1 引言

　　近年来，国内住宅建筑标准和居住者对房间热舒适要求不断提高。然而随着能源供应日益趋紧，传统房间采暖方式已经难以满足用户自行调节室温和相关节能减排的要求。因而新型的房间采暖方式已经受到人们的极大关注，并将迅速成为建筑行业的一个热点。

　　当前房间采暖按照供暖系统终端的不同，可分为自然对流、辐射、热风三种方式。通常看到的暖气片便是通过自然对流供暖。辐射供暖包括电热膜、电缆以及地板采暖等。热风供暖主要是空调机。

　　新型房间采暖多采用辐射供暖技术，它是一种利用建筑物内部的墙面、顶面或其他表面进行供暖的方式。辐射供暖技术具有舒适性好、温度场均匀、可利用热源多等优点，并已得到了广泛的应用。常见的辐射供暖技术包括天棚供暖、壁挂式供暖以及地板供暖等。

　　天棚电力供暖系统要求对室温的变化反应迅速。天棚供暖部件要安装在天花板吊顶上面的天花板结构里。天棚供暖构件将天花板吊顶加热到30℃ ~40℃。天花板吊顶将热散发到房间内，这意味着热量并不停留在房间的顶部，反之，它象阳光一样将热散发到房间内，当放射遇到物体时，如地板、家具及室内的人时就会转变成热。天棚供暖由一个室内温控器控制。温控器的作用在于测量室内的温度并使之保持平衡。

　　壁挂式电力供暖系统以极高的效率提供一个温暖舒适的高水平居住环境，因为房间内的电能可以被转变成为热能。内置于散热器的的温控器对室温变化和温度要求反应迅速。壁挂式散热器通常置于窗户下面，用以阻止来自窗户的冷空气。壁挂式电力供暖系统通常有一个与散热器本身相连的温控器控制。在储藏室、商店、大型的购物商厦、运动大厅、工业厂房及车站可采用高温辐射器供热。

　　地板辐射采暖作为一种新型的供暖方式具有很多优点，如热舒适性高、卫生、保健、热稳定性好、节能效果好等。地板辐射采暖在住宅和公共建筑中，得到了越来越广泛地应用。地板采暖系统常见的方法有太阳能地板供暖、地板电采暖和地板水供暖。

　　本文重点对地板采暖系统的特性进行阐述，并对设计中存在的一些问题进行探讨。

　　2 太阳能地板供暖技术

　　太阳能地板供暖是将太阳能作为热源的一种新型采暖方式。但是，由于太阳能具有低密度、间歇性和不稳定性等缺点，因此在太阳能应用中必须与其他热源联合运行。热泵作为热源具有独特的优势，它可以节省高品位的电能，减少化石类能源的消耗，减少环境的污染。由此可见，利用太阳能与热泵联合运行作为热源的地板供暖系统是一种有效利用太阳能供暖的理想方式。太阳能-热泵地板供暖系统包括太阳能集热系统、蓄热系统、热泵系统以及地板辐射供暖系统，如图1所示。系统运行时优先利用太阳能供暖，热量不足时，启动热泵进行供暖。集热器是太阳能供热系统中重要的部分，其性能和成本对整个供热系统成本起主要作用。太阳能热泵供热系统的一般采用了价格便宜、构造简单、成本低的低温平板集热器。集热器采光面积可以根据房间热负荷、热泵性能系数和当地的气象参数，并对集热器性能做适当假设来确定。蓄热系统是为了适应太阳能不稳定性和间断性的特点，把太阳能集热器在白天吸收的部分太阳能储存起来，以备夜间和阴雨天使用。在实际使用的蓄热介质中，由于水的传热性能和流动性能较好，体积比热大，因而在低温条件下常选用水为蓄热介质。太阳能热泵地板辐射供暖系统主要通过地下辐射换热盘管，利用地面自身的蓄热辐射将热量向地面空间散发，维持该空间具有较稳定的舒适状态。低温地板辐射供暖给人以脚暖头凉的舒适感，符合人体生理学调节特点，提高了室内环境的舒适度。太阳能热泵系统利用了太阳能，可以减少对常规能源的消耗，为开发利用新能源提供了新途径。热泵可以在输入一份高位能条件下，输出三份左右的热能，节约部分高位能。低温地板辐射供暖可以在比室内正常设计温度低2～3℃情况下，达到与对流散热系统相同的舒适度，比传统的采暖方式节省能源。由于受到太阳能资源、建筑物的类别、气候条件、系统的投资成本等因素的限制，太阳能热泵技术的利用目前还没有得到普及。可是，随着太阳能热泵技术的可靠性和经济性不断提高，太阳能地板供暖系统的应用对于解决能源和环境问题具有极其深远的意义。

