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低温热水地面辐射供暖工程设计

时间:2012-10-08 17:48来源:中国建筑金属结构协会 作者:admin 点击:
低温热水地面辐射供暖工程设计 邬守春 中国轻工业武汉设计院 河北霄岭工程设计咨询有限公司 摘要 :介绍了施工图审查过程中发现的低温热水地面辐射供暖工程设计存在的共同性问题

低温热水地面辐射供暖工程设计
邬守春   中国轻工业武汉设计院 河北霄岭工程设计咨询有限公司         摘要:介绍了施工图审查过程中发现的低温热水地面辐射供暖工程设计存在的共同性问题,进行了简要的分析。对文献[3]中敷设加热管的地面面积F和单位地面面积散热量qx的选取进行了探讨,提出了初步建议,供设计时参考。
    关键词:地面辐射供暖 施工图审查 计算面积 单位地面面积散热量
    在2007年笔者审查的河北省及石家庄市建筑工程施工图设计文件中,采用低温热水地面辐射供暖的工程达43项,包括142项子项,总建筑面积约90.45万m2;子项中128项是5层至33层的住宅,14项是4层及以下为小区服务的非住宅或其他公共建筑。本文就审图过程中发现的地面辐射供暖工程设计存在的问题进行简要小结,并对执行规程中难以掌握的若干问题进行探讨,以与同行进行交流。
    1.国内技术标准中有关辐射供暖的规定
    辐射供暖是利用建筑物内部的顶面(吊顶)、楼面、地面、墙面或其他表面为散热面,以热水、燃气红外线、电为加热载体,主要以热辐射进行热量传递的供暖形式。
    早在1956年莫斯科出版的《混凝土放热板供暖系统》一书[1],介绍了1912年安装于莫斯科加桑医学院附属医院内的混凝土放热板供暖系统,对早期的辐射供暖技术进行了研究。
    当前国内对辐射供暖的设计、施工作出规定的技术标准是辐射供暖工程设计施工的基本准则,应遵照执行。
    ①《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003  包括低温热水地板采暖、热水吊顶辐射板采暖、燃气红外线辐射采暖和加热电缆辐射采暖的设计规定[2]。
    ②《地面辐射供暖技术规程》JGJ142-2004 包括低温热水地面供暖、发热电缆地面供暖的设计与施工验收规定[3]。
    ③《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002 包括金属辐射板采暖和低温热水地板采暖的施工验收规定。
    ④《国家建筑标准设计图集》03(05)K404《低温热水地板辐射供暖系统施工安装》、03K501-1《燃气红外线辐射供暖系统设计选用及施工安装》等也对相关内容作了规定。
    2.审图中发现的主要问题
    根据笔者在审图中发现的问题出现的频率,就一些主要问题分述于下。
    2.1未指出设计计算的前提条件
    进行低温热水地面辐射供暖工程设计时,必须按qx=Q/F求出单位地面面积散热量qx,再根据水温、室温、埋地管材料及直径、地面面层材料及热阻,借助文献[3]的附录A计算埋地塑料管的布置间距和环路长度等。除水温、室温、管材三个条件外,只有知道实际计算面积F和面层材料及热阻,才具备唯一确定性;因此设计计算必须明确该前提条件(见本文第三节详述)。但审图中发现鲜有设计人员能做到这一点。
    2.2忽视对分环路控制室温的要求
    文献[3]3.8.1条以强制性条文规定“新建住宅低温热水地面辐射供暖系统,应设置分户热计量和温度控制装置。”在审查的施工图文件中,128项住宅无一例外的采用分户供暖系统和设置(或预留)热计量装置,但不少项目在“设计说明”中遗漏了对室温控制的要求,一部分施工图虽然从分、集水器安装图和图例对照能猜到在加热管上设了控制阀,但并未提出对控制阀性能的要求。“说明”中无表述,对控制阀无要求,实际上是被设计人员忽视的一个环节。
