• 五棵松体育馆地板辐射采暖与供热空调设计
  • 2015-09-22

地板辐射供热供冷系统在住宅类建筑中应用的比较多,相关技术规范和数据也大多是针对此类建筑而给出的,在内部结构复杂的大空间建筑中的应用并不常见。而该系统在五棵松体育馆观众休息厅的成功应用表明:地板辐射供冷系统可作为大空间建筑中供热空调系统有益的补充方式。

工程背景

五棵松体育馆是2008年奥运会篮球比赛场地,建筑平面为正方形,中间为比赛大厅,环绕四周的是观众休息厅,休息厅与比赛大厅贯通。两层观众休息厅总面积为12000平方米,可敷设盘管的有效面积为7600平方米。该体育馆的比赛大厅和休息厅采用的都是全空气空调系统,而由于冬季空调系统停止运行后室内温度会比较低,需要设置值班供热系统。另外由于建筑外围护结构为玻璃幕墙,冷热负荷较大,观众休息厅和比赛大厅又不具备设置散热器的条件,所以在观众休息厅拟设地板辐射供热系统来解决比赛大厅和休息厅的值班供热题目。由于受场地限制,夏季供冷空调送风管道所需要的空间难以获得,因此拟采用地板辐射供冷系统承担一部分负荷,以弥补休息厅供冷的不足。

地板传热理论与计算公式的选择

在五棵松体育馆的比赛大厅和休息厅设计地热系统,需要依据相关计算公式,对此,北京市建筑设计研究院在对国内外现有的几种算法进行比较后发现,2000年出版的《ASHRAEHandbookSystemsandEquipment》一书中给出的地板辐射供热供冷系统的传热计算方法与计算公式理论上比较严谨,又符合工程设计的实际要求,因此决定采用此方法计算。经分析,利用该书中的相关传热公式可对地板辐射供热供冷系统进行编程计算。在五棵松体育馆篮球馆工程的设计中,为满足设计计算的需要,该程序采用两种形式的计算:一、在一定的室内设计温度下,给定所需要的地板有效散热/冷量,求解相应的均匀水温及热损失等;二、给定系统均匀水温,求解地板向房间的有效散热/冷量、热损失等。

休息厅地板辐射供热供冷系统的应用研究

由于五棵松体育馆内部结构复杂,完全按照公式计算均匀辐射温度的话,相关数据难以精确获取,为了简化计算,采用室内空气温度代替均匀辐射温度。由于外围护结构为传热系数相对较大的玻璃幕墙,夏季内表面温度较高会导致室内均匀辐射温度高于室内空气温度,而冬季内表面温度较低会导致室内均匀辐射温度低于室内空气温度,使得计算结果与实际换热条件存在一定偏差。经过研究分析,发现此种偏差对于冬季和夏季,都只会使实际辐射换热量增大,因此采用这种简化方式计算是安全的。

一、工程室内设计参数与地板构造

五棵松体育馆观众休息厅空调、供热设计计算参数:夏季室内设计温度为28摄氏度,相对湿度小于即是55%%,冬季正常供热时室内设计温度为19摄氏度,值班供热温度为10摄氏度。地板由20毫米的花岗岩面层、20毫米水泥砂浆、50毫米豆石混凝土填充层、聚苯板保温层和120毫米的楼板组成。

二、辐射地板各项参数的分析选择

休息厅设置地板辐射系统的主要目的是为了解决冬季值班供热题目,因此地板辐射系统各项参数的选择主要考虑冬季工况,夏季只作为常规空调系统的补充,不单独使用。

1、保温层厚度的选择根据对体息厅冬夏两季不同设计工况条件下相关数据的分析得知,地板有效散热量、供冷量随保温层厚度增大而增加,地板下部热/冷损失则随保温层厚度增大而明显降低,但增大趋势均随保温层厚度增大逐渐趋于平缓,当保温层厚度增加到3厘米以后,增大厚度对地板散热、供冷的影响作用已不明显。因此,本工程保温层厚度定为3厘米。

2、管径的选择实际工程中经常使用的辐射地板供热供冷管道直径为15毫米和20厘米,相关数据显示:规格为De20×1.9的PEX管在相同工况下的有效散热量及供冷量略高于规格为Del6×1.8的PEX管,但差距不是很大。由于本工程采用地板辐射的面积较大,管路较长,为减小环路阻力,设计方选择了规格为De20×1.9的PEX管。

3、冷热水供回水温度及布管间距的选择建筑整体的值班供热负荷由地板辐射供热系统承担,计算得单位面积应提供的有效散热量为120瓦/平方米。在满足120瓦/平方米有效散热量条件下(地板表面均匀温度为22.5摄氏度),计算出不同布管间距下的供水温度。再据此计算结果,结合系统的热源条件,将地板辐射供热系统的热水供、回水温度定为40摄氏度/3摄氏度。在此水温下,计算出地板辐射供热系统正常供热与值班供热时不同间距。综合考虑地板有效散热量、工程热负荷要求以及地板表面温度的均匀性,终极将辐射地板布管间距定为300毫米。

休息厅夏季空调室内设计参数为温度28摄氏度,相对湿度小于即是55%,此时露点温度为18.1摄氏度,由于计算中采用室温替换均匀辐射温度会造成一定误差,为安全起见,冷水供回水温度设定为18摄氏度/21摄氏度。计算可得,在300毫米间距下,地板有效供冷量为34瓦/平方米,地板表面均匀温度为22.87摄氏度。

三、综合分析

三种工况下的供热供冷量及地板表面均匀温度计算结果可知:冬季在室温10摄氏度情况下,辐射地板可提供124瓦/平方米的有效散热量,可满足值班供热的要求,正常供热条件下(室温19摄氏度)也可提供78瓦/平方米的热量,配合常规空调使用,可减少空调热风的供给,既能够减少能耗,又可以提供更为舒适的室内环境。夏季辐射地板可提供34瓦/平方米的冷量,可弥补常规空调风量无法满足所导致的冷量不足。供冷时地板表面均匀温度为22.87摄氏度,室内空气的露点温度为18.1摄氏度℃,地板表面均匀温度远高于露点温度,即使由于采用室内温度代替均匀辐射温度造成了一定的偏差,也可以保证地板表面不结露。

实践证实,对于内部结构复杂的空间,可采用室内空气温度代替均匀辐射温度的办法进行简化计算,固然会造成一定偏差,但比实际工况偏于安全。另外,由于供冷地板只能减熔、不能除湿,为防止室内湿度过高而导致地板结露,夏季采用地板辐射供冷前,应先启用常规的空调系统使室内空气相对湿度接近或达到设计值。而当空调系统停止运行后,要及时封闭地板辐射系统。

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