在近年來的工程應(yīng)用和學(xué)術(shù)交流活動(dòng)中，總有一種感覺：我們對(duì)低溫地面輻射采暖技術(shù)在定性認(rèn)識(shí)和理論分析上還不夠深入、不夠清楚，相關(guān)規(guī)范和理論研究相對(duì)滯后，應(yīng)用推廣很快但技術(shù)發(fā)展很慢。人們對(duì)什么是輻射采暖的原理還不是很清楚，一直在用對(duì)流采暖的觀點(diǎn)和方法去衡量和看待輻射采暖。因此對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步定 性認(rèn)識(shí)是很有必要的。

　　2004年建設(shè)部頒布了《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》，又極大的推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。地面輻射供暖技術(shù)之所以能在我國(guó)快速發(fā)展、廣泛應(yīng)用，一是自然氣候 的需要，占去我國(guó)面積過半的東北、西北、華北冬季寒冷，建筑采暖是必不可少的項(xiàng)目;二是地面輻射供暖技術(shù)有很多不可替代的優(yōu)點(diǎn)：有著很好的舒適性、節(jié)省室 內(nèi)空間;建設(shè)成本和運(yùn)行成本低廉;宜實(shí)現(xiàn)分戶供暖和分戶熱能計(jì)量等。2006年國(guó)家建設(shè)部和質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合下發(fā)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 中，5.3.7條中規(guī)定：戶內(nèi)建筑面積大于或等于80m2時(shí)，宜采用低溫地面輻射供暖方式。

　　一、輻射供暖的概念　　輻射供暖是通過室內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)輻射面向供暖空間中的人和物傳遞熱能的一種方式。與對(duì)流供暖不同的是，對(duì)流供暖方式的熱能是散熱器以空氣為媒介將熱能傳遞到 供暖空間而通過人和物的表面吸收。而輻射供暖無需媒介，直接由輻射面將能量以波長(zhǎng)為8~13mm的遠(yuǎn)紅外線形式傳遞給供暖空間中的人和物。那么這種波長(zhǎng)為 8~13mm的能量是怎樣被人和物吸收而產(chǎn)生熱感的呢?

　　我們知道物質(zhì)是由原子構(gòu)成，原子核及核外電子所帶電量是相等的，且電子在 核外周圍等幾率的運(yùn)動(dòng)，所以通常原子不顯電性和極性，如圖1。但是當(dāng)我們將一個(gè)原子放在一個(gè)靜電場(chǎng)中時(shí)，原子中的原子核就會(huì)移向電場(chǎng)的負(fù)極一邊，而電子就 移向電場(chǎng)的正極一邊，此時(shí)的原子就發(fā)生了偶極變化，如圖2。如果此時(shí)我們改變電場(chǎng)的方向，這種偶極的極性就會(huì)反過來，如圖3。如果我們將原子放置在一個(gè)以 一定頻率變化的電場(chǎng)中，原子的極性就會(huì)隨著電場(chǎng)方向變化的頻率而變化。這樣原子的正電荷、負(fù)電荷、中子間就會(huì)發(fā)生一定頻率的運(yùn)動(dòng)而互相摩擦，從而產(chǎn)生熱 量。這是一個(gè)由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能的過程。

　　在輻射采暖中，輻射面所形成的就是一個(gè)波長(zhǎng)為8~13mm遠(yuǎn)紅外輻射場(chǎng)。在這個(gè)場(chǎng)內(nèi)的物質(zhì)中的原子內(nèi)部就會(huì)發(fā)生上述粒子間的相互摩擦，從而在人與物體內(nèi)產(chǎn)生 熱量。輻射面的溫度愈高，所形成的輻射場(chǎng)就愈強(qiáng)，反之愈弱。需要說明的是：在輻射供暖中，由于輻射面與供暖空間中的空氣接觸，因此也會(huì)發(fā)生部分空氣對(duì)流換 熱，使供暖空間空氣溫度同時(shí)上升，這也有助于提高供暖效果。在輻射供暖中，輻射換熱量約占總換熱量的60%左右，而對(duì)流換熱量約占40%左右。

