地暖系統

地暖系統又稱地板採暖、地板暖氣、地板輻射、地暖，是一種中央室溫控制系統，地板會被嵌入熱水或電热元件，通電後，電热元件便將電能轉化為熱能，這些熱量隨後從地面輻射或傳導出來，這樣房間便能溫暖舒適。地暖系統亦可以用來降低溫度，不過原理與冷氣有所不同。

 原理描述 
現代地板采暖系統主要有兩種形式：一種是使用電阻加熱元件的「電熱系統」，另一種是通過管道中循環液體（水或防凍液）的「水暖系統（hydronic systems）」來加熱地面。兩種系統都可以作為整棟建築的主要供暖方式，也可以只用於局部區域，提高腳下的熱舒適度。有些系統還支援在多房間結構中單獨控制某一個房間供暖，從而避免不必要的熱量浪費。電阻式系統只能用於供暖；如果同時需要製冷功能，則必須使用水暖系統。無論是電熱還是水暖系統，都適用于多種應用場景，例如人行道、車道或停機坪的融雪除冰，足球場和橄欖球場草坪溫控，以及冷庫和溜冰場的防凍措施。市面上也有多種地暖結構與設計方案，可適配不同類型的地面材料。有些地板采暖系統是在施工階段就鋪設好的，通常把管道埋入地面結構中，在地面覆蓋層下方澆築一層找平砂漿（screed）。這種做法多用於新建房屋或擴建項目，因為可以在地面施工時一次性完成安裝。而對於已經建好的房屋，也有適用於改造（retrofit）的地暖系統。這類系統可以直接鋪設在現有地面之上（前提是地面平整且結構穩固），通常使用帶自粘功能的板材來固定管道，然後再澆築自流平砂漿進行覆蓋，是翻新項目中非常受歡迎的解決方案。

電加熱元件或水暖管道可以直接澆築在混凝土地板中，這種做法稱為「澆築式系統」（poured floor system）或「濕式系統」。也可以安裝在地面覆蓋層下方（稱為「乾式系統」），或者直接固定在木質基層地板上（又稱「基層系統」或乾式系統）。地暖還可以安裝在懸空的木梁結構地板中（無論是一層還是樓上地面），做法包括：將管道鋪設在木梁之間，並使用金屬導熱板將熱量傳導到上方地板；或者將管道整合進專門設計的結構地板模組中，以提高傳熱效率和結構穩定性。

有些商業建築在設計時會利用建築本身的「熱惰性」（thermal mass），在電價較低的非高峰時段進行加熱或製冷。比如在夜間開啟系統，讓混凝土結構儲存冷量或熱量；到了白天關閉系統後，建築結構會緩慢釋放或吸收熱量，使室內溫度自然維持在舒適範圍內。這種做法被稱為「熱啟動建築系統」（Thermally Activated Building Systems，簡稱 TABS），通過利用結構蓄熱來降低高峰用能需求，提高整體能源效率。

「輻射供暖」和「輻射製冷」這兩個術語通常用來描述這種系統，因為人體感受到的熱舒適中，有相當一部分來自輻射換熱。不過從技術角度來說，只有當地面與室內空間之間超過50%的熱交換是通過輻射方式完成時，這種說法才是嚴格意義上準確的。Chapter 6, Panel Heating and Cooling, 2000 ASHRAE Systems and Equipment Handbook

 水暖系統 
水暖系統使用水或水與防凍劑（如丙二醇）的混合物作為傳熱流體，在地板和鍋爐之間的閉式循環系統中進行供熱。

有多種管道專用於輻射採暖和製冷系統，通常由聚乙烯製成，包括PEX、PEX-Al-PEX和PERT。一些地區或特殊應用中仍然使用聚丁烯（PB）以及銅管或鋼管等較老的材料。

水暖系統需要經驗豐富的設計師和技術人員，他們熟悉鍋爐、循環泵、控制裝置、流體壓力和溫度等傳感部件。採用主要用於區域供熱和製冷的現代化工廠組裝的換熱站，可以大大簡化設計要求，並縮短水暖系統的安裝和調試時間。

地板採暖可以採用多種熱源，例如熱電聯產、天然氣、丙烷、燃油、電鍋爐、生物質鍋爐等等。當熱源是熱泵時，地暖尤其適用，因為地暖使用的水溫比使用散熱器的系統低，從而提高了熱泵的效率。