图1 太阳能热泵地板供暖系统原理图

　　3 地板电采暖技术

　　地板电采暖通常又分为电热膜地板供暖系统和电缆地板供暖系统。

　　3.1 电热膜地板供暖系统

　　随着传统供暖方式的弊端日益突出，电热膜地板供暖以其舒适、美观、节能、环保、健康等诸多优势，越来越受到广大消费者的青睐。目前市场上的电热膜大致分为四种类型，即印刷油墨型、超薄金属片型、碳纤维型和以新宇阳为代表的功能性高分子电热新材料型，其中只有碳纤维型和功能性高分子电热材料型电热膜在通电后整个表面能够均匀发热。不同的电热膜技术含量不同，也具有不同的特点和应用领域，如：印刷油墨型电热膜主要用于顶棚供暖，超薄金属片型主要用于电热画、防雾镜，碳纤维型主要用于大功率电热板等，新宇阳高分子电热膜主要应用于电热地板供暖系统，且大部分是用于木地板供暖，参见图2～3。

图2 电热膜地板供暖

图3 电热膜地板供暖系统

　　3.1.1 新宇阳高分子电热膜的独特优势

　　新宇阳高分子电热膜在地板电采暖应用领域具有一些独特的优势:

　　(1) 物理性能良好。高分子电热材料型电热膜地板供暖系统可因发热体、载流条和绝缘保护层的不同而具有不同的物理形态和性能。在弯曲、折压的情况下，不会影响其正常工作。在局部受到破坏时，如划伤、局部洞穿等情况下也不会影响其正常加热功能。甚至可以加工成 些特殊形状，对某些特殊的部件进行加热或保温。

　　(2) 衰减慢，寿命长。高分子电热材料型电热膜的功能性高分子导电材料热稳定性优良，正常使用下不发生分子脱变及异化裂化反应，这一特点保证了新宇阳远红外电加热系统能够实现大面积均匀、低温发热， 不产生局部高温点，因而寿命特别长。该材料经热模拟试验（110℃下），30年内平均功率波动小于±5％，此特性是面状发热体能够长期稳定运行的基本保证。

　　(3) 运行安全可靠。高分子电热材料型电热膜具有良好的绝缘性能、密封防水性、阻燃性，其抗老化等各项指标均达到并超过了相应的国家标准。整个系统设置有过热保护和电子温控装置双重保护，可防止异常升温，确保系统安全运行。在建筑供暖领域，高分子电热材料型电热膜地板供暖系统应用独特的覆盖技术解决了电热膜埋于地下的电气安全性问题，使电热膜可以长期正常工作。

　　(4)具有保健功能。高分子电热材料型电热膜具有较强的远红外辐射功能，其波长5~15m，易为人体所吸收，使人倍感舒适，增进血液循环，对人体具有较好的保健作用。

　　3.1.2 电热膜必须需要解决的问题

　　电热膜在地板采暖应用中也有一些必须需要解决的问题：

　　(1) 产品适用性问题。并非所有类型电热膜都适用于地板采暖，这是设计者必须认真对待的问题，没有经过科学的论证和实验检验，盲目使用电热膜，一旦出问题，危害性很大；

　　(2) 局部过热问题。电热膜地采暖与发热电缆相比，缺点是易于造成局部过热现象；

　　(3) 泄漏电流问题。电热膜运行中由于电容效应，会泄漏电流。如同日常生活中的静电对人体并无多大损害一样，当电热膜单位面积泄漏电流小于一定值时，不影响人体健康。目前电热膜泄漏电流的多少是参照电子产品的要求进行检测。设计者可以通过施工工艺来解决泄漏电流问题；