　　低溫輻射供暖技術(shù)從發(fā)熱體的不同可分為：

　　電加熱發(fā)熱體(如發(fā)熱電纜、電加熱膜等)低溫輻射供暖技術(shù)。

　　水加熱發(fā)熱體(如塑料管材、金屬管材等)低溫輻射供暖技術(shù)。

　　二、低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理　　1、低溫?zé)崴孛孑椛涔┡脑?/p>　　低 溫?zé)崴孛孑椛涔┡夹g(shù)是二十世紀(jì)末從歐洲傳入我國(guó)(也有人說從韓國(guó)傳入我國(guó))。80年代初，隨著高分子塑料管材技術(shù)和保溫材料技術(shù)的成熟，低溫?zé)崴孛?輻射供暖技術(shù)在歐洲的應(yīng)用發(fā)展很快。有資料顯示，由于該技術(shù)的節(jié)能、舒適等特點(diǎn)，目前歐美國(guó)家約有50%以上的居住建筑采用該技術(shù)。低溫?zé)崴孛孑椛涔┡?技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用已有近20年的歷史，是近20年來發(fā)展最快的一種供暖形式。目前在我國(guó)西北地區(qū)(如新疆)，約有90%以上的新建住宅采溫?zé)崴孛孑椛涔┡?系統(tǒng)用該技術(shù)。

　　低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)由熱源，分、集水器，絕熱層，加熱管，填充層以及管路、閥門、過濾器等組成。更準(zhǔn)確的說應(yīng)該把填充層稱為輻射板，只不過在此我們是用混凝土來構(gòu)造了輻射板。其地面結(jié)構(gòu)如圖。

　　它是低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)的核心構(gòu)件。其工作原理是：熱源提供的熱媒(低溫?zé)崴?在通過加熱管時(shí)，熱能通過管壁傳遞到填充層(輻射板)的混凝土內(nèi)，在填 充層(輻射板)的表面形成一定寬度、一定溫度的輻射面。在不考慮輻射板與建筑物構(gòu)件的傳熱關(guān)系的情況下，輻射面的寬度、溫度與熱媒的溫度、填充層材料的導(dǎo) 熱系數(shù)及厚度、加熱管的通徑、材質(zhì)等因素有關(guān)。有人認(rèn)為填充層僅僅是用來保護(hù)加熱管而設(shè)置的，厚一點(diǎn)、薄一點(diǎn)無所謂。混凝土的材質(zhì)也無所謂。只要能保護(hù)管 子就行了。甚至有人認(rèn)為可不設(shè)填充層，這是非常錯(cuò)誤的，從理論上說，不設(shè)填充層就等于沒有輻射面。值得注意的是，加熱管的通徑、材質(zhì)均為工業(yè)控制的參數(shù)， 是非常穩(wěn)定的。而填充層(輻射板)的厚度及材質(zhì)是施工過程控制的參數(shù)，受影響的因素比較多，難以控制。輻射面的寬度、表面溫度與填充層的厚度和材質(zhì)有直接 關(guān)系。首先填充層是輻射板的重要組成部分，它是形成輻射面的保證。填充層厚度不同，輻射板表面所形成的輻射面的寬度就不同;同時(shí)，輻射板還有決定地面承載 的功能，而填充層的材質(zhì)和厚度直接決定了地面的承載力。填充層厚度h與輻射面寬度L的關(guān)系可近似用如圖1-2所示的物理模型來描述 ，由圖1-2可看出：當(dāng)填充層厚度為h1時(shí)，輻射面寬度為L(zhǎng)1; 當(dāng)填充層厚度為h2時(shí)，輻射面寬度為L(zhǎng)2，顯然L2> L1。其中α角與填充材料的熱阻有關(guān)。研究結(jié)果表明：