 電熱系統 
電熱系統僅用於供暖而不能製冷，採用不具腐蝕性且柔性的加熱元件，包括加熱電纜、預製電纜墊、青銅網以及碳膜。由於其結構厚度較低，可安裝於蓄熱層中，或直接鋪設於地板飾面材料下方。電熱系統還可配合分時電價計費方式使用。常見應用包括地毯加熱器、可攜式區域地毯下加熱器、複合木地板下加熱系統、磁磚下加熱、實木地板下加熱，以及地板保溫系統（包括淋浴地板及座椅下加熱）。大型電熱系統同樣需要專業設計人員與技術工種安裝，但相較之下，小型地板保溫系統的施工要求較低。與水暖系統相比，電熱系統所需元件較少，安裝與調試也更為簡單。

 特點 

 熱舒適性 
根據 ANSI/ASHRAE 標準 55——《人體佔用空間之熱環境條件》 的定義，熱舒適（thermal comfort）是指：「一種表達對熱環境感到滿意的心理狀態，並透過主觀評估來判定。」具體就地板輻射供暖而言，熱舒適受到地表溫度以及相關因素的影響，例如輻射不對稱（radiant asymmetry）、平均輻射溫度（mean radiant temperature）以及操作溫度（operative temperature）。操作溫度等於室内空氣溫度和平均輻射溫度的平均值。與對流系統相比，輻射供暖系統可以在較低的空氣溫度條件下保持相同的操作溫度，也就是相同的熱舒適度。

地板輻射供暖透過加熱室內表面來影響輻射熱交換。當這些表面被加熱後，會抑制人體熱量的散失，使人產生溫暖舒適的感受。這種整體舒適感還會因為傳導作用（雙腳接觸地面）以及對流作用（地表溫度影響空氣密度）而進一步增強。

 室内空氣品質 
地板供暖可對室內空氣品質產生正面影響，因為它使人們更容易選擇那些通常被認為「偏冷」的地面材料，例如磁磚、板岩、水磨石與混凝土。與其他地板材料相比，這些砌體類表面通常具有極低的揮發性有機化合物（VOC）排放。配合濕度控制，地板供暖還能建立較不利於黴菌、細菌、病毒與塵蟎滋生的溫度環境。Boerstra A., Op ´t Veld P., Eijdems H. (2000), The health, safety and comfort advantages of low-temperature heating systems: a literature review. Proceedings of the Healthy Buildings conference 2000, Espoo, Finland, 6–10 August 2000.Eijdems, H.H., Boerrsta, A.C., Op ‘t Veld, P.J., Low-temperature heating systems: Impact on IAQ, thermal comfort and energy consumption, the Netherlands Agency for Energy and the Environment (NOVEM) (c.1996)當顯熱負荷從整體暖通空調系統負荷中分離出來後，新風的通風、過濾與除濕可以通過專用新風處理系統（Dedicated Outdoor Air Systems, DOAS）來完成，並以較低的空氣換氣量運作，以減少空氣中污染物的傳播。醫學界也已認識到地板采暖的相關益處，特別是在降低過敏原影響方面的潛在優勢。Rea, M.D., William J, "Optimum Environments for Optimum Health & Creativity", Environmental Health Center-Dallas, Texas.

