生态建筑学:采暖系统与储热水箱工作原理

一般来说，建筑采暖有三种方式：循环热水采暖、中央空调采暖、电暖器或燃烧木材热辐射采暖。在过去，燃烧木材是最普遍的采暖方式，例如在每个房间砌筑壁炉。直接用电来采暖在本书中不予讨论，因为这种方式与可持续发展是水火不容的。空调采暖系统通常会造成糟糕的室内物理环境，在室内和管道间循环的大量空气夹带着管道中的灰尘，时常还会造成室内巨大的温差。使用空调采暖系统时，通风的需求很难与采暖的需求相协调。因此，空调采暖系统在此书中也不予论述。生态建筑通常采用循环热水采暖系统或者使用燃烧木材加热的采暖系统。

1）采暖方式

辐射式采暖（如使用砖石壁炉采暖）是最为舒适的采暖方式（图1-224）。尽量采用辐射热源取暖可以形成舒适的人居环境，最舒适的方式是采用大面积的低温辐射。热风供暖系统远不如辐射采暖系统这样舒适。有些暖气片，例如对流式散热器，散发出许多对流热，也就是暖空气流，这种采暖效果也不如辐射采暖舒适（图1-225）。对于一个大部分是辐射采暖的供暖系统来说，应该采用低温水循环系统，例如地板采暖、墙体采暖、踢脚板采暖或暖气片采暖。天花板水循环采暖是不舒适的，因为它很容易造成室内温度的不均衡，人头部以上高度的位置容易过热，脚部温度则太低。封闭的空气加热系统也可以产生辐射热，即热空气地板或火炕系统。火炕是一种采用木材加热的火炉，有封闭的通气管，可以为室内的很大区域供暖。这种采暖系统以前在德国使用很普遍（图1-226）。

图1-224　辐射式采暖

辐射式采暖是利用大块热的物体（如砖砌壁炉等）辐射到室内采暖

图1-225　对流式取暖

对流式取暖是指利用暖气片或对流式散热器以空气为热量载体对房间进行采暖。对流式散热器是经过设计可以比辐射式采暖产生更多对流热量的散热器

图1-226　不同采暖方式对比

不同的采暖方式导致不同的室内温度分布。墙体供暖可以说是最为理想的采暖方式——从人体的一侧进行大面积的低温度辐射

（1）循环热水采暖。这里有必要明确供暖系统是什么。任何供暖系统都有一个与分配系统相连的热源，热量经由采暖系统分配到各个房间。分配系统包括储热水箱、热水器和操控调节系统。这里所说的循环热水采暖系统包括暖气片采暖、地板采暖、墙体采暖和踢脚板采暖。建筑的供热系统的所有部件应当由绝缘管道相连接。

（2）储热水箱。使用可再生能源（诸如太阳能、生物质能）加热的供暖系统通常需要一个储热水箱来存储热量。太阳热量必须从早到晚地收集存储，而生物质能则可以在短时间内剧烈释放并存储于储热器中，储热水箱使供暖系统的使用变得更加灵活。热量可以从太阳能、生物质能或电能中获得并储藏于储热水箱中，然后转移到需要采暖的空间或者自来水中。具备这种功能的储热水箱通常配备三组热交换器线圈：底部温度最低的地方用来储存太阳热量，中部是预加热自来水的部位，顶部安置的线圈则是温度最高的加热完毕的自来水。燃木锅炉加热位于水箱中部的水套，最终热量被传到顶部的散热器。热量的储存能力可以通过增加额外的水箱来增加，增加的水箱是附属储存器，不用安装热交换线圈，而且在夏天可以断开附属水箱。储热水箱由钢材制成，可以承受压力，外面可以用纤维素纤维覆盖保温。为安全起见，水箱必须配备膨胀阀和减压阀，当水开始沸腾时可以放水降低压力（图1-227至图1-229）。

（3）注水系统。在储热水箱和热水锅炉之间需要一个注水系统。注水系统的功能如下：① 开始阶段：停止水在水箱中的循环，水仅在锅炉中循环，以尽快达到工作温度。② 注水阶段：当锅炉热交换器中的水达到热力阀的打开温度时，恒温器逐渐调整使得冷水得以在热交换器中与已经加热的水混合。如果锅炉热交换器中的水温下降，则混合的冷水量会减少，反之则会增加。因此，在注水阶段恒温器起到水混合开关的作用，以确保锅炉热交换器中的水保持恒定的温度，并且使流过水箱的水流尽可能小。考虑到水温分层现象的重要性，这是很必要的。应用这一系统，水箱顶部被注满热水，并且冷水与热水的分界线很明显。即使水箱中的水没有注满，注水过程也可以被停止。③ 关闭阶段：一旦锅炉停止加热，锅炉降温，温度阀关闭切断锅炉和水箱之间的水流。因此，在锅炉停止工作阶段不会有热量损失（图1-230）。

