我國夏熱冬冷地區(qū)涉及15個省市自治區(qū)，該地區(qū)夏季悶熱、冬季濕冷，是世界上同緯度冬季最寒冷的地區(qū)。由于歷史原因，該地區(qū)沒有集中供暖系統(tǒng)，冬季室內(nèi)舒適性非常差。隨著經(jīng)濟發(fā)展，該地區(qū)居民廣泛使用各種戶式獨立供暖設備，冬季供暖能耗巨大。筆者將分析各種供暖技術，找到最舒適、最節(jié)能、最適用的技術，為該地區(qū)居民選擇供暖方案提供指導。
1 夏熱冬冷地區(qū)地理分布、氣候特征及建筑熱工特性
1.1 地理分布
中國建筑熱工分區(qū)分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫和地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)。
按照我國建筑氣候區(qū)劃，夏熱冬冷地區(qū)范圍大致為隴海線以南、南嶺以北、四川盆地以東，也可以大體上說是長江中下游地區(qū)。包括重慶、上海、湖北、湖南、安徽、江西、浙江、四川、貴州、陜西、河南、江蘇、廣西、廣東、福建共涉及15個省、市、自治區(qū)，面積180萬km2。代表城市有成都、重慶、武漢、長沙、南京、杭州和上海等。
1.2 氣候特征
該地區(qū)的氣候特點是夏季悶熱、冬季濕冷，氣溫的日差較小，年降水量大，日照偏少。全年炎熱季節(jié)有3～4個月，最熱月室內(nèi)平均氣溫達30～33℃，夏季相對濕度在80％左右，太陽輻射量大于1000MJ/m2；寒冷天氣有2～3個月，最冷月室內(nèi)平均氣溫只有0～6℃，冬季太陽輻射量小于750MJ/m2。冬季強大的寒潮到此地區(qū)后，受到南嶺和東南丘陵的阻擋，使冷空氣滯留，因而寒冷時間較長，特別是1月份平均氣溫比世界上同緯度其他地區(qū)一般要低8～10℃，是世界上同緯度冬季最寒冷的地區(qū)。夏熱冬冷地區(qū)又是一個水網(wǎng)地帶，冬夏季節(jié)空氣相對濕度大，多在70％左右，夏季濕熱、冬季濕冷，極不舒適[1]。
1.3 建筑熱工特性
該地區(qū)建筑熱工性能普遍偏差，遠不如寒冷地區(qū)建筑保溫性能好。外墻多年一直沿用24cm厚實心粘土磚、空心粘土磚或者頁巖磚、灰砂磚等非粘土磚。窗戶普遍采用單層玻璃金屬窗，近年開始采用雙層玻璃窗。屋面以平屋頂為主，也有采用架空屋頂，但只對夏季隔熱有一定效果。長期以來由于經(jīng)濟和歷史原因，夏熱冬冷地區(qū)原有建筑絕大多數(shù)未按建筑節(jié)能要求設計建造，屬高能耗建筑，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量達不到最低的舒適度要求。
在夏季空調(diào)和冬季供暖高峰期，其用電量可達到總用電量的40％左右。據(jù)有關資料預測，若不采取有效的節(jié)能措施，未來中國夏熱冬冷地區(qū)住宅為了達到熱舒適要求，空調(diào)用電負荷夏季達0.8億kW，冬季為2億kW，全年耗電量可達2240億kW?h，而三峽電廠的年發(fā)電量為847億kW?h。因此，為了滿足長江流域地區(qū)住宅熱環(huán)境的要求，需約3座三峽電廠的年發(fā)電量。
圖1 家用中央空調(diào)系統(tǒng)圖（風冷熱泵冷/熱水型）
因此，對該地區(qū)各種住宅供暖技術進行比較分析，既有助于該地區(qū)居民選擇舒適合理的供暖方式，又對該地區(qū)的節(jié)能減排有實際貢獻[2]。
2 該地區(qū)常見的供暖方式
多年以來，該地區(qū)大多數(shù)建筑沒有像寒冷地區(qū)采取集中供暖措施。經(jīng)濟欠發(fā)達時期，該地區(qū)冬季幾乎無供暖設備。改革開放后，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，該地區(qū)成為我國人口最密集、經(jīng)濟文化較為發(fā)達的地區(qū)，該地區(qū)居住的城鄉(xiāng)人口約有5.5億，國內(nèi)生產(chǎn)總值約占全國的48％。隨著生活水平的提高，居民開始自發(fā)采取措施提高冬季的舒適性。
不同于寒冷地區(qū)的集中供暖，該地區(qū)供暖方式多為一家一戶的獨立供暖系統(tǒng)，常見的供暖方式有：單元式空調(diào)器、家用中央空調(diào)、暖氣片、地面輻射供暖[3]。