 能效 
可以通過效率、熵、㶲Asada, H., Boelman, E.C., Exergy analysis of a low-temperature radiant heating system, Building Service Engineering, 25:197-209, 2004和功效的原則來評估地板輻射系統的可持續性。當與高性能建築結合使用時，地板採暖系統可在供暖時以低溫運行，在製冷時以高溫運行Babiak J., Olesen, B.W., Petráš, D., Low-temperature heating and high-temperature cooling – Embedded water-based surface systems, REHVA Guidebook no. 7, Forssan Kirjapaino Oy- Forssan, Finland, 2007，其溫度範圍與地熱Meierhans, R.A., Slab cooling and earth coupling, ASHRAE Transactions, vol. 99(2):511-518, 1993和太陽能熱系統通常的溫度範圍相符。當與這些不燃燒的可再生能源結合使用時，可持續性優勢包括減少或消除本來要用於熱泵Kilkis, B.I., Advantages of combining heat pumps with radiant panel and cooling systems, IEA Heat Pump Centre Newsletter 11 (4): 28-31, 1993和冷水機組所需電力轉換而產生的廢氣和溫室氣體，以及減少對不可再生能源的需求，好為子孫後代儲備更多能源。一系列模擬評估，Chantrasrisalai, C., Ghatti, V., Fisher, D.E., Scheatzle, D.G., Experimental validation of the EnergyPlus low-temperature radiant simulation, ASHRAE Transactions, vol. 109(2):614-623, 2003Chapman, K.S., DeGreef, J.M., Watson, R.D., Thermal comfort analysis using BCAP for retrofitting a radiantly heated residence (RP-907), ASHRAE Transactions, vol. 103(1):959-965, 1997De Carli, M., Zarrella, A., Zecchin, R., Comparison between a radiant floor and two radiant walls on heating and cooling energy demand, ASHRAE Transactions, vol. 115(2), Louisville 2009Ghatti, V. S., Scheatzle, D. G., Bryan, H., Addison, M., Passive performance of a high-mass residence: actual data vs. simulation, ASHRAE Transactions, vol. 109(2):598-605, 2003以及美國能源部Cort, K.A., Dirks, J.A., Hostick, D.J., Elliott, D.B., Analyzing the life cycle energy savings of DOE-supported buildings technologies(PNNL-18658), Pacific Northwest National Laboratory (for U.S. Department of Energy), August 2009Roth, K.W., Westphalen, D., Dieckmann, J., Hamilton, S.D., Goetzler, W., Energy consumption characteristics of commercial building HVAC systems volume III: energy savings potential, TIAX, 2002、加拿大抵押貸款和住房公司Analysis of renewable energy potential in the residential sector through high-resolution building-energy simulation, Canada Mortgage and Housing Corporation, Technical Series 08-106, November 2008 、弗勞恩霍夫太陽能系統研究所Herkel, S., Miara, M., Kagerer, F. (2010), Systemintegration Solar + Wärmepumpe, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE以及美國採暖、製冷與空調工程師學會Baskin, E., Evaluation of hydronic forced-air and radiant slab heating and cooling systems, ASHRAE Transactions, vol. 111(1):525-534, 2005資助的研究都支持了這一觀點。

 安全與健康 
低溫地板輻射供暖系統被嵌入地板內部或鋪設於地面覆蓋材料之下。因此，它不佔用牆面空間，不會造成燙傷危險，也不會因意外接觸而導致絆倒或跌倒等人身傷害風險。這一特點在醫療機構中被認為是一項優點，特別是對服務老年人及失智症患者的設施而言更為重要。Hoof, J.V., Kort, S.M., Supportive living environments: The first concept of a dwelling designed for older adults with dementia, Dementia, Vol. 8, No. 2, 293-316 (2009) Hashiguchi, N., Tochihara, Y., Ohnaka, T., Tsuchida, C., Otsuki, T., Physiological and subjective responses in the elderly when using floor heating and air conditioning systems, Journal of Physiological Anthropology and Applied Human Science, 23: 205–213, 2004Springer, W. E., Nevins, R.G., Feyerherm, A.M., Michaels, K.B., Effect of floor surface temperature on comfort: Part III, the elderly, ASHRAE Transactions 72: 292-300, 1966根據經驗，在相似的環境條件下，加熱地板能加快潮濕地面的蒸發速度（例如淋浴後、清潔時或液體潑灑之後）。此外，採用流體循環管道的地板供暖系統，對於需要防爆設計的環境也十分適用，因為燃燒設備與電氣設備可以遠離易爆區域設置，從而提高安全性。

 使用壽命、維護和維修 
設備的維護與維修方式，基本上與其他水系統或暖通空調系統相同；但若管道、電纜或加熱墊被嵌入地板內部，維修難度則會提高。早期的實驗性應用（例如約 1940 至 1970 年間由 Levitt 與 Eichler 建造的住宅）曾出現嵌入式銅管與鋼管系統故障的情況。此外，法院也曾就聚丁烯（polybutylene）與 EPDM 材料問題，將部分管材故障責任歸於 殼牌、固特異等公司。Settlement Announced in Class Action with Shell, 另外，在 1990 年代中期，也曾出現少數關於電熱石膏板（electric heated gypsum panels）失效的公開報導。

大多數安裝故障都歸因於施工現場疏忽、安裝錯誤以及產品處理不當（例如暴露於紫外線輻射）。混凝土安裝標準和輻射供暖製冷系統設計、施工、運行和維修的良好實踐指南E.g. Radiant Panel Association, Canadian Institute of Plumbing and Heating, Thermal Environmental Comfort Association of British Columbia, and ISO Standards.要求進行澆築前壓力測試，以減少因安裝和操作不當而導致的問題。

