徐 偉 張爍培 吳智慧 詹先旭 陶 鑫 楊 勇

1 低溫?zé)彷椛涞匕甯攀?/h2>

低溫?zé)彷椛涞匕迨堑匕逍袠I(yè)研究的熱點所在，是當(dāng)下以節(jié)能、環(huán)保為主題的應(yīng)勢發(fā)展之需。其主要采用低溫輻射進(jìn)行采暖，是國內(nèi)外普遍認(rèn)可的理想供暖方式。

低溫?zé)彷椛涫侵竿ㄟ^埋于地板下的熱源，來加熱采暖空間的地板，以整個地板鋪設(shè)面作為散熱面，實現(xiàn)向使用空間散熱供暖的一種采暖形式[1]，其原理及散熱形式如圖1所示。

低溫?zé)彷椛涞匕宀膳哂幸韵绿攸c：

地表空間溫度呈梯形均勻變化。以整個鋪設(shè)地面為散熱面向外界輻射熱量，使得室內(nèi)空間溫度隨著高度的增加呈梯度形式自下而上不斷遞減變化形式呈現(xiàn)下降趨勢，地板表層溫度稍高，符合溫度變化特點。

圖1 低溫輻射供暖原理及散熱形式示意圖Fig.1 Schematic diagram of low temperature radiant heating principles and radiating forms

舒適度比較高。按照中醫(yī) “熱從頭生，寒從足入”的理論[2]可知，腳底溫暖，更益于健康。人的腳底在達(dá)到一定溫度時，能促進(jìn)足部血液循環(huán)，從而改善全身血液循環(huán)，促進(jìn)新陳代謝，提高人體免疫力，增強(qiáng)抵抗力，進(jìn)而使人體舒適度達(dá)到最高。同時，低溫?zé)彷椛涞匕宀膳到y(tǒng)的空間溫度變化適宜人體接觸，給人以舒適感。

熱源選擇范圍廣，減少環(huán)境污染。由于低溫?zé)彷椛洳膳到y(tǒng)采用低溫?zé)嵩?，故可以有效地利用多種低溫?zé)嵩碵3]。如低溫鍋爐供熱、地?zé)?、水供熱，還可利用空調(diào)采暖的回水、發(fā)電廠余熱、城市供熱管網(wǎng)的回水等資源進(jìn)行供熱，減少化石燃料燃燒產(chǎn)物及廢棄物對環(huán)境的污染。

低溫?zé)彷椛涞匕宓牟膳孢m性愈來愈激發(fā)來自國內(nèi)外各個行業(yè)的學(xué)者們的研究興趣。在國內(nèi)，王艷偉、孫偉圣[4]等人根據(jù)發(fā)熱地板表面實木材料的要求與特點，對其材料進(jìn)行了研究，并總結(jié)出了幾種實木材料的改性方式；王艷偉、吳忠其[5]等人又從結(jié)構(gòu)與發(fā)熱機(jī)理、產(chǎn)品特點以及國內(nèi)外研究進(jìn)展等方面，介紹了碳纖維電加熱地板；董建征[6]通過對溫控器工作原理的深入研究，開發(fā)了一種新型地板用智能溫控裝置；陳思婷[7]的實驗得出具有相變材料層的電加熱地板輻射采暖系統(tǒng)不僅可以延長電熱膜壽命，還可實現(xiàn)建筑供暖熱舒適及經(jīng)濟(jì)節(jié)能效果的結(jié)論；陳進(jìn)[8]對以水為媒介的發(fā)熱地板采暖設(shè)計方案改進(jìn)進(jìn)行了一系列理論闡述；常纓[9]通過對不同供暖方式的比較分析，得出以電為媒介的發(fā)熱方式優(yōu)勢更為明顯，提倡更為節(jié)能的采暖方法；潘彪、石江濤、朱一辛[10]等人研究得出杉木板材的縱橫交錯層積排列對地板的耐熱干縮率和耐濕膨脹率有明顯幫助等，對地板面層材料、基層材料的選用方面有一定的指導(dǎo)作用。