　　填充層的厚度在一定的范圍內(nèi)時(shí)，其厚度愈厚，在輻射板上所形成的輻射面愈寬，反之愈窄。填充層愈厚，輻射板表面溫度分布愈均勻，反之就愈不均勻。

　　填充層材料熱阻愈小，α角愈大，輻射面愈寬，反之愈窄。當(dāng)然，輻射面愈寬、輻射板表面溫度分布愈均勻，采暖的效果愈好。

　　為了保證輻射板所形成的熱能是向上傳遞的，而不會(huì)通過與輻射板接觸的基礎(chǔ)層和維護(hù)墻體傳導(dǎo)形成熱損耗，在輻射板的下面及墻體接觸邊緣還要做一層絕熱層。其材 料在國(guó)內(nèi)用的最普遍的是采用聚苯乙烯板并在表面復(fù)合一層聚酯鍍膜(鋁膜)無紡布鋁箔。關(guān)于這層鋁箔一般認(rèn)為有四個(gè)作用：①、反射由輻射板傳遞過來的 8~13Μm的遠(yuǎn)紅外線，使其向上傳遞，因?yàn)榻饘賹?duì)微波有屏蔽和反射作用。②、配合專用卡釘固定加熱管。③、作為聚苯乙烯板的防潮層，因?yàn)榫郾揭蚁┌逯袧B 入水分后會(huì)降低絕熱作用。④、在鋁箔上印有50*50mm的方格，可以幫助施工時(shí)確定加熱管間距。

　　有學(xué)者提出除底層和土 壤之上的地面處，也可不做絕熱層。因?yàn)橄蛳聜鬟f的熱量對(duì)下層房間也有供暖作用，從輻射傳熱的角度這種主張也有道理，并且這種做法還可減少建筑層高的損失， 降低工程成本。不過這樣做會(huì)產(chǎn)生建筑“熱橋”，產(chǎn)生較大的通過樓板和墻體向外的熱損失，不符合節(jié)能的要求。同時(shí)目前輻射雙向傳熱的基礎(chǔ)研究和設(shè)計(jì)參數(shù)及資 料尚且不足，給實(shí)際應(yīng)用帶來一定困難，使應(yīng)用變得盲目;更重要的是雙向傳熱給國(guó)家分戶計(jì)量的政策提出了難題(中間樓層互相傳熱)。當(dāng)然，不實(shí)行分層計(jì)量的 建筑和別墅、復(fù)式建筑的夾層、整棟樓計(jì)量的公共設(shè)施、寫字樓另當(dāng)別論。

　　2、低溫?zé)崴孛孑椛涔┡膶Ｓ霉懿?/p>　　加熱管是低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)中的核心材料，其選型的正確與否，直接決定了工程的質(zhì)量壽命。用于低溫?zé)崴孛孑椛涔┡到y(tǒng)的加熱管大致分為兩大類，即熱 塑性塑料和熱固性塑料管材(如圖2-2)，常用的熱塑性塑料管材有PPR、PB、PE-RT等，熱固性塑料管材有PEXa，PEXb,PEXc等，如圖 2-3是這些管材的蠕變特性曲線。

　　一般說來，熱塑性塑料管材比較柔軟，易彎曲，可以熱熔連接，便于施工，但它們往往抗劃痕能力較差;抗沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度、耐熱性能、耐應(yīng)力開裂性能不及熱固 性塑料管;抗蠕變能力較差。熱固性塑料管材要相對(duì)硬一些，不能夠熱熔連接，這可能會(huì)給施工帶來不便，但所有的規(guī)程、規(guī)范都作出了規(guī)定：埋于填充層內(nèi)的加熱 管不得有接頭。當(dāng)然也包括熱熔接頭。因此這一點(diǎn)也就顯得不那么重要了。相對(duì)熱塑性塑料管來說，熱固性塑料管有較強(qiáng)的抗沖擊能力，抗劃痕能力，抗應(yīng)力開裂能 力，尤其是它有著極好的耐熱性能和耐蠕變性能，如表2-1，在所有的加熱管中唯有PEX管在110℃，8760h環(huán)境下環(huán)應(yīng)力為2.5MPa，除PB外， 其它管材要比PEX低24-40%，從圖2-3可見，在114年的時(shí)間里唯有PEX管未出現(xiàn)蠕變拐點(diǎn)，在70℃環(huán)境下，PE-RT是50000小 時(shí)，5.5年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PB是5000小時(shí)0.5年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PPR是100000小時(shí)11年出現(xiàn)拐點(diǎn);在60℃環(huán)境下，PE-RT是120000小時(shí) 13.5年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PB是10000小時(shí)1.1年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PPR是400000小時(shí)50年出現(xiàn)拐點(diǎn);在80℃的環(huán)境下，PE-RT是20000小時(shí) 2.2年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PB是2000小時(shí)0.2年出現(xiàn)拐點(diǎn)，PPR是20000小時(shí)2.3年出現(xiàn)拐點(diǎn)。由上述分析可見，熱塑性塑料管材的耐熱性能相對(duì)熱固性 管材來說比較差，在使用時(shí)，應(yīng)充分注意這一點(diǎn)。在低溫?zé)崴孛孑椛涔┡夹g(shù)的發(fā)源地歐洲，PEX管的用量占整個(gè)地暖業(yè)用管總量的半數(shù)以上，(有資料顯示占 52.2%，而其它管材包括金屬管在內(nèi)的總和為47.8%)。這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來說都是十分寶貴的。