　　(4)电磁辐射问题。电热膜的电磁辐射现象也是不容忽视的问题。对此我们国家目前还没有相应的标准。

　　3.2 电缆地板供暖系统

　　发热电缆供暖系统安装接近地表面，可以快速提高房间温度。由于室内舒适的温度场，用户甚至可以将温度调低2℃，而不影响人体舒适感。该系统可以对整个地板或房间均匀加热，避免了冷风产生。尤其是为敏感的靠近地面的地方，室内灰尘也因此减少。而在浴室或潮湿的房间里，由于潮湿地面可以快速干燥，电缆地板供暖系统还有避免真菌、螨虫滋生的优势。为了减少系统电磁场的放射强度，电缆可以采用双导线设计。另外，电缆地板供暖系统适用于绝大部分地面类型（瓷砖、大理石、木地板、复合板），且不会占用宝贵的室内空间，如图4所示。

图4 发热电缆供暖系统

图5 低温地板热水辐射供暖系统简图

　　目前市场上电缆地板供暖系统主要有智能地板电采暖系统和节能型地板电采暖系统。智能地板电采暖系统采用自动调控系统，它可自动感知诸如太阳辐射、电器和照明装置等其它热源，并随时随地调整系统热输出。在靠近窗口或门等较冷区域会产生较多的热量，而在地毯和家具下面等较热的区域产生较少的热量输出，从而不会产生局部过热。节能型地板电采暖系统是将自调控发热电缆与均热保温铝板有机结合起来。通过铝覆保温板的保温功能可以降低热损耗，并使热量分布更加均匀。节能型地板电采暖系统适用于地面铺实木地板和复合地板的房间设计。因此发热电缆供暖系统具有温暖舒适、设计灵活、节能高效和安装简便等优点，在地板采暖系统中有较好的应用前景。

　　4 地板水供暖

　　4.1 低温地板热水供暖系统

　　低温地板热水辐射供暖方式近几年在国内发展较快。由于这种供暖方式具有诸多的优点，这种供暖方式在一些地区得到了大力推广。低温地板热水辐射供暖是一种将热盘管埋置于混凝土埋管层中，通过水泵让40 ℃～60 ℃的低温热水在管内循环流动，加热整个地面使地表温度上升至25 ℃～29℃左右，然后通过辐射和部分对流方式向室内散热的一种供暖方式。实际应用中，在建筑物地面结构层上，首先铺设高效保温材料，起到单向保温和隔热的作用，而后将通水管用特殊方式双向循环，按一定管间距固定在保温材料上，回填豆石混凝土，经夯实平整后再做地面面层。热媒可采用微型水泵使低温热水不大于65℃，通过热盘管加热地表层，以辐射的方式向室内传热，从而达到舒适的供暖效果。图5为低温地板热水辐射供暖系统简图。

　　地板供暖的节能问题主要包括减少采暖耗能和减少水泵电耗能。低温地板热水辐射供暖方式在采暖节能方面具有以下特点：

　　(1)降低室内设计温度，节省能耗。利用低温热水地面辐射供暖向室内供暖时，热量主要以辐射方式传送，辐射散热量占总散热量50％～60％，这种传送方式直接迅速，热量无需通过任何介质便可传给供对象，提高了热效率。因此地板供暖可以用较低的室内设计温度得到散热器较高室内设计温度相当的供暖效果。室内设计温度的降低，意味着室内供暖热负荷的降低，亦即节省了供暖能耗，节约了能源。

　　(2) 行为节能，减少能耗。其一，辐射采暖方式较对流方式热效率高，在相同舒适条件下，室内计算温度一般可比对流采暖方式低2℃～3℃。其二，地面辐射供暖容易单户自成系统，只需在分水器旁加装热计量装置，即可实现分户热计量，适应了供热方式的变革，可按需供求，实现行为节能。其三，采用自动分室温度控制以后，温控系统能自动关断环路，减少热量浪费，有资料认为可节能10％左右。因此地板供暖智能化、分户计量、自动调温可以实现行为节能。