图1-227　储热水箱工作原理示意图

放置储热水箱的原则是放在采暖系统的核心位置。锅炉把流到储存器顶部的水加热，这些热水为采暖系统提供热量后冷却，下沉到水箱底部，最终回到锅炉重新加热。因此，水返回锅炉时不会太冷（至少70℃），一些留在锅炉里的热水与进入锅炉的冷水混合。热水一直保持位于水箱的上部。资料源于笔者根据《生物能源别墅》2003年1月的图绘制

图1-228　连接燃木锅炉（底部）和供暖系统（顶部）的储热水箱

水箱用三个线圈来生产热水。底部的线圈连接到太阳能集热器，中部的线圈进行预热，顶部的线圈则提供最高温度的热水。电热器又可以辅助热水达到最高温度

图1-229　储热水箱

（4）套装操作设备。为了达到最佳成本和使用效益，供暖系统的各个部件之间需要相互配合，因此许多供暖系统生产厂家（比如太阳能供暖系统生产厂家）销售成套的操作设备，包括水泵、压力水箱、安全阀以及使系统得以正常运行所需的所有附件。由于对于一个不熟练的水管工而言分别购置所有零部件并以合适的尺寸组合是相当困难的，这时他们就可以购买成套的完整设备。

（5）恒温混合阀（或分流阀）。采暖系统常见的缺陷有三种：① 高速水流系统，噪声大且难于调控；② 经常会体积过大；③ 分流连接装置安装有问题。旁路连接器用于混合冷热水，使供暖系统的输出水流能达到合适的水温。未正确安装的旁路连接器会导致一侧压力过高，引起水泵对冲工作。对于家庭用供暖系统，由于暖气片上设有恒温器，没有必要安装旁路连接器。采暖系统应该设计尽量少用水泵以降低能耗。由奥斯丁 桑德贝格（Östen Sandberg）在20世纪70年代开发的基律纳（Kiruna）法的是一种不需要主泵的系统。这种系统在热水箱回路有一个泵，并且将一个三通阀作为混合阀，连接在将热水打到暖气片的泵之前。因此，系统中的两个泵可以共同工作，从而减少了每个单独水泵的能耗（图1-231）。

图1-230　注水系统

其位于储热水箱和锅炉之间。资料源于《生物能源别墅》2003年1月

图1-231　三路和两路分流连接的供暖系统

在很多供暖系统中，由于水泵之间运行不协调造成相互抵消，会造成巨大的耗能。解决的方法之一是安装三路分流连接装置（上图），就像本图显示的那样

（6）高速水流和低速水流。许多现代供暖系统是高速水流系统，这样的系统可以有效利用较低的水温。然而，由于这种系统不易调节，因此难以控制。房间很容易变得太热，并且管道里会有汩汩的水流声。低速水流系统则是更好的解决方案。低速水流系统中水流更慢，泵压更低，注水与回水装置间的温差更高，因此调节水温的可能性提高了，在整个系统作用下房间温度得以保持均衡。在优质的恒温器作用下，低泵压和慢速水流使供暖系统较为安静（图1-232）。

（7）重力循环系统。以前，采暖的水循环是通过重力循环实现的。在一些生态建筑中，为了避免动力故障造成的系统中断，自然循环是最好的选择。为了在不使用电的情况下保证供暖系统正常运转，暖气片与储热水箱也必须采用自然循环（图1-233）。自然循环系统需要大口径的管道和精心设计的水管走线。当水泵停止运转时，使用自然循环的采暖系统仍可以保证工作，尽管水泵运行时供暖系统的效率更高。多数燃木锅炉配备有水泵和风扇，因此依赖于电源运转。在那些经常停电的区域，可以用无风扇的自然通风锅炉。储热水箱可以用这样的方式连接在锅炉上，以使热量通过自然循环（不需要泵）传递。当锅炉热交换器中的水被泵打到水箱后，只要锅炉保持运行，就算停电，水也可以继续加热沸腾。另一种方法是配备备用电池组以防停电，在有备用电源的情况下，泵和风扇可以依靠电池的直流电运行。

2）散热方式

（1）辐射式暖气片采暖。辐射式暖气片的种类繁多：平板型散热器、由若干层对流板覆盖输热管道组成的对流散热器，以及采用古典形式新设计的散热器。对流散热器散发的热量中仅20%—30%是辐射热，其余部分是加热的空气。在散热片之间会堆积灰尘。温度越高，对流越强烈，将灰尘带入室内空气。管状散热器散发的热量中大约40%为辐射热。不带有对流板的板型散热器是最佳的散热器，这种散热器散发的热量中辐射热比例大于60%。并且由于这种散热器更轻，使用的水更少，因此能源利用效率更高，并且可以更迅速地升温和降温。大型板型散热器可以在温度相当低的环境中工作，因此非常适合应用于采用储热水箱的低温系统（图1-234）。

（2）地板采暖。地板采暖比暖气片多消耗30%以上的能量，因为这种设备调控慢，在地板以下热损失大。采用地暖系统的地板需要比其他采暖系统更好的保温。地暖的温度不应该高于24 ℃。当达到27 ℃时人会感到不适，空气产生对流夹杂灰尘。德国的建筑生物学家也认为足部温度过高可能导致静脉曲张，因此他们推荐在人长期使用的房间内不要使用地暖。一般人们认为在浴室和走廊是可以安装地暖的，但地暖应该可以关闭以减少不必要的能耗。考虑到塑料管的使用寿命和可能发生的泄漏，有些建筑师犹豫是否应该安装地暖。气热地暖比水热地暖调控更慢，但在发生管道泄漏时不会造成太严重的后果（图1-235、图1-236）。(www.xing528.com)

