引言与传统供暖方式相比，低温热水地板辐射供暖方式具有室内温度分布均匀、噪声小、可利用品位低能源等优点，在暖通空调领域得到广泛应用[1-4]。张伟[5]等发现，与暖气片供暖方式相比，地板供暖方式更节能且室内扬尘小、设计温度更低、室内温度分布更均匀，人体感觉更舒适。李金平[6]等通过现场试验测量室内温度、湿度、风速等指标，发现地板供暖下的室内风环境和湿环境均优于散热器供暖的室内环境。传统地板供暖系统主要为湿式地暖系统，即混凝土填充式地面，一般由防潮层、绝热层、填充层、找平层等构成，施工较复杂，推广应用过程中容易出现施工工艺不规范、随机性大、热惰性等问题，导致地板供暖难以达到预期的结构设计和热设计效果。随着建筑领域装配式材料的发展，装配式地板辐射模块很好地解决了传统供暖系统存在的问题[7]。装配式建筑具有集成化、工业化和绿色环保等特点。Pons[8]等研究了西班牙多所学校的建筑能耗，结果显示，与现浇建筑相比，装配式建筑消耗的资源和产生的废物更少，对环境的负面影响降低约50%。Silva[9]等提出了新型装配式模块的改造方案，利用模拟仿真的方法对装配式模块的性能进行优化，使改造后的建筑实现零能耗。装配式地板辐射系统采用预制沟槽地暖模块，可以减少前期施工安装的难度与预算，有利于后期系统的检修与零件更换。装配式辐射地板供暖系统主要为干式地暖系统，即预制沟槽保温/供暖板式供暖系统。装配式辐射地板供暖系统不设置填充层，可预制加工，简化了施工安装过程，主要以辐射换热对供暖空间、设备、围护结构及室内人员进行加热，提高人体的舒适感[6]。申德艳[10]等提出了1种装配式地板辐射供暖系统，将加热管直接置于保温材料层中，管的上下部分均覆盖1层铝箔，通过试验证明了系统满足冬季供暖需求，地板表面温度分布均匀性好，与传统湿式地板辐射供暖系统相比，装配式地板辐射供暖系统的地板向下的散热量占总热量的比例较小。搭建装配式地板辐射供暖系统，使用Airpak软件建立实验室房间模型，生成温度分布图，验证模型数据的准确性，对比装配式地板辐射供暖系统与传统湿式地板辐射供暖系统的供热效果。1试验平台搭建及测试方法在山东省济南市大学校园的实验室搭建装配式地板供暖系统试验平台。济南市位于暖温带半湿润大陆性季风气候区，冬季干燥寒冷。实验室房间尺寸为6.6 m×5.4 m×3.8 m，房间外窗嵌于西外墙，东邻走廊，南北内墙相邻其他实验室和办公室，房间内墙贴厚25 mm、导热系数0.028 W/(m·K)的保温挤塑板。实验室平面结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F001图 1实验室平面结构低温热水地板辐射供暖系统包括电加热系统、地板辐射供暖末端和自动控制系统共3个部分。低温热水地板辐射供暖系统如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F002图2低温热水地板辐射供暖系统供暖末端在实验室的水泥地面上部铺设装配式地暖板块，隔热层厚约40 mm，表面设置地暖盘管U形卡槽，水管置于卡槽内，管径20 mm，水管上方铺设木地板。供暖盘管采取回折形埋管方式，每个回路总管长81 m，管间距200 mm，便于后期统计试验数据以及建立模型。实验室平均分为6个区域。温度传感器被布置在6个区域中心线上的不同位置，6个传感器位于保温层下的地板层，6个位于保温层与地板层之间，6个位于地板表面，剩余30个传感器位于6个区域地面以上0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m处，共布置48个分辨率为0.01、测量精度为 0.1的PT1000温度传感器。传感器连接自动控制系统，每隔15 min自动记录采集数据。实验室外安装记录温度和湿度的传感器，将监测数据实时储存于实验室系统内。实验室地板供暖管路及区域分割标准如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F003图3实验室地板供暖管路及区域分割标准2装配式地板辐射供暖系统试验供暖试验时间为2022年1月至3月，供水温度35 ℃。