温度，不过原理与冷气有所不同。

原理描述[编辑]

现代地板采暖系统主要有两种形式：一种是使用电阻加热元件的“电热系统”，另一种是通过管道中循环液体（水或防冻液）的“水暖系统（hydronic systems）”来加热地面。两种系统都可以作为整栋建筑的主要供暖方式，也可以只用于局部区域，提高脚下的热舒适度。有些系统还支援在多房间结构中单独控制某一个房间供暖，从而避免不必要的热量浪费。电阻式系统只能用于供暖；如果同时需要制冷功能，则必须使用水暖系统。无论是电热还是水暖系统，都适用于多种应用场景，例如人行道、车道或停机坪的融雪除冰，足球场和橄榄球场草坪温控，以及冷库和溜冰场的防冻措施。市面上也有多种地暖结构与设计方案，可适配不同类型的地面材料。[1]有些地板采暖系统是在施工阶段就铺设好的，通常把管道埋入地面结构中，在地面覆盖层下方浇筑一层找平砂浆（screed）。这种做法多用于新建房屋或扩建项目，因为可以在地面施工时一次性完成安装。而对于已经建好的房屋，也有适用于改造（retrofit）的地暖系统。这类系统可以直接铺设在现有地面之上（前提是地面平整且结构稳固），通常使用带自粘功能的板材来固定管道，然后再浇筑自流平砂浆进行覆盖，是翻新项目中非常受欢迎的解决方案。[2]

电加热元件或水暖管道可以直接浇筑在混凝土地板中，这种做法称为“浇筑式系统”（poured floor system）或“湿式系统”。也可以安装在地面覆盖层下方（称为“干式系统”），或者直接固定在木质基层地板上（又称“基层系统”或干式系统）。地暖还可以安装在悬空的木梁结构地板中（无论是一层还是楼上地面），做法包括：将管道铺设在木梁之间，并使用金属导热板将热量传导到上方地板；或者将管道整合进专门设计的结构地板模组中，以提高传热效率和结构稳定性。[3]

有些商业建筑在设计时会利用建筑本身的“热惰性”（thermal mass），在电价较低的非高峰时段进行加热或制冷。比如在夜间开启系统，让混凝土结构储存冷量或热量；到了白天关闭系统后，建筑结构会缓慢释放或吸收热量，使室内温度自然维持在舒适范围内。[4]这种做法被称为“热启动建筑系统”（Thermally Activated Building Systems，简称 TABS），通过利用结构蓄热来降低高峰用能需求，提高整体能源效率。

“辐射供暖”和“辐射制冷”这两个术语通常用来描述这种系统，因为人体感受到的热舒适中，有相当一部分来自辐射换热。不过从技术角度来说，只有当地面与室内空间之间超过50%的热交换是通过辐射方式完成时，这种说法才是严格意义上准确的。[5]

水暖系统[编辑]

水暖系统使用水或水与防冻剂（如丙二醇）的混合物作为传热流体，在地板和锅炉之间的闭式循环系统中进行供热。[6]

有多种管道专用于辐射采暖和制冷系统，通常由聚乙烯制成，包括PEX、PEX-Al-PEX和PERT。一些地区或特殊应用中仍然使用聚丁烯（PB）以及铜管或钢管等较老的材料。[7]

水暖系统需要经验丰富的设计师和技术人员，他们熟悉锅炉、循环泵、控制装置、流体压力和温度等传感部件。采用主要用于区域供热和制冷的现代化工厂组装的换热站，可以大大简化设计要求，并缩短水暖系统的安装和调试时间。[8]

地板采暖可以采用多种热源，例如热电联产、天然气、丙烷、燃油、电锅炉、生物质锅炉等等。当热源是热泵时，地暖尤其适用，因为地暖使用的水温比使用散热器的系统低，从而提高了热泵的效率。[9]

File:Underfloor heating pipes 1.jpg
地暖管道，在被找平层覆盖之前
File:FußbodenheizungSteuerung.jpg
地板采暖分集水器


电热系统[编辑]

电热系统仅用于供暖而不能制冷，采用不具腐蚀性且柔性的加热元件，包括加热电缆、预制电缆垫、青铜网以及碳膜。由于其结构厚度较低，可安装于蓄热层中，或直接铺设于地板饰面材料下方。电热系统还可配合分时电价计费方式使用。[10]常见应用包括地毯加热器、便携式区域地毯下加热器、复合木地板下加热系统、磁砖下加热、实木地板下加热，以及地板保温系统（包括淋浴地板及座椅下加热）。大型电热系统同样需要专业设计人员与技术工种安装，但相较之下，小型地板保温系统的施工要求较低。与水暖系统相比，电热系统所需元件较少，安装与调试也更为简单。