在國外，Heba A.L. Maleh 等[11]人研究了太陽能熱水地板輻射采暖系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其需要的熱水溫度低于被動式熱空氣采暖系統(tǒng)，可充分利用可再生太陽能資源，大幅度減少了建筑物采暖能耗； P.R.Gibbs[12]建立了地板輻射采暖的多房間控制模型，采用3種不同控制方式進(jìn)行控制，結(jié)果表明室外設(shè)定控制和脈動控制閥門相結(jié)合控制方式效果較好；Jungki Seo和Jisoo Jeon等[13]研究了不同木地板構(gòu)造對地板輻射采暖系統(tǒng)的熱工性能的影響，表明復(fù)合木地板因密度高和厚度薄，具有好的導(dǎo)熱系數(shù)，適用于地板輻射采暖系統(tǒng)的木質(zhì)使用材料等，為今后輻射采暖系統(tǒng)的細(xì)節(jié)研究以及系統(tǒng)優(yōu)化提出了新的思路以及研究方向。

2 低溫?zé)彷椛涞匕宀膳绞椒诸?/h2>

大量研究表明，針對不同形式地板采暖供暖源的研究，主要是根據(jù)各國國情，圍繞降低能源消耗這一核心目標(biāo)。為此，出現(xiàn)了多種有關(guān)熱輻射地板采暖形式的分類方法，最常見的是按照供熱方式進(jìn)行分類，可以分為水暖、電暖兩大類。

2.1 以熱水為媒介的發(fā)熱方式

低溫?zé)彷椛洳膳到y(tǒng)由四部分構(gòu)成，即：熱源、分水器、采暖管道和集水器[14]，其發(fā)熱原理是指：以溫度不高于60 ℃的熱水為熱媒，供水溫度不超過輻射表面溫度的輻射供暖[15]，熱水在加熱管內(nèi)循環(huán)流動，以輻射和對流的傳熱方式向室內(nèi)供熱的供暖方式。地面被加熱后，能釋放8～13μm的遠(yuǎn)紅外線，對人體產(chǎn)生刺激，使人感到溫暖[16]，其連接形式如圖2所示。

圖2 低溫?zé)崴┡Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of low temperature hot water heating structure

在國內(nèi)，以水為熱源的加熱方式，其供應(yīng)系統(tǒng)按照熱的加熱方式不同可以分為集中式、電熱水器、燃?xì)狻⑷加蜔崴?、太陽能熱水器幾大類[17]。韓國、日本、德國、芬蘭、意大利、奧地利等國家根據(jù)自己國家的國情及地域等特征的不同采用的熱水供暖形式也略有不同。

2.2 以電為媒介的發(fā)熱方式

以電為媒介的發(fā)熱方式又分為發(fā)熱電纜輻射供暖和低溫電熱膜輻射采暖兩種形式。

2.2.1 以發(fā)熱電纜為媒介的輻射供暖

發(fā)熱電纜地面輻射供暖的方式是以電力為能源，發(fā)熱電纜為發(fā)熱體，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，以采暖房間的鋪設(shè)面為傳熱媒介，以低溫輻射對流的傳熱方式向室內(nèi)供熱的一種供暖方式。常用發(fā)熱電纜分為單芯電纜和雙芯電纜[18]，發(fā)熱電纜由電熱線、特氟龍絕緣外套和不銹鋼絲編織網(wǎng)保護(hù)層三部分組成[19]。電纜發(fā)熱內(nèi)芯外包裹的絕緣層，用以對抗電流、電壓、電場等對外界的影響，因此在設(shè)計發(fā)熱材料的緊密層積結(jié)構(gòu)時，要有絕緣材料的使用，防止漏電產(chǎn)生危險，如使用耐高溫、變形小、抗壓性好的聚氨酯樹脂材料。

以電纜為媒介的采暖形式采用對流的形式，而研究表明，在對流、傳導(dǎo)、輻射三種熱量傳遞方式中人們對低溫輻射傳熱的感覺最好，能給人以舒適的溫度體驗，其加熱連接形式如圖3所示。

