地暖系統

地面铺好的电暖管

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。

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。

地暖管道，在被找平層覆蓋之前

地板采暖分集水器

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。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。

能效

可以通過效率、熵、㶲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，其溫度範圍與地熱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，以及美國能源部、加拿大抵押貸款和住房公司 、弗勞恩霍夫太陽能系統研究所以及美國採暖、製冷與空調工程師學會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。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。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。

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）。

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。
• 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。

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）

控制系統

地板供暖與製冷系統可以設置多個控制點，包括對以下方面的管理：

• 供熱與製冷設備中的流體溫度（例如鍋爐、冷水機組、熱泵中的流體溫度）,這會影響系統的運行效率。
• 從設備機房到輻射分集水器之間的配水網路中的流體溫度,這會影響系統的初始投資以及運行成本。

• PE-X 管道系統中的流體溫度，取決於以下因素：
  • 供暖與製冷負荷需求
  • 管道間距
  • 向上與向下的熱損失
  • 地面材料特性
  • 操作溫度（Operative temperature），該溫度綜合了平均輻射溫度與幹球溫度。

• 表面溫度取決於：
  • 舒適度
  • 健康與安全
  • 材料完整性
  • 露點（用於地板冷卻）。

機械原理圖

辐射式暖通空调系统示意图示例

圖中所示為一個簡化的機械系統示意圖，展示了一種滿足熱舒適需求的地板供暖與製冷系統 ，並配有一套獨立的空氣處理系統以確保室內空氣品質。在中等規模的高性能住宅（例如總空調面積低於3000平方英尺（278平方米））中，採用成套水力控制設備的這種系統，所佔空間大約與一個洗手間面積相當。

經濟

地板采暖系統的價格範圍差異很大，取決於地區、材料選擇、應用方式以及項目複雜程度。該系統在北歐、亞洲和歐洲其他地區被廣泛採用，因此市場相對成熟，系統價格也比發展較不成熟的市場（如北美）更為便宜。

低溫輻射供暖系統和高溫輻射制冷系統非常適合與區域能源系統結合使用。這是因為能源中心與建築之間存在合適的溫差，使得可以採用小直徑保溫管道的配水網絡，並且所需的泵送功率較低。在供暖模式下的低回水溫度以及在制冷模式下的高回水溫度，能夠使區域能源中心達到最高運行效率。這些將地板輻射系統與區域能源結合的原理，也同樣可以應用於獨立的多層建築，並能獲得相同的優勢。

此外，地板輻射系統非常適合與可再生能源結合，例如：

• 地熱能（geothermal）
• 太陽能熱利用系統（solar thermal systems）
• 或任何可以回收廢熱的能源系統。

系統效率

系統效率與能源使用的分析需要考慮多個因素，包括：建築圍護結構的性能、供暖與制冷設備的效率、系統控制方式，以及輻射面板的導熱性能、表面特性、管道或加熱元件的間距與埋深、運行流體溫度，以及循環泵的輸送係數 。

對於電加熱系統，效率分析也採用類似的方法，但還需要考慮發電的效率。

儘管關於輻射系統效率的問題一直存在爭論，既有大量的個人經驗性說法，也有科學論文從不同角度提出支持或反對的觀點，但在供暖時的低回水溫度以及在制冷時的高回水溫度，能夠使冷凝式鍋爐、冷水機組（chillers）以及熱泵在其設計的最佳或接近最佳性能狀態下運行。

此外，由於水的熱容量遠高於空氣，因此在能量輸送方面，「電到水（wire-to-water）」的輸送係數通常高於「電到空氣（wire-to-air）」的輸送係數，這使得以流體為基礎的系統在效率上通常優於以空氣為基礎的系統。現場應用研究與模擬研究都表明，採用輻射制冷系統結合專用室外空氣系統（Dedicated Outdoor Air Systems, DOAS），可以顯著節省電能，而這在一定程度上正是基於上述原理。

在被動式房屋（Passive Houses）、R-2000住宅或淨零能耗建築（Net Zero Energy buildings）中，輻射供暖的低溫與輻射制冷系統的高溫運行條件，非常有利於系統提高㶲效率。

在住宅地板采暖系統中，分集水器的材料在熱性能和耐久性方面起著關鍵作用。鍍鎳黃銅分集水器被廣泛使用，因為與不鏽鋼分集水器相比，它們具有高强度、高性價比以及更好的耐腐蝕性能。行業機構的研究表明，鍍鎳黃銅分集水器可以提高地暖系統的效率和使用壽命。

地面覆蓋材料的效率考量

系統效率也會受到地板覆蓋材料的影響。地板覆蓋層在地板結構與室內人員及其他物體之間形成一個輻射邊界層。例如，地毯相比瓷磚具有更高的熱阻或更低的導熱性。因此，鋪設地毯的地板通常需要更高的內部地板溫度才能達到相同的供暖效果，這可能會降低鍋爐和熱泵的效率。不過，如果在系統安裝時就已經確定地板覆蓋材料，則可以通過合理設計管道間距來達到該覆蓋材料所需的內部地板溫度，而不會降低能源設備的效率。不過需要注意的是，較高的內部地板溫度可能會導致地板非室內側表面的熱損失增加。

地板表面的發射率（emissivity）、反射率（reflectivity）和吸收率（absorptivity）是決定其與室內人員及空間之間進行熱交換能力的重要因素。未經拋光的地板材料通常具有非常高的發射率（約0.85至0.95），因此能夠很好地作為熱輻射體。

在地板供暖與制冷系統（也叫做「可逆地板」）中，具有高吸收率和高發射率、但低反射率的地板表面材料是最理想的。

熱成像評估

熱成像技術（thermography）是一種有用的工具，可以觀察地板采暖系統從啟動階段到正常運行狀態時的實際熱效能。在系統剛啟動時，很容易辨認出管道的位置；但當系統進入穩定運行狀態後，就較難看出管道的位置。正確解讀熱成像圖像非常重要。與有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）一樣，圖像所顯示的只是拍攝當時的熱狀態，並不一定代表系統的穩定運行條件。例如，在圖像中看到的表面可能看起來“很熱”，但實際上其溫度可能低於人體皮膚和核心體溫的正常溫度；而能在圖像中“看到”管道，也並不意味著人能在地面上“感覺到”管道的位置。

此外，熱成像還可以幫助發現建築圍護結構中的缺陷、熱橋現象以及與外門相關的熱損失等等。