特点[编辑]

热舒适性[编辑]

根据 ANSI/ASHRAE 标准 55——《人体占用空间之热环境条件》 的定义，热舒适（thermal comfort）是指：“一种表达对热环境感到满意的心理状态，并透过主观评估来判定。”具体就地板辐射供暖而言，热舒适受到地表温度以及相关因素的影响，例如辐射不对称（radiant asymmetry）、平均辐射温度（mean radiant temperature）以及操作温度（operative temperature）。操作温度等于室内空气温度和平均辐射温度的平均值。与对流系统相比，辐射供暖系统可以在较低的空气温度条件下保持相同的操作温度，也就是相同的热舒适度。[11]

地板辐射供暖透过加热室内表面来影响辐射热交换。当这些表面被加热后，会抑制人体热量的散失，使人产生温暖舒适的感受。这种整体舒适感还会因为传导作用（双脚接触地面）以及对流作用（地表温度影响空气密度）而进一步增强。[12]

室内空气质量[编辑]

地板供暖可对室内空气质量产生正面影响，因为它使人们更容易选择那些通常被认为“偏冷”的地面材料，例如磁砖、板岩、水磨石与混凝土。与其他地板材料相比，这些砌体类表面通常具有极低的挥发性有机化合物（VOC）排放。配合湿度控制，地板供暖还能建立较不利于霉菌、细菌、病毒与尘螨滋生的温度环境。[13][14]当显热负荷从整体暖通空调系统负荷中分离出来后，新风的通风、过滤与除湿可以通过专用新风处理系统（Dedicated Outdoor Air Systems, DOAS）来完成，并以较低的空气换气量运作，以减少空气中污染物的传播。医学界也已认识到地板采暖的相关益处，特别是在降低过敏原影响方面的潜在优势。[15][16]

能效[编辑]

可以通过效率、熵、㶲[17]和功效的原则来评估地板辐射系统的可持续性。当与高性能建筑结合使用时，地板采暖系统可在供暖时以低温运行，在制冷时以高温运行[18]，其温度范围与地热[19]和太阳能热系统通常的温度范围相符。当与这些不燃烧的可再生能源结合使用时，可持续性优势包括减少或消除本来要用于热泵[20]和冷水机组所需电力转换而产生的废气和温室气体，以及减少对不可再生能源的需求，好为子孙后代储备更多能源。一系列模拟评估，[21][22][23][24]以及美国能源部[25][26]、加拿大抵押贷款和住房公司[27] 、弗劳恩霍夫太阳能系统研究所[28]以及美国采暖、制冷与空调工程师学会[29]资助的研究都支持了这一观点。

安全与健康[编辑]

低温地板辐射供暖系统被嵌入地板内部或铺设于地面覆盖材料之下。因此，它不占用墙面空间，不会造成烫伤危险，也不会因意外接触而导致绊倒或跌倒等人身伤害风险。这一特点在医疗机构中被认为是一项优点，特别是对服务老年人及失智症患者的设施而言更为重要。[30][31][32]根据经验，在相似的环境条件下，加热地板能加快潮湿地面的蒸发速度（例如淋浴后、清洁时或液体泼洒之后）。此外，采用流体循环管道的地板供暖系统，对于需要防爆设计的环境也十分适用，因为燃烧设备与电气设备可以远离易爆区域设置，从而提高安全性。

使用寿命、维护和维修[编辑]

设备的维护与维修方式，基本上与其他水系统或暖通空调系统相同；但若管道、电缆或加热垫被嵌入地板内部，维修难度则会提高。早期的实验性应用（例如约 1940 至 1970 年间由 Levitt 与 Eichler 建造的住宅）曾出现嵌入式铜管与钢管系统故障的情况。此外，法院也曾就聚丁烯（polybutylene）与 EPDM 材料问题，将部分管材故障责任归于 壳牌、固特异等公司。[33][34]另外，在 1990 年代中期，也曾出现少数关于电热石膏板（electric heated gypsum panels）失效的公开报导。[35]

大多数安装故障都归因于施工现场疏忽、安装错误以及产品处理不当（例如暴露于紫外线辐射）。混凝土安装标准[36]和辐射供暖制冷系统设计、施工、运行和维修的良好实践指南[37]要求进行浇筑前压力测试，以减少因安装和操作不当而导致的问题。