通過本綜述，我們認(rèn)識到脂肪不只是傳統(tǒng)認(rèn)為的儲備器官，也可能是一個啟動能量平衡調(diào)節(jié)的內(nèi)分泌器官，因此，是否可以將瘦素作為肝病的常規(guī)/輔助監(jiān)測項目，或作為一種治療藥物（治療肥胖、不育癥，抗腫瘤）等仍有待進(jìn)一步研究。

圖3 發(fā)熱電纜輻射供暖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of heating cable radiation heating structure

2.2.2 以電熱膜為媒介的輻射供暖

低溫輻射電熱膜是一種通電后能發(fā)熱的半透明聚酯薄膜，由可導(dǎo)電的特制油墨、金屬載流條經(jīng)加工、熱壓在雙層絕緣聚酯薄膜間的純電阻式發(fā)熱體[20]。

以低溫輻射電熱膜為發(fā)熱介質(zhì)的采暖方式的發(fā)熱原理是以墻壁、地面或頂棚為嵌入點，利用建筑物的墻壁、地面和屋頂對輻射源發(fā)出的紅外線進(jìn)行反射，將熱量以輻射的形式送入空間，使人體得到溫暖。此種形式并非以空氣為加熱媒介，而是依靠墻壁、地面、家具等吸收熱量，在其溫度升高后散發(fā)出輻射熱，均勻提高室內(nèi)溫度，達(dá)到最佳供暖效果。此種連接形式[21]如圖4所示。

圖4 電熱膜輻射供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of electrothermal membrane radiant heating system

此種供暖方式在日本、韓國等國家的需求量日益增加，而我國也由早期的頂棚供暖形式逐漸地轉(zhuǎn)為電熱膜采暖形式，并且逐步擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍[22]。

3 低溫?zé)彷椛涞匕邃佋O(shè)結(jié)構(gòu)形式

以不同元件為媒介的發(fā)熱形式對應(yīng)不同的地板鋪設(shè)結(jié)構(gòu)，而對不同鋪設(shè)結(jié)構(gòu)的研究能對發(fā)熱地板的層積結(jié)構(gòu)形式有一定的指導(dǎo)作用，并對其加工工藝產(chǎn)生一定的影響。

3.1 以熱水為媒介的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)

以熱水為媒介的鋪設(shè)方式較為成熟，但消費者對其褒貶不一。任何采暖方式都有一定的限制，有一定的適用范圍，熱水溫度通常不超過50 ℃，否則會影響盤管的使用壽命。此種形式設(shè)有填充層，熱穩(wěn)定性較好，散熱產(chǎn)熱性能較好。為了達(dá)到良好的采暖效果，常見的地板結(jié)構(gòu)為混凝土埋管式低溫?zé)崴椛涞匕澹渲饕獦?gòu)造方式從上到下依次可為：地面層、找平層、填充層、盤管、保溫層、防潮層[23]，大致結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 采暖地板結(jié)構(gòu)層構(gòu)造示意圖Fig.5 Schematic diagram of construction of heating floor structure

3.2 以發(fā)熱電纜為媒介的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)

在鋪設(shè)時，首先根據(jù)設(shè)計方案采用的發(fā)熱功率，確定電纜的規(guī)格尺寸，進(jìn)一步確定電纜鋪設(shè)間距，繼而根據(jù)單位面積的實際發(fā)熱效能，選擇一定規(guī)格的溫度控制裝置[24]，此種方式解決了傳統(tǒng)暖水管道供暖的維修難、壽命短等缺陷，不僅縮短了施工工期，更降低了工程成本。

根據(jù)此種發(fā)熱方式的優(yōu)缺點，確定了發(fā)熱電纜低溫輻射供暖技術(shù)的構(gòu)造作法，從下至上可以大致鋪設(shè)為: 地面混凝土找平層、聚苯板絕熱、鋁箔熱反射層、固定鋼絲網(wǎng)、尼龍帶綁扎固定發(fā)熱電纜、混凝土覆蓋層和墻面溫度控制器[25]，如圖6所示。

3.3 以電熱膜為媒介的鋪設(shè)結(jié)構(gòu)

圖6 發(fā)熱電纜地面輻射供暖結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of heating cable radiant floor heating

圖7 電熱膜輻射地板樓板構(gòu)造示意圖Fig.7 Schematic diagram of the electrothermal radiant floor construction