本文介紹最常見風冷熱泵冷/熱水系統(tǒng)，如圖1，它由風冷熱泵冷/熱水主機(下簡稱主機)、風機盤管、供水管路構(gòu)成。冬季，主機提供45℃左右熱水，由水泵通過管道送至風機盤管，由風機盤管送風換熱實現(xiàn)房間的制熱。夏季，主機提供7℃左右冷水，由水泵通過管道送至風機盤管，由風機盤管送風換熱實現(xiàn)房間的制冷。每個房間的風機盤管由獨立的溫控器控制，各個房間可獨立開關或調(diào)節(jié)溫度[3]。
2.1 單元式空調(diào)器
單元式空調(diào)器是該地區(qū)住宅中最常見的供暖設備。按照室內(nèi)機外形及安裝方式，分為窗式空調(diào)、掛壁式空調(diào)、立柜式空調(diào)三種，該地區(qū)以后兩種空調(diào)器為主。按照制冷、制熱特性，分為單冷空調(diào)和冷暖空調(diào)，該地區(qū)以冷暖空調(diào)為主。按照壓縮機的不同，分為定頻空調(diào)和變頻空調(diào)。該地區(qū)空調(diào)主要采用R22和R410A冷媒，采用R410A冷媒的空調(diào)器冬季制熱效果相對較好。由于該地區(qū)冬季濕冷，空調(diào)外機易結(jié)霜影響制熱效果，空調(diào)器在該地區(qū)冬季制熱效果普遍偏差，一般室內(nèi)機都裝有輔助電加熱器以改善制熱效果，冬季空調(diào)耗電量偏大。
2.2 家用中央空調(diào)
家用中央空調(diào)系統(tǒng)以戶為單位安裝，一般有一臺外機帶多臺內(nèi)機，解決一戶住宅中所有房間的制冷及供暖需求，按照輸送媒介的不同有風冷熱泵冷/熱水系統(tǒng)、變制冷劑流量(VRV)系統(tǒng)和風冷熱泵全空氣系統(tǒng)。
圖2 暖氣片供暖系統(tǒng)
2.3 暖氣片
暖氣片供暖系統(tǒng)見圖2，它由燃氣壁掛式熱水鍋爐(下簡稱壁掛爐)、暖氣片、供暖水管及暖氣片調(diào)溫閥四部分構(gòu)成。壁掛爐內(nèi)部由燃氣比例調(diào)節(jié)閥、燃燒室、平衡式排煙風機、密閉式膨脹水箱、供暖循環(huán)泵、生活熱水板式換熱器等部件構(gòu)成。壁掛爐以天然氣為燃料，一般為生活熱水/供暖兩用型，它既可提供生活熱水，又可供暖。壁掛爐供暖熱水溫度可在40℃～95℃溫度范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，既可作為暖氣片熱源，也可作為地面輻射供暖熱源。
暖氣片供暖系統(tǒng)中，壁掛爐提供70℃～95℃的熱水到暖氣片，暖氣片通過空氣的自然對流及暖氣片本體的輻射給住宅供暖。常見的暖氣片有：鑄鐵暖氣片、鋼制暖氣片、鋁制暖氣片、銅鋁復合暖氣片。夏熱冬冷地區(qū)經(jīng)濟較為發(fā)達，基本不采用笨重粗糙的鑄鐵暖氣片，主要采用后三種暖氣片，尤其以鋁制暖氣片為主。鋁制暖氣片有如下特點：(1)節(jié)能：鋁質(zhì)導熱系數(shù)大、升溫散熱快，比普通暖氣片節(jié)能35％以上；(2)美觀：外形簡潔，線條流暢；(3)環(huán)保：不會污染供暖水質(zhì)，表面光滑均勻、穩(wěn)定性好。(4)實用：重量輕體積小，熱效率高，具有良好的耐腐蝕和耐壓性，不受水質(zhì)影響。每組暖氣片都配有調(diào)溫閥，每個房間均可通過調(diào)節(jié)閥門的開度控制室溫。供暖水管可采用紫銅管、鋁塑管或PPR管，必須在管道外壁做橡塑海綿保溫。暖氣片一般懸掛于窗臺下或空白內(nèi)墻上。暖氣片能均勻給熱，熱量分布適中，不干燥，不悶熱，無風襲感[4]。
圖3 地面輻射供暖系統(tǒng)圖
2.4 地面輻射供暖
地面輻射供暖的地面加熱介質(zhì)主要有低溫熱水、發(fā)熱電纜、電熱膜三種。
地面輻射供暖系統(tǒng)見圖3，它由熱源、地面盤管系統(tǒng)（保溫板、反射層、鋼絲網(wǎng)、地暖盤管、固定卡釘、混凝土找平層等)、分集水器、供回水干管、分區(qū)溫控系統(tǒng)構(gòu)成。熱源提供35℃～50℃溫度范圍內(nèi)的低溫熱水，由干管送到分水器，由分水器輸送到各個房間的地面盤管系統(tǒng)。熱水在地面盤管內(nèi)循環(huán)流動，通過地面盤管將地面加熱至28℃左右，通過地面以輻射方式向房間輸送熱量，室內(nèi)溫度可達到20℃以上。