采用交联聚乙烯（PEX，于 1930 年代开发）及其各种衍生材料（如 PE-RT）的流体系统，在严寒气候条件下的长期应用中已证明具有可靠的耐久性能，例如用于桥面、飞机库停机坪以及起降平台等场合。PEX 已成为住宅应用中相当受欢迎且可靠的选择，适用于新建混凝土地坪、新建楼板梁架结构，以及（梁架）翻修改造工程。由于此类材料以聚乙烯为基础并经过分子交联处理，因此对腐蚀以及典型流体式 HVAC 系统所产生的温度与压力应力具有高度抗性。[38]然而，为确保 PEX 系统的可靠性，安装程序必须精确（尤其是在接头处），并且必须严格遵守制造商对最高水温或流体温度等规格的要求。

设计和安装[编辑]

地板冷暖系统的工程设计受行业标准和规范的约束。[39][40]

技术设计[编辑]

地板系统所交换的热量取决于辐射与对流换热的综合作用。

·       辐射换热根据斯特藩–玻尔兹曼常数（Stefan–Boltzmann constant）保持恒定关系。

·       对流换热则会随时间变化，取决于空气密度及其浮力。空气浮力会随着地板表面温度的变化以及风机作用和空间内人员与物体运动所引起的空气流动而改变。

·       当地板系统处于供暖模式时，其对流换热作用通常比在制冷模式下更为显著。

通常情况下，地暖的对流部分占总传热的近 50%。[41]

传热与湿度控制[编辑]

当供热或制冷管道、加热电缆与其他建筑构件处于同一空间时，可能会发生寄生热传递（parasitic heat transfer）。例如，可能与制冷设备、冷藏区域、生活冷水管线、空调系统及通风管道之间产生不必要的热交换。为控制这种情况，所有管道、电缆及相关建筑构件都必须进行良好的绝缘处理。

在地板制冷系统中，冷凝水可能会在地面表面形成。为防止冷凝，需将空气湿度控制在较低水准（低于 50%），同时将地面温度保持在露点温度以上，约为 19°C（66°F）。[42]

建筑系统和材料[编辑]

地坪下热损失

  • 土壤的热导率会影响地面与地坪（加热或冷却的楼板）之间的热传导。
  • 含水量超过 20% 的土壤的热导率可能比含水量低于 4% 的土壤高出 15 倍。[43]
  • 应评估地下水位和土壤总体状况。
  • 国家能源规范要求使用合适的地坪下保温材料，例如硬质挤塑聚苯乙烯或膨胀聚苯乙烯。[44][45]

外墙框架的热损失

  • 加热或冷却的底层地板会增加室外和采暖（空调）房间之间的温差。
  • 框架木材（例如过梁、横梁和悬臂梁）形成的空腔必须根据气候和建筑技术，使用合适值的硬质保温材料、毡状保温材料或喷涂保温材料进行隔热。

砌体及其他硬质地面注意事项

  • 混凝土地面必须考虑因固化过程以及温度变化所引起的收缩与膨胀。
  • 浇筑地面（如混凝土、轻质找平层等）的养护时间和养护温度必须符合行业标准。
  • 对于所有砌体类地面材料，都必须设置控制缝与伸缩缝，并采用裂缝抑制措施，包括：

木地板

木材的尺寸稳定性主要取决于其含水率。[46]不过，在木地板受热或降温时，以下因素也会影响其尺寸变化：

  • 木材种类（Wood species）
  • 加工方式（如四分之一锯切 quarter sawn 或平锯 plain sawn）
  • 安装前的适应期（Acclimation period）
  • 室内空间的相对湿度（Relative humidity）

控制系统[编辑]

地板供暖与制冷系统可以设置多个控制点，包括对以下方面的管理：

  • 供热与制冷设备中的流体温度（例如锅炉、冷水机组、热泵中的流体温度）,这会影响系统的运行效率。
  • 从设备机房到辐射分集水器之间的配水网络中的流体温度,这会影响系统的初始投资以及运行成本。
  • PE-X 管道系统中的流体温度，取决于以下因素：
    • 供暖与制冷负荷需求
    • 管道间距
    • 向上与向下的热损失
    • 地面材料特性
    • 操作温度（Operative temperature），该温度综合了平均辐射温度与干球温度。
  • 表面温度取决于：[47]
    • 舒适度
    • 健康与安全
    • 材料完整性
    • 露点（用于地板冷却）。

机械原理图[编辑]

File:Radiant-based-HVAC-system-for-heating-and-cooling.png
辐射式暖通空调系统示意图示例

图中所示为一个简化的机械系统示意图，展示了一种满足热舒适需求的地板供暖与制冷系统 ，并配有一套独立的空气处理系统以确保室内空气质量[48][49]。在中等规模的高性能住宅（例如总空调面积低于3000平方英尺（278平方米））中，采用成套水力控制设备的这种系统，所占空间大约与一个洗手间面积相当。

经济[编辑]