    2.3埋地加热塑料管的选择
    近几年塑料类管材在暖通空调工程中得到日益广泛的应用,主要是由于低温热水地面辐射供暖系统、顶板或地面冷暖辐射系统、集中供暖计量供热或分户独立热源的住宅户内供暖系统等的需要。
    在笔者审查的施工图中,设计人员选用的加热塑料管种类,按出现的频率依次为交联聚乙烯(PE-X)管、无规共聚聚丙烯(PP-R)管、聚丁烯(PB)管和非交联耐热聚乙烯(PE-RT)管,未发现采用聚氯乙烯耐热(PVC-C)管及铝塑复合管的情况。
    设计人员选择塑料管出现的问题如下:
    a.忽略标注塑料管的使用条件级别
    塑料管的使用条件级别体现了综合热作用
(即设计温度和最高设计温度作用周期的总和)的概念,这是因为塑料管在其全部使用期(寿命周期)内,必然存在不同温度的时间分布,不可能始终处在同一温度作用条件下。使用条件级别对塑料管在不同作用温度下的作用频率作了规定,供工程设计时选用。
    按我国国家标准GB/T18991《冷热水系统用热塑性塑料管材和管件》的规定,低温热水地面辐射供暖工程中塑料管的使用条件级别为4级,即在总寿命周期中,40℃热作用共历时20a,60℃热作用共历时25a,70℃热作用共历时2.5a,各种不同温度热作用周期的总和为50a,还允许意外运行条件下100℃热作用不超过100h(累计)。因此设计人员在“说明”中应标注塑料管的使用条件级别。
    b.塑料管管系列s值计算错误
    在进行塑料类管材的强度验算时,引进了管系列s值的概念,用于确定塑料类管材的尺寸系列,其表达式为

式中-管系列值;-管材许用设计应力,MPa;-系统工作压力,MPa;-管道外直径,mm;-管道壁厚度,mm。
    用上式可以在已知管材的许用设计应力和系统工作压力的条件下,直接计算所选塑料类管材的管系列值,进而确定不同管道外径所需的管壁厚。
    施工图审查过程中,屡屡发现设计人员在不明确系统工作压力(个别案例甚至不明确塑料管的使用级别)的情况下,信手确定管系列值,多数情况都是确定的值偏小,例如,工作压力为0.4MPa的系统,选用PE-X管材标注的管系列值为S5,对应了较大的工作压力,进而确定的管壁厚也偏大。上述情况在提出审图意见后都能得到更正。
    c.管壁厚度选择不合理
    管材的公称壁厚应根据选择的管系列S值及施工和使用中的不利因素综合确定。个别设计人员忽略规范标准中关于限制最小壁厚的规定,选用的壁厚小于最小壁厚。例如,某工程采暖系统工作压力为0.4MPa,选用塑料管直径为De20×1.9,不符合文献[3]B.1.3条“对管径大于或等于15mm的管材壁厚不应小于2.0mm”的规定。这类问题除设计时及时发现外,更应在材料选购和施工时严格把关。
    2.4片面注意加热管最大长度的限制,忽视了最小流速的限制
    文献[3]3.5.2条规定,“连接在同一分水器、集水器上的同一管径的各环路,其加热管的长度宜接近,并不宜超过120m。”在笔者审查的所有施工图中,尚未发现长度超过120m的环路,一方面是规程规定应不超过120m,另一方面是超过120m时会在填充层内增加接头,文献[3]5.3.4条对此作了限制,因此没有发现加热管长度超过120m的情况。