採用交聯聚乙烯（PEX，於 1930 年代開發）及其各種衍生材料（如 PE-RT）的流體系統，在嚴寒氣候條件下的長期應用中已證明具有可靠的耐久性能，例如用於橋面、飛機庫停機坪以及起降平台等場合。PEX 已成為住宅應用中相當受歡迎且可靠的選擇，適用於新建混凝土地坪、新建樓板樑架結構，以及（樑架）翻修改造工程。由於此類材料以聚乙烯為基礎並經過分子交聯處理，因此對腐蝕以及典型流體式 HVAC 系統所產生的溫度與壓力應力具有高度抗性。然而，為確保 PEX 系統的可靠性，安裝程序必須精確（尤其是在接頭處），並且必須嚴格遵守製造商對最高水溫或流體溫度等規格的要求。

 設計和安裝 
地板冷暖系統的工程設計受行業標準和規範的約束。ANSI/ASHRAE 55- Thermal Environmental Conditions for Human OccupancyISO 7730:2005, Ergonomics of the thermal environment -- Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria

 技術設計 
地板系統所交換的熱量取決於輻射與對流換熱的綜合作用。

·       輻射換熱根據斯特藩–玻爾茲曼常數（Stefan–Boltzmann constant）保持恒定關係。

·       對流換熱則會隨時間變化，取決於空氣密度及其浮力。空氣浮力會隨著地板表面溫度的變化以及風機作用和空間內人員與物體運動所引起的空氣流動而改變。

·       當地板系統處於供暖模式時，其對流換熱作用通常比在製冷模式下更為顯著。

通常情況下，地暖的對流部分占總傳熱的近 50%。

 傳熱與濕度控制 
當供熱或製冷管道、加熱電纜與其他建築構件處於同一空間時，可能會發生寄生熱傳遞（parasitic heat transfer）。例如，可能與製冷設備、冷藏區域、生活冷水管線、空調系統及通風管道之間產生不必要的熱交換。為控制這種情況，所有管道、電纜及相關建築構件都必須進行良好的絕緣處理。

在地板製冷系統中，冷凝水可能會在地面表面形成。為防止冷凝，需將空氣濕度控制在較低水準（低於 50%），同時將地面溫度保持在露點溫度以上，約為 19°C（66°F）。Mumma, S., 2001, Designing Dedicated Outdoor Air Systems, ASHRAE Journal, 29-31

 建築系統和材料 
地坪下熱損失

 土壤的熱導率會影響地面與地坪（加熱或冷卻的樓板）之間的熱傳導。
 含水量超過 20% 的土壤的熱導率可能比含水量低於 4% 的土壤高出 15 倍。Table 3 Soil Thermal Conductivities, 2008 ASHRAE Handbook—HVAC Systems and Equipment
 應評估地下水位和土壤總體狀況。
 國家能源規範要求使用合適的地坪下保溫材料，例如硬質擠塑聚苯乙烯或膨脹聚苯乙烯。Natural Resources Canada's (NRCan's) validation of new building designs policies and procedures and interpretation of the Model National Energy Code for Commercial Buildings (MNECB), 2009Beausoleil-Morrison, I., Paige Kemery, B., Analysis of basement insulation alternatives, Carleton University, April 2009
外墙框架的热损失

 加热或冷却的底层地板会增加室外和采暖（空調）房間之间的温差。 
 框架木材（例如过梁、横梁和悬臂梁）形成的空腔必须根据气候和建筑技术，使用合适值的硬质保温材料、毡状保温材料或喷涂保温材料进行隔热。
砌体及其他硬质地面注意事项

 混凝土地面必须考虑因固化过程以及温度变化所引起的收缩与膨胀。
 浇筑地面（如混凝土、轻质找平层等）的养护时间和养护温度必须符合行业标准。
 对于所有砌体类地面材料，都必须设置控制缝与伸缩缝，并采用裂缝抑制措施，包括：
 瓷砖（Tile）
 板岩（Slate）
 水磨石（Terrazzo）
 石材（Stone）
 大理石（Marble）
 混凝土（包括染色、纹理处理及压模混凝土）
木地板

木材的尺寸穩定性主要取決於其含水率。不過，在木地板受熱或降溫時，以下因素也會影響其尺寸變化：

 木材種類（Wood species）
 加工方式（如四分之一鋸切 quarter sawn 或平鋸 plain sawn）
 安裝前的適應期（Acclimation period）
 室內空間的相對濕度（Relative humidity）

Category:住宅供热