　　(3)高度附加热损失小。根据《地面辐射供暖技术规程》设计要求，人长期停留房间地表面温度不得高于28℃，采用地面辐射供暖时室温在室内垂直方向的变化规律，地表面温度接近30℃，垂直温度开始降低，在人的呼吸地带达到室内设计温度。距地面30cm垂直方向的温度变化不大。采用地面辐射供暖时，辐射供暖地面的温度高于空间温度，由于上部空间温度低，因而大大地减少了上部空间向外的无效热损失。

　　(4)利用低温热水。低温热水地板辐射供暖所需水温低，而温度较低的热水在传输过程中比散热器传输时散热损失小。可采用热泵节能技术，广泛利用地热、空气、污水热量、太阳能等可再生能源和低品位能源。

　　(5)地板材料的蓄热，热稳定性好。该供暖方式具有热稳定性好的优点，尤其是间歇供暖情况下室温变化缓慢，即使关断热水阀门或降低供水温度，填充层的材料蓄热量能使室温保持6小时左右。实践证明地板辐射供暖的蓄热也具有一定的节能效果。

　　4.2 永磁同步电机矢量控制系统

　　提高地板采暖系统的整体效率，还要考虑管道系统的设计和水泵本身机械特性，以便提高管道和水泵效率。同时还要考虑水泵电拖动系统的效率问题。下面提出以upd78f1213为控制器，采用永磁同步电机矢量控制系统提高水泵电拖动系统效率的解决方案。

　　4.2.1 永磁同步电机矢量控制系统的主电路和控制电路

　　永磁同步电动机具有转动惯量小、响应速度快和效率高等优点，因此在高性能的伺服领域中得到了广泛应用。同时从改善永磁同步电动机系统的性能出发，采用矢量控制策略，实现了直轴电流id 和转矩分量iq的解耦，并将开关损耗svpwm和无速度传感器原理应用到系统的闭环控制中，从而既提高了效率又降低了系统成本。

　　设计制作了永磁同步电机矢量控制系统的功率电路。其中整流桥采用25a/100℃扁型整流桥，ipm模块采用东芝的tpd4104k，电解电容选择220mf/400v，控制器选择nec 16位mpd18f1213，保护功能包括，功率开关过流保护、输出直流电压过压与欠压保护、功率开关过热保护、工作电源欠压保护等。系统的功率电路见图6，控制电路见图7。

图6 永磁同步电机矢量控制系统的功率电路

图7 永磁同步电机矢量控制系统的部分控制电路

图8 电压空间矢量的放射形式和6个扇区

图9 逼近圆形时磁链增量轨迹

　　4.2.2 开关损耗svpvm原理

　　空间矢量脉宽调制（svpwm）利用6个有效矢量和2个零矢量的这8个基本电压空间矢量合成尽可能多的电压矢量，以形成尽可能逼近圆形旋转磁场的磁链圆，可参见图8和图9。svpwm是应用非常广泛的一种开关调制策略，相对于正弦脉宽调制（spwm），svpwm技术有直流电压高、易于数字实现，以及转矩脉动明显减少的优点。可是常规svpwm仍然在降低开关频率方面存在着缺陷。通过降低开关频率的方法可以实现开关损耗的减小，但考虑其开关电流的大小，这种方法并不能使开关损耗。本文提出了一种svpwm优化方法，该方法根据负载功率因数角动态分布零矢量，使得每相电压正、负半周各60°的不开关扇区对称分布于负载电流峰值的两侧，从而在上减少功率器件的开关电流，达到开关损耗。

　　功率器件的开关损耗主要包括静态损耗和动态损耗具体的表达式为：

　　ploss=pss+psw=udc×f(i)×fs×k (1)

　　其中pss为静态损耗；psw为动态损耗；udc为逆变器直流侧电压，是系统给定值；f(i)为开关电流的单调函数；fs为开关频率；k为常数。对逆变器而言，ploss只与f(i)和fs有关。

　　当相邻的非零空间矢量导通时间不足时，可插入零矢量u0和u7。设定t0和t7为:

　　t0=(1-k)×tz，t7=k×tz(0≤k≤1) (2)

　　t0、t7分别为零矢量u0、u7的作用时间；tz为零矢量作用时间；k不受限制，可取[0,1]区间内的任意值，因而可得到许多空间矢量脉宽调制方案。如图10所示，开关损耗方案即把k值的切换点置于每个扇区的中点，使每半周60°的开关不动作区尽可能对称分布在电流峰值的两侧，从而既限度地减小了开关频率又限度地减小了开关电流，达到了开关损耗的目的。