区域一在3月的温度变化如图4所示。点1、点2、点3、点4、点5、点6分别位于距地面上表面0 m、0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m处。1月室内达到最高温度的时间点如图5所示。1月室内达到最低温度的时间点如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F004图4区域一在3月的温度变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F005图51月室内达到最高温度的时间点10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F006图61月室内达到最低温度的时间点由图4可知，室内各区温度的走向和规律基本相同，横向温度分布受到门窗、走廊等位置的影响，产生区域性微弱差异；分析纵向温度分布发现，地板加热层温度最高，地板表面温度次之，地面上方0.5 m处至地面上方2.5 m处屋顶，随着高度升高，空气温度逐渐降低。由图5、图6可知，房间各测温点的温差变化较为稳定，最高温度与最低温度实现时间点的差距较小，房间整体呈现较小的垂直温度梯度和“脚热头冷”的热环境，有利于人体血液流动，舒适性较高。3装配式地板辐射供暖系统数值模拟3.1数值模拟方法及模型验证Airpak软件采用计算流体力学中的有限体积法离散控制方程，设置离散格式为一阶迎风格式，默认松弛因子参数，计算精度为单精度，流态为稳态流动。收敛精度的连续性方程、动量方程的相对误差为1×10-4，能量方程相对误差为1×10-6。网格划分的质量会影响计算结果的精度，模型采用六面体非结构化网格，网格处理方式为Normal型，网格最大单元的x、y、z尺寸为该空间对应尺寸的1/20，对门窗、电脑、地板表面和散热器进行网格加密。求解方程前，将天花板、地面和四周墙壁的优先等级设置为0，保证靠墙物体在划分网格中的优先权比墙高。模型x-y轴平面的温度分布如图7所示。实验室横向温度分布会受到门窗、走廊等位置的影响，靠近外墙外窗区域的温度呈下降趋势；分析纵向温度分布，地板加热层温度最高，其余各区的纵向温度分布均匀；房间西半区温度稳定为20~22 ℃，东半区温度稳定为22~25 ℃，模拟云图中的温度分布与实际试验数据具有一定的差异，但整体温度分布走向一致，验证了模型的可行性。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F007图7模型x-y轴平面的温度分布3.2模拟结果与分析传统地暖普遍采用水泥砂浆作为结构的固定与支撑材料，装配式地暖采用挤塑式聚苯乙烯(XPS)塑料保温材料。地暖材料参数对比如表1所示。根据实验室地热盘管类型，加热管间距为200 mm、地暖供水系统平均水温取38 ℃时，分别得到装配式地暖系统与传统地暖系统在开始供热到温度分布稳定时的室内温度分布情况，两个系统的室内温度均在50~55 min时达到稳定状态。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.T001表1地暖材料参数对比参数挤塑式聚苯乙烯水泥砂浆密度/(kg/m³)251 800比热容/[J/(kg·m)]1 4701 050导热率/[W/(m·K)]0.0320.930地板上表面为人脚所在位置，地板上1.5 m高度大致为人头部所在位置，选取典型截面（y=1.5 m）的温度场云图进行分析。装配式地板与传统地板表面与上方1.5 m处的温度分布如图8~图11所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F008图8装配式地板表面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F009图9装配式地板上方1.5 m处温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F010图10传统地板表面温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2022.12.001.F011图11传统地板上方1.5 m处温度分布采用装配式地暖系统时，人的头脚温差为5~10 ℃，采用传统地暖系统时人的头脚温差为7~11 ℃。