　　PEX是高密度聚乙烯經(jīng)化學(xué)或物理的方法交聯(lián)改性使其分子結(jié)構(gòu)變成平面網(wǎng)狀或立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而形成的。目前在國(guó)內(nèi)大致有三種方法實(shí)現(xiàn)，分別是：①過氧化物交聯(lián)法 ②硅烷交聯(lián)法 ③輻照交聯(lián)法。 至于其它方法目前在國(guó)內(nèi)用的很少。

　　我 們分析一下三種交聯(lián)方法的特點(diǎn)：⑴、過氧化物交聯(lián)方法是在高密度聚乙烯中加入過氧化物交聯(lián)劑，經(jīng)充分混合，在一定溫度作用(230℃左右)下，經(jīng)熔煉交聯(lián) 完成平面網(wǎng)狀交聯(lián)的過程，其產(chǎn)品稱為PEXa,它是先交聯(lián)后成型的過程 ，過氧化物交聯(lián)法特點(diǎn)的是管材相對(duì)柔軟;管材一旦成型，交聯(lián)度不再變化且較穩(wěn)定。一般來說，其產(chǎn)品的交聯(lián)度是由原料和工藝設(shè)備的工況決定的。我國(guó)所使用的 PEXa原料主要由韓國(guó)LG化工生產(chǎn)。

　　⑵、硅烷交聯(lián)方法是在高密度聚乙烯中加入硅烷交聯(lián)劑，經(jīng)充分混合、熔煉、接枝、造粒，再經(jīng)過熔煉、增壓、擠出、成型、冷卻、打卷、蒸煮(交聯(lián))完成立體網(wǎng) 狀的交聯(lián)過程 ，其產(chǎn)品稱為PEXb，它是先成型后交聯(lián)的過程 ，硅烷交聯(lián)法管材的特點(diǎn)是：它的分子結(jié)構(gòu)屬立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由于它的交聯(lián)過程是一個(gè)水解過程，交聯(lián)條件較低，即使在常溫下，只要空氣中有一定水分，其產(chǎn)品也 會(huì)自然交聯(lián)，所以管材在保管和使用過程中也會(huì)繼續(xù)交聯(lián)，所以管材不宜長(zhǎng)期貯存，否則交聯(lián)度會(huì)變得很高而使管材變得很硬以致難以施工。硅烷交聯(lián)法從工藝上又 分為一步法和二步法工藝。

　　⑶、輻照交聯(lián)法是一種物理交聯(lián)過程 。它是由高密度聚乙烯管在α、β射線或電子束輻照下，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生立體網(wǎng)狀交聯(lián)的過程 ，其產(chǎn)品稱為PEXc，其工藝特點(diǎn)也是先成型后交聯(lián)，交聯(lián)度取決于射線的輻照強(qiáng)度和溫度，輻照強(qiáng)度和溫度愈高，交聯(lián)度愈高，反之愈低。一般來說，輻照交聯(lián) 法不適宜于生產(chǎn)內(nèi)承壓型管材，因?yàn)檩椪漳芰繒?huì)在內(nèi)外壁間形成較大的能量梯度差，因此在內(nèi)外壁間形成較大的交聯(lián)度梯度差(也就是說外皮交聯(lián)度高，內(nèi)層交聯(lián)度 低)。這種方法多用于電纜外護(hù)套的生產(chǎn)。在生產(chǎn)成本方面輻照交聯(lián)工藝的成本略高于其它交聯(lián)工藝。