图10 开关损耗方案的调制波形

　　开关损耗方案是一种根据负载功率因数角动态调整不开关扇区位置，使不开关扇区尽可能落在负载电流较大区域的svpwm方法。为了便于讨论，定义正半周60°不开关扇区的中点滞后该相给定电压正峰值点的角度为该相不开关扇区滞后角δ，定义逆变器三相对称负载的功率因数角为φ。当δ=φ时，每相每周期两个60°不开关扇区恰好落在负载电流正、负半周电流幅值的两个60°扇区。这样就减小了功率器件的开关电流，从而进一步减少了开关损耗，则在一个周期内δ和φ按如下取值：

　　当|φ|≤30°(cosφ≥0.866)时，每个周期负载电流幅值的两个60°扇区刚好是不开关扇区，因而可将开关器件的开关电流降低13%（1-sin60°=13%）。只要|φ|≤60°(cosφ≥0.5)，负载电流的正负峰值就会落在不开关扇区内，从而减少开关电流。电动机负荷的功率因数一般在0.8以上，且随机械负荷的变化而变化，因此对常见的电动机负荷，开关损耗方法不仅能使开关损耗，而且还能有效减少开关器件的开关电流。图11为采用开关损耗方案并滤波后的svpwm调制波和u相电压实验波形。

图11 调制波和u相电压实验波形

　　4.2.3 矢量控制原理

　　正弦波永磁同步电动机的转子磁通由磁钢决定，是恒定不变的，可采用转子磁链定向控制，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链 yr 方向上的矢量控制。矢量控制是建立在坐标变换理论下的控制方法，经坐标变换后，永磁同步电机具有像直流电机一样的调速性能，为此给出永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型。其磁链方程分别简化为：

　　电压方程简化为

　　转矩方程简化为：

　　其中，lsd、lsq分别为等效两相定子绕组d轴自感、q轴自感；id、iq分别为d、q轴方向的电流分量；ω1为同步角转速；np为定子磁极对数。

　　在永磁同步电机中，id=0，因此有

　　在id=0条件下，电磁转矩te和q轴电流iq成正比，只要对电流进行控制就达到了控制转矩的目的，同时也能保证的输出转矩。

　　其中tl、j分别为电机的阻转矩和转动系统的转动惯量，ωr为转子角速度。通过对输出力矩的控制，达到速度调节的目的。图12为按转子磁链定向并使id=0的pmsm矢量控制系统。

　　4.2.4 无速度传感器原理

　　pmsm矢量控制系统通常需要检测转子位置和定子电流等相关物理量，但是当系统的运行环境和成本致使无法使用位置传感器检测时，则需要采用无位置传感器的控制方法。本文提出一种低成本的无速度传感器永磁同步电机矢量控制解决方案，利用串联在负母线中的采样电阻得到负母线电流信号，利用分压电阻取得直流母线的电压，结合逆变器开关状态s(a,b,c)实现相电流和相电压的重构，采用基于改进电压模型的反电势积分方法对转速和磁链进行估算，估算得到的转子位置和速度用作反馈，从而实现了低成本永磁同步电机无速度传感器矢量控制。无速度传感器永磁同步电机矢量控制系统采用id=0控制策略，d轴磁链全部由永磁体产生。该系统包括电流环、电压环、逆变器和转速估算模块，如图13所示。

图12 转子磁链定向并使id=0的pmsm矢量控制系统

图13 无速度传感器的pmsm矢量控制系统

　　5 结束语

　　随着矢量控制理论和调制技术的发展，变频调速在地板供暖系统中的应用越来越广泛。地板辐射供暖广泛应用于中小功率的场合，以其节能高效的特性受到社会的关注和认可，使其成为一种极具发展前途的供暖方式。但是仍然有一些尚需研究解决的技术问题，这就需要广大同行进一步讨论和研究，促进这项技术日益完善。