對比三種形式的發(fā)熱、產(chǎn)熱的優(yōu)缺點，電熱膜材料的使用發(fā)熱效果相對較好，其熱的轉(zhuǎn)化率較高，安全性高。相對于電熱膜的使用，碳纖維發(fā)熱材料具有多種優(yōu)良特性，其主要表現(xiàn)在：軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比強(qiáng)度高，耐超高溫，耐疲勞性好，比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小且具各向異性，是發(fā)熱地板核心材料的首選。

4 低溫?zé)彷椛涞匕逭雇?/h2>

筆者通過對低溫?zé)彷椛涞匕宀膳Y(jié)構(gòu)及其鋪裝特點現(xiàn)狀進(jìn)行論述，對發(fā)熱地板結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新具有一定的借鑒意義。地板的鋪裝核心在于發(fā)熱原件，這也是發(fā)熱地板結(jié)構(gòu)的核心所在，采用碳纖維發(fā)熱材料，能更好地保證熱量的傳遞形式，并且能有效地轉(zhuǎn)化熱能。

而為了保證電能等能源能最大化轉(zhuǎn)化為熱能，提高能量的利用效率，地板產(chǎn)品不僅具有發(fā)熱性能，還應(yīng)有保溫隔熱的性能。對于保溫材料的選擇，通常選用保溫性能好的反射膜，阻隔能量向下傳遞，進(jìn)一步降低能量損失，反射層設(shè)在發(fā)熱層與保溫層之間[26]，這與鋪設(shè)地板時的保溫層具有異曲同工之效。

在鋪設(shè)地板時，在基材層與發(fā)熱層之間會設(shè)置找平層。對于面型構(gòu)件而言，不需要相應(yīng)的層面，但要求面型構(gòu)件具有較好的表面平整度，故在制備成品地板時對壓力的均勻性及材料的平整性提出一定要求，通常選用實木復(fù)合材料或者重組木等性能較好的實木材料。

在材料的主層結(jié)構(gòu)初步確定后，外包裝結(jié)構(gòu)也應(yīng)該進(jìn)行優(yōu)質(zhì)選擇，以吸引消費者目光，即設(shè)置地板表面裝飾材料層。木材的裝飾類型有刨切薄木或者油漆等，而油漆在低濕度，超室溫條件下，可能產(chǎn)生龜裂等缺陷，擬采用科技木等刨切薄木裝飾，其優(yōu)點為紋理優(yōu)美、能避免原木材料的缺陷，是裝飾材料層的較優(yōu)選擇。

根據(jù)地板自身特性，雙面都會設(shè)置基材，通常情況下，表面與底面會使用同種材料，以保證地板的功能特性。根據(jù)應(yīng)力平衡原則以及結(jié)構(gòu)對稱原則，會在基材底部設(shè)置平衡層，防止地板在使用過程中產(chǎn)生一定缺陷，對后期地板的使用有不良影響。

通過以上概述，得出的發(fā)熱地板可能存在的結(jié)構(gòu)形式，從底層到面層為：平衡層、基層、絕緣層、保溫層、發(fā)熱層、絕緣層、面層和裝飾面層，成品結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

圖8 發(fā)熱木地板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the heating wood floor structure

5 結(jié)語

1）筆者總結(jié)歸納了低溫輻射采暖地板發(fā)熱方式及其結(jié)構(gòu)形式的研究現(xiàn)狀；

2）通過對輻射地板鋪設(shè)結(jié)構(gòu)形式的研究，對發(fā)熱地板的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行創(chuàng)新，希望對發(fā)熱地板結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究有一定的指導(dǎo)作用。

隨著人們對生活品質(zhì)的追求不斷提高，對舒適度的要求亦愈加強(qiáng)烈，室內(nèi)外的方便舒適遍及衣食住行各個方面，地板是舒適度的小部分構(gòu)成，希望通過新型發(fā)熱地板結(jié)構(gòu)的研究，能在節(jié)約能源及優(yōu)化結(jié)構(gòu)等方面產(chǎn)生一定影響，促進(jìn)發(fā)熱地板行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

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