地板采暖系统的价格范围差异很大，取决于地区、材料选择、应用方式以及项目复杂程度。该系统在北欧、亚洲和欧洲其他地区被广泛采用，因此市场相对成熟，系统价格也比发展较不成熟的市场（如北美）更为便宜。

低温辐射供暖系统和高温辐射制冷系统非常适合与区域能源系统结合使用。这是因为能源中心与建筑之间存在合适的温差，使得可以采用小直径保温管道的配水网络，并且所需的泵送功率较低。在供暖模式下的低回水温度以及在制冷模式下的高回水温度，能够使区域能源中心达到最高运行效率。这些将地板辐射系统与区域能源结合的原理，也同样可以应用于独立的多层建筑，并能获得相同的优势[50]。

此外，地板辐射系统非常适合与可再生能源结合，例如：

  • 地热能（geothermal）
  • 太阳能热利用系统（solar thermal systems）
  • 或任何可以回收废热的能源系统。

系统效率[编辑]

系统效率与能源使用的分析需要考虑多个因素，包括：建筑围护结构的性能、供暖与制冷设备的效率、系统控制方式，以及辐射面板的导热性能、表面特性、管道或加热元件的间距与埋深、运行流体温度，以及循环泵的输送系数 [51]。

对于电加热系统，效率分析也采用类似的方法，但还需要考虑发电的效率。

尽管关于辐射系统效率的问题一直存在争论，既有大量的个人经验性说法，也有科学论文从不同角度提出支持或反对的观点，但在供暖时的低回水温度以及在制冷时的高回水温度，能够使冷凝式锅炉[52]、冷水机组（chillers）[53]以及热泵[54]在其设计的最佳或接近最佳性能状态下运行[55][56]。

此外，由于水的热容量远高于空气，因此在能量输送方面，“电到水（wire-to-water）”的输送系数通常高于“电到空气（wire-to-air）”的输送系数，这使得以流体为基础的系统在效率上通常优于以空气为基础的系统[57]。现场应用研究与模拟研究都表明，采用辐射制冷系统结合专用室外空气系统（Dedicated Outdoor Air Systems, DOAS），可以显著节省电能，而这在一定程度上正是基于上述原理[58][59]。

在被动式房屋（Passive Houses）、R-2000住宅或净零能耗建筑（Net Zero Energy buildings）中，辐射供暖的低温与辐射制冷系统的高温运行条件，非常有利于系统提高㶲效率。 [60]

在住宅地板采暖系统中，分集水器的材料在热性能和耐久性方面起著关键作用。镀镍黄铜分集水器被广泛使用，因为与不锈钢分集水器相比，它们具有高强度、高性价比以及更好的耐腐蚀性能。行业机构的研究表明，镀镍黄铜分集水器可以提高地暖系统的效率和使用寿命。[61][62]

地面覆盖材料的效率考量[编辑]

系统效率也会受到地板覆盖材料的影响。地板覆盖层在地板结构与室内人员及其他物体之间形成一个辐射边界层。例如，地毯相比瓷砖具有更高的热阻或更低的导热性。因此，铺设地毯的地板通常需要更高的内部地板温度才能达到相同的供暖效果，这可能会降低锅炉和热泵的效率。不过，如果在系统安装时就已经确定地板覆盖材料，则可以通过合理设计管道间距来达到该覆盖材料所需的内部地板温度，而不会降低能源设备的效率。不过需要注意的是，较高的内部地板温度可能会导致地板非室内侧表面的热损失增加[63]。

地板表面的发射率（emissivity）、反射率（reflectivity）和吸收率（absorptivity）是决定其与室内人员及空间之间进行热交换能力的重要因素。未经抛光的地板材料通常具有非常高的发射率（约0.85至0.95），因此能够很好地作为热辐射体[64]。

在地板供暖与制冷系统（也叫做“可逆地板”）中，具有高吸收率和高发射率、但低反射率的地板表面材料是最理想的。

热成像评估[编辑]

热成像技术（thermography）是一种有用的工具，可以观察地板采暖系统从启动阶段到正常运行状态时的实际热效能。在系统刚启动时，很容易辨认出管道的位置；但当系统进入稳定运行状态后，就较难看出管道的位置。正确解读热成像图像非常重要。与有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）一样，图像所显示的只是拍摄当时的热状态，并不一定代表系统的稳定运行条件。例如，在图像中看到的表面可能看起来“很热”，但实际上其温度可能低于人体皮肤和核心体温的正常温度；而能在图像中“看到”管道，也并不意味着人能在地面上“感觉到”管道的位置。

此外，热成像还可以帮助发现建筑围护结构中的缺陷、热桥现象以及与外门相关的热损失等等。[65]

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