    问题是不少设计人员不能按户内实际情况布置环路,信手布置或者限于条件,将环路长度设定的很小,有的环路总长只有50-60m甚至更短,其所承担的热负荷随之较小,热水流量、流速也较小。由于地埋管是无坡度敷设,为了排除管道内的空气,文献[3]3.5.6条规定,“加热管内水的流速不宜小于0.25m/s。”根据笔者的计算,为保证足够的流速,热水流量(热量)应有一最小值,对于供回水温差为10℃的系统,管径De20×1.9管道的热负荷应不小于2100W,管径De25×2.3管道的热负荷应不小于3300W,否则流速就达不到要求。在审图时,发现不少工程中的个别环路热负荷远小于上述计算值,设计人员往往忽视了对最小流速的限制,容易造成气塞和水循环中断。
    2.5管道排列密集处未采取隔热措施
对于一梯两户的住宅,从管道井通往用户的水管只有两组,而且靠近用户、距离较短,此时只在分集水器附近地面管道排列较密集,一般为6-8根(3-4个环路),部分项目未按文献[3]5.3.8条的要求,对于管间距小于100mm的加热管设置柔性套管,降低地面温度,防止地面过热。对于一梯多户的建筑(个别公共建筑多达到一梯6户),管道井通往用户的管道多埋在公共走道地面下,管道十分密集,许多设计人员往往只按标准图集03(05)k404《低温热水地板辐射供暖系统施工安装》的要求注明在分集水器附近的管道密集处设置柔性套管,甚至引用图集上的详图,但对公共走道地面密集管道的部位,无一能提出这一要求,说明设计人员还不能融汇贯通。
    2.6设计中未区分对不同塑料管的连接要求
    塑料管是低温热水地面辐射供暖系统的热水输送通道,施工过程中必然出现管材的连接问题,不同管材的连接要求是不同的。不少设计人员或由于忽视这一问题,或由于缺少这方面的经验,没有在设计说明中明示对管材连接的要求,成为设计中的一个盲点。
    2.7在低温热水地面辐射供暖系统中采用钢制散热器
    审图中发现个别设计人员基于住宅卫生间不好布置加热管和对地面的防水处理要求严格,常有在卫生间选用小型钢制散热器的情况,而未提出塑料管宜有阻氧层或在水中添加除氧剂的要求。这种情况在审图人员指出后都能进行修改,但是在设计时应尽量避免出现这种情况。
    2.8遗漏地面构造中的隔离层(防潮层)
    为了保持地面构造中绝热层材料的性能,规程规定,卫生间应做两层隔离层,与土壤相邻的地面绝热层下部、其他潮湿房间的地面填充层上部均应做隔离层。审图时发现不少项目未遵循相关的规定,遗漏地面构造中的隔离层,势必影响地面辐射供暖的使用寿命。
    3.难以掌握和甄别的几个问题
    由于低温热水地面辐射供暖技术在我国应用的时间不长,许多设计计算方法是引用国外的方法,有些设计要点虽然在规程中提到,但由于实践经验不足或情况的不确定性,并未提出解决问题的办法,成为设计和审图时难以甄别的难点,现举例如下。
    3.1关于加热管的计算面积
    在单位地面面积所需散热量的公式qx=Q/F中,文献[3]称F为敷设加热管的地面面积,笔者认为称F为计算面积较妥,因为计算散热量时,应考虑家具及其他覆盖物的影响,在覆盖物下的计算面积不等于敷设加热管的地面面积。文献[3]中有两条与此有关,3.4.7条规定:“地面散热量应考虑家具及其他地面覆盖物的影响。” 3.5.7条规定:“地面的固定设备和卫生洁具下,不应布置加热管。”因此,在扣除不布置加热管的面积后,应区分为无覆盖物遮挡、直接敷设加热管的面积和考虑覆盖物影响以后的面积两部分。但究竟如何考虑这种影响、固定设备和卫生洁具应扣除多少面积,并没有明确的规定。实际上,对于住宅而言,由于入住业主的不同爱好和户型的千差万别,各种因素的随机性很大,情况十分复杂,不可能对这两者做出哪怕是极其近似的规定,这就给设计增加了一定的难度,施工图审查时也看不到设计者是如何考虑这种影响的或影响到什么程度。
    文献[4、5]推荐了考虑家具和覆盖物影响的系数,现对照列表如下:
使用房间面积及覆盖率

由上表可知两者的差异还是较大的,文献[5]的结果是经过一番调查的,可供参考,但作者指出,“未能发现这些因素与地板覆盖率之间的规律。”
    文献[5]推荐考虑覆盖物影响的散热量计算公式为

式中F—敷设加热管的地面面积,m2;k—安全系数,取0.65~0.85;A—覆盖程度修正系数,取0.5~0.7;β—覆盖率(见上表)。
笔者建议设计者应在“说明”中明示考虑这种影响的程度、扣除的固定覆盖物的面积等,以形成明晰的概念,待实际施工时再做必要的调整。
    3.2单位地面面积的散热量
    众所周知,设计者在进行加热管布置(确定加热管直径、长度和敷设间距)时,先由公式qx=Q/F计算出单位地面面积所需的散热量qx,再根据加热管种类、水温、室温及地面材料的热阻,借用文献[3]附录A的资料确定管间距并由此计算总长度,以满足房间所需的散热量Q。但由于住宅建筑已形成业主个性装修的市场模式,施工图设计时并不能预测业主入住后采用何种地面材料,而热阻不同的地面材料构成的地面辐射供暖散热面的散热量差别是很大的,如以陶瓷砖等为面层的地面比以木板为面层的地面的散热量高30%-60%,因此,对实际运行的效果是很难预料的,地面材料是随机的,地面散热量和实际效果也是随机的,设计时难以掌握,审图时也难以甄别。近有文献指出[6],地面材料的影响、家具的遮挡可以忽略不计。但这只是个案,不能成为定论。针对这种情况,笔者建议:①设计者初次只给出准确的房间所需散热量Q和建议的加热管地面面积,不出具管路布置图,由业主根据地面材料和实际面积委托专业公司进行二次设计;②设计者初次布置加热管时,应明示设计所用的地面材料及热阻、加热管地面面积和单位地面面积散热量等,实际施工时,由原设计者或专业公司进行必要的修改,使设计更符合实际。③不论采用以上哪种方法,都应在“设计说明” 中明示面层材料热阻的最大限值,即要求面层材料的热阻宜小于0.05m2·℃/W,以规范面层材料的采购,进而保证设计的效果。
    4.结语
    4.1低温热水地面辐射供暖是辐射供暖的一种形式,随着建筑节能工作的推进和该技术的日趋成熟,已成为继散热器对流供暖后另一种主要形式,应用也日益广泛。
    4.2低温热水地面辐射供暖工程设计应遵守国家、行业的标准规范,特别应严格执行标准规范中的强制性条文,对塑料管的选择与连接方式、分室温度控制、系统中加热管的布置等应引起足够的重视。
    4.3为了减少设计计算的不确定因素,使设计更接近实际,建议设计人员在施工图文件中明确指出计算的前提条件,包括:地面面层材料及热阻、家具及覆盖物的影响程度、敷设加热管的计算面积等,当实际施工情况与前提条件不同时,再进行必要的修改。
    参考文献
    [1]И.Ф.利夫恰克著,屈东海译. 混凝土放热板供暖系统. 北京:建筑工程出版社,1959
    [2]中国有色工程设计研究总院.GB50019-2003 采暖通风与空气调节设计规范. 北京:中国计划出版社,2004 
    [3]中国建筑科学研究院。JGJ142-2004  地面辐射供暖技术规程。北京:中国建筑工业出版社,2004
    [4]北京建筑设计研究院. 北京建筑设计技术细则(设备专业).北京:北京建筑设计标准化办公室,2004
    [5]刘艳峰,申键。住宅地面辐射供暖系统中因地板覆盖产生的散热量安全系数。暖通空调,2007,37(11):104-106
    [6]赵兵,等。五栋大楼地板辐射供暖系统设计。暖通空调,2007,37(10):103-107

(责任编辑:admin)
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