分水器的每一個環(huán)路都配置了控制閥門，各個房間設有溫控器，通過控制相應回路的水流量來控制室溫，做到最大限度節(jié)省能源和開支。地暖盤管材料有PEX(交聯(lián)聚乙烯)，PE-RT(耐熱聚乙烯)，PB(聚丁烯)，PEXAL(鋁塑復合管)等材料[5]。
2.5 幾種系統(tǒng)的比較
我們對這四種常見的供暖方式進行綜合比較，見表1。
圖4 理想人體及三種供暖方式溫度場沿高度分布圖
3 地面輻射供暖系統(tǒng)特點分析
3.1 地面輻射供暖舒適性分析
如圖4，理想的人體溫度曲線應該符合“溫足而頂涼”的規(guī)律，即腳部保持溫暖，頭部保持涼爽，這樣有利于健康。
空調(diào)由于出風口在高點，加上熱空氣的自然上浮，整個溫度場為上高下低，人在這樣的環(huán)境中難免會感覺頭部燥熱而腳部偏涼。另外，由于需要強制對流送熱風，容易揚起灰塵，人體在這樣的環(huán)境中會因吹風而干燥不適，因灰塵而哮喘或過敏。整體而言，空調(diào)器的供暖方式舒適性一般。
地面輻射供暖時，地面溫度高于空間溫度，因此使人有“足熱頂涼”的舒適感。地面輻射供暖系統(tǒng)以紅外輻射為主要傳熱方式，可以改善人體血液循環(huán)、促進新陳代謝。另外地面輻射供暖系統(tǒng)不需要送風，人會因吹風而感覺干燥或不適，也不會有任何噪音，所以地面輻射供暖的熱舒適性非常好[6]。
3.2 地面輻射供暖節(jié)能性分析
住宅內(nèi)人體停留高度一般為離地2m，而平層住宅層高在2.8m左右，挑空住宅層高在5m左右。對流供暖方式，由于浮力作用熱空氣自然上升，這就導致了要人停留區(qū)域達到設計溫度，則上部空氣溫度必須高于下方，輻射供暖熱量集中在人體收益高度。一般而言，輻射供暖可比對流供暖設計溫度低2℃～3℃，卻能獲得同樣的舒適環(huán)境，也能使人們有同樣的溫暖感覺。
層高2m以上空間為住宅內(nèi)的無效供暖區(qū)域，對流供暖方式下該區(qū)域溫度比人體停留區(qū)域還高，這就增加了無效熱損失。另外，低溫熱水地面輻射供暖供水溫度在35℃～50℃，暖氣片供暖供水溫度在70℃～95℃，因此地面輻射供暖干管熱水輸送過程中熱損失小，比暖氣片節(jié)能30％以上。
3.3 地面輻射供暖適用性分析
地暖輻射供暖系統(tǒng)僅需要35℃～50℃的熱水，其熱源選擇非常廣泛。冷凝式壁掛爐燃燒方式為全預混的比例調(diào)節(jié)，它將煙氣中的余熱回收利用，其排煙溫度最低可降到40℃左右，煙氣中水蒸氣潛熱基本被充分吸收和利用，故期熱效率可大于100％。冷凝式壁掛爐，根據(jù)德國EN483標準，在供回水溫度50℃/3℃條件下測試，全負荷效率可達108％，特別適用于地面輻射供暖。風冷熱泵冷/熱水機組，地源熱泵冷/熱水機組冬季可提供45℃左右的熱水，也可以作為地面輻射供暖系統(tǒng)的熱源。另外，熱電廠的余熱也可以作為該系統(tǒng)的熱源。
鑒于地面輻射供暖的優(yōu)點，越來越多的住宅項目開始采用這種供暖方式。各個住宅也根據(jù)自身的實際情況，靈活選用主機作為地面輻射供暖系統(tǒng)的熱源。以南京為例：朗詩國際街區(qū)、鋒尚國際采用地源熱泵為主機；仁恒江灣城、碧瑤花園采用壁掛爐為主機。
單元式空調(diào)器、家用中央空調(diào)室外機為風冷熱泵，在夏熱冬冷地區(qū)冬季濕冷環(huán)境下極易結(jié)霜，制熱效果差，需要配備輔助電加熱，能耗大。低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)，如采用壁掛爐或地源熱泵為熱源，其制熱效果不會受外界環(huán)境溫度影響，制熱效果穩(wěn)定，在該地區(qū)有很好的適用性。
當然地面輻射供暖也有一個非常明顯的缺點，那就是升溫速度慢，但住宅進入冬季一般會連續(xù)供暖，所以問題不大，而且可以給熱源配備編程溫度控制器做到提前開機。
4 結(jié)論
文中分析了夏熱冬冷地區(qū)的地理分布、氣候特點，對常見單元式空調(diào)器、家用中央空調(diào)、暖氣片、地面輻射供暖四種技術進行了比較分析。經(jīng)綜合比較分析，發(fā)現(xiàn)低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)熱量分布符合人體生理需求，供熱直接有效，不受環(huán)境溫度影響，熱源選擇廣泛，建議在夏熱冬冷地區(qū)大力推廣。
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