室内设计温度为22 ℃时，与传统地暖系统相比，装配式地暖的功率更小、房间横向温度变化更小、房间整体温度更均匀，更能满足房间内人体舒适度。采用装配式地暖系统时，地板上表面越靠近外墙温度越低，1.5 m水平面的电脑和门窗所在局部区域温度轻微上升，其余区域温度基本相同，整体温度十分均匀；采用传统地暖系统时，地板上表面和1.5 m水平面越靠近外墙温度越低，房间最低温度出现在靠近外窗的位置，横向温度梯度较大，整体温度呈现西冷东热状分布。与传统地暖系统相比，装配式地暖系统减少了前期施工投入，方便后期检修，可以在较短时间内达到室内温度的稳定，温度分布更均匀，可以改善供暖环境的舒适性与节能性。4装配式地板的经济性装配式地板的舒适度不亚于传统湿式地板，具有热量利用率高、前期投入少、后期便于检修等优点[11-13]。在此基础上，对比装配式地板辐射供暖、散热器集体供暖和空调供暖共3种供暖方式在初投资和运行方面的费用。4.1初投资实验室面积为36 m2，以实验室面积作为取暖面积，计算一整套取暖系统（系统、设计、安装、维护和售后服务）的预算，装配式地暖的初装费预算约0.5万~1.2万元；暖气片的初装费预算约0.5万~0.7万元；空调供暖的初装费预算约0.4万~1.0万元。装配式地板辐射供暖的初投资最高，散热器供暖的预算最低，空调供暖的可选择区间较大。4.2运行费用装配式地板供暖系统和空调供暖系统以电能作为能源。假定1月~3月为供暖季，计算系统的运行费用，供暖期共90 d，采用节能模式运行。目前，济南电费按档收费，一档（不足210 kWh）为0.546 9元/kWh，二档（210~400 kWh）电费升高0.050 0元/kWh，三档（大于400 kWh）电费升高0.300 0元/kWh，且实行阶梯电价。（1）装配式地暖：供水平均温度为38 ℃时，热量转换功率为40 W/m2，36 m2的房间的单位时间消耗热量为1 440 W，每小时耗电量1.44 kWh，每月运行486 h，每月耗电699.84 kWh、每月耗电费用为529.69元、取暖期电费共1 589.08元。（2）空调：比较定频空调、变频空调的运行费用。三匹空调的制热用电功率为1 900~2 100 W，制热附加用电热功率为1 000~1 500 W。三匹空调的制热功率为5 130 W，制热1 h的最大耗电量为5.13 kWh，变频空调的每小时最大耗电量约为定频空调的40%，即2.05 kWh。根据室内面积、朝向及层高等因素，选择三匹空调机，计制热功率约7 500 W。定频模式的每月耗电量为2 493.18 kWh、每月耗电费用为2 048.47元、取暖期电费为6 145.42元；变频模式的每月耗电量为1 108.08 kWh、每月耗电费用为875.43元、取暖期电费为2 626.30元。（3）散热器：2021年济南市集中供暖，非居民住宅取暖费为34.5元/m2，实验室面积约36 m2，实验室采用散热器集中供暖的费用为1 242元。装配式地板辐射供暖系统在保证舒适度的情况下，具有经济节能的优势，代入模拟工况对比运行费用。运行费用排序为空调装配式地暖散热器。考虑后期维修等问题，装配式地板具有更换与维修较容易、花费较低的优势。5结语通过搭建试验平台、模拟等方法，验证在低温热水地板辐射供暖系统中应用装配式地板能够简化地暖结构，减少前期施工和后期维修，保证供暖室内热量扩散速度快、温度分布均匀，符合人体的舒适性需求，初投资和运行费用方面也具有一定的经济可行性。因场地有限，试验结论具有一定的局限性；试验过程中容易受到外界不可控因素的影响，部分试验数据波动较大，后续可以继续改进试验环境与方案。考虑结合装配式地板与相变蓄热材料，在地板中添加相变材料，利用夜间的廉价电力，晚上储存能量，白天释放能量，达到供暖舒适性与节能性兼得的效果。