图1-232　高速水流系统与低速水流系统比对

循环水暖气片是一种舒适的供暖方法，但为了达到最佳的热量调控，这种散热器应当设计成低速水流系统。此外，低速水流系统更为安静

图1-233　自然循环系统示意图

（3）踢脚板暖气。踢脚板暖气有两种方式：一种是平的，看上去像踢脚板的金属板模块；另一种则是沿着墙裙排列，又长又低的层状水管散热器。在低能耗建筑中，沿建筑外墙内侧的踢脚板暖气足以满足采暖要求。板型踢脚板暖气片的功能类似板型暖气片，其散发热量的60%为辐射热。而长的层状水管散热器可以加热空气为上部墙面提供热量（图1-237）。

（4）墙体采暖。热水管墙体采暖系统由嵌入墙壁的低温热水管道组成。墙体采暖系统在瑞典并不常见，但在德国的生态建筑中相当受欢迎。这种系统需要巨大的表面积，并且使得该墙面不适合放置家具、橱柜和绘画。建筑物保温越好，墙体采暖所需表面积越小。置于墙体内侧的墙体采暖系统能耗比地暖要低。在轻质石膏板内隔墙上安装的墙体采暖系统的能源利用率最高且易于控制。但是人们一般认为重质外墙提供的热量较为舒适，例如，在墙体外表面用实木保温，墙体内侧则用供热管嵌入黏土灰浆，黏土使热量在一定区域内分散，因此管道不必排布得非常紧密。以空气为热载体的墙体采暖系统由嵌在墙角下部的长的分层管道散热器组成，它在墙壁缝隙中（如在石膏板后）加热空气。也可以用于特制的空心混凝土砌块墙体，这些砌块中间的空腔形成风道，用来容纳加热的空气。采用这种系统的内隔墙比一般的墙体要厚一些（图1-238、图1-239）。

（5）燃木设备辐射采暖。在保温良好且热量需求很小的建筑物内是可以通过单个燃木设备进行采暖的，而在其他建筑物中，燃木采暖设备是利用可再生能源的方法之一。然而这些建筑物需要采取开放式的空间设计以保证热量可以散布到整个建筑。为了使燃木采暖设备产生的热量更容易传播，必须安装通风管道，但是那样就会存在空气带走热量的问题。也可以通过长烟囱来传播热量。比如在芬兰，烟道可前后活动的隔墙很常见，并且设计得可以方便清扫。德国人则使用封闭的空气采暖系统和火炕系统。在火炕系统中，烟道产生的热量可以在热交换器中传播并使气体加热。接下来加热的空气通过自然循环在砖气道内流通。燃木产热设备、烟囱和砖制的气道共同构成位于建筑正中的标志性元素。在多个相距较远的房间运用小型散热器的燃木供暖设备广受好评（图1-240、图1-241）。

图1-234　墙面循环水暖气片

整墙的循环水暖气片面积很大，散热面积也很大，能形成舒适的室内温度环境

图1-235　热水管地暖系统

这是一种很流行的采暖方式。其缺点是调控速度慢，因此无法发挥免费加热的优点。此外埋入楼板的热水管道长时间运行后有泄漏的危险。绘图：列夫 欣德格伦（Leif Kindgren）

图1-236　采用循环水管地热采暖的实木楼面构造

资料源于Uponor公司

图1-237　踢脚板暖气系统

这种系统的功能类似暖气片，散热器设计成金属踢脚板的样式，使得散热器的表面积较大，并且不占据家具的放置空间

图1-238　热水墙体采暖系统

这种系统在德国应用广泛，德国居民认为这种系统可以创造舒适的室内环境。墙体供暖系统有多种不错的设计，然而这种系统调控较慢，并且在长时间使用的情况下有可能发生泄漏问题

图1-239　多功能墙裙板（FFP板）

这种板由Rappgo公司开发，其既具有采热系统的功能，又有布线功能。资料源于Rappgo公司

图1-240　燃木供暖设备

设计为开放式平面的建筑可以使用安置在烟囱周围的燃木设备提供辐射热。图中显示了装有木材燃料炉的砖制烟囱、烤箱以及反方向的砖砌炉子

图1-241　火炕供暖系统

在德国，火炕供暖系统在生态建筑中很常用，是一种封闭的空气加热系统，该系统安置在木材燃料设备的周围。这种系统相对较为昂贵，且由于要安装在每个房间，限制了建筑平面设计的选择，但是该系统可以创造非常舒适的室内环境

图1-242　奥斯陆的格鲁路德（Grorud）住宅

这是一幢有效利用空间的建筑，带有在立面上可见的完全由矿物材料建成的卫生间。矿物材料用来防止潮湿和霉菌对浴室的损害。建筑师：比约 贝格（Björn Berge），挪威