CN105371342B - 一种太阳能地面-炕面组合采暖系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能地面‑炕面组合采暖系统,包括太阳能集热系统、蓄热系统、炕面采暖系统、地面采暖系统和控制系统;所述的集热系统收集太阳辐射热量输出于储存蓄热系统中,并通过控制系统设置地面‑炕面采暖系统单独供暖运行时间及供热量以满足人体热需求。昼间人在房间活动时,地面采暖系统对房间供暖满足室内温度需求;夜间人处于睡眠状态时,炕面采暖系统提供舒适的被窝温度。本发明采用了地面‑炕面分时分区采暖模式运行,根据昼夜人体活动区域以及不同状态下热需求不同,按需供给,减少建筑能耗,减小系统规模及成本,应用方便,易于控制,可操作性强,在村镇太阳能采暖建筑中推广应用具有良好的经济及社会效益。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热利用及分时分区采暖领域,涉及一种太阳能采暖房间地面-炕面组合运行系统,主要用于解决太阳能热水系统规模受限或者房间连续采暖时太阳能保证率低,室内温度无法满足人体热需求,以及房间分时分区太阳能地面-炕面组合采暖系统设计及运行调节等问题。
背景技术
随着我国村镇居民生活水平的提高,对冬季室内热环境的要求也越来越高,尽管很多城市采暖方式已经成熟,但是由于村镇建筑人员密度小,连续全面采暖能耗大,存在一定的能源浪费。目前太阳能地板采暖技术已应用到村镇建筑中,但由于夜间太阳能集热器无法集热,蓄热水箱低温热水无法用于采暖,需配备较大容量的辅助加热系统。另外城市采暖方式无法代替传统火炕在村镇居民心中的位置,但是传统火炕热稳定性及卫生性均较差,难以满足居民的热需求。近年来出现一种新型采暖方式——太阳能炕,利用太阳能热水系统对炕面加热,使炕面达到人体需要温度。然而现有太阳能炕不仅难以达到昼间室内热舒适温度,且保证率低,原因在于居民昼间的主要活动区域并不在炕上,而炕面存在被褥等导致散热性能差,要满足室内人体热需求,需要炕面产生较大的散热量来保证室内温度,这会使太阳能系统规模过大,还可能会导致炕面温度过热等问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题,本发明的目的在于,提供一种太阳能地面-炕面组合采暖系统,昼间人在房间活动时,地面采暖系统对房间供暖满足室内温度需求;夜间人处于睡眠状态时,炕面提供舒适的被窝温度。该系统可满足居民全天热需求,解决了夜间低温热水无法用于采暖,同时可减小系统规模和成本,为太阳能采暖在村镇建筑中的推广提供技术支持。
为了实现上述任务,本发明采用以下技术方案:
一种太阳能地面-炕面组合采暖系统,包括太阳能集热系统、蓄热系统、炕面采暖系统、地面采暖系统和控制系统;
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器,太阳能集热器昼间接收太阳辐射进行集热,对其内部的循环水进行加热;蓄热系统包括蓄热水箱,太阳能集热系器通过热水管将加热后的水送至蓄热水箱中存储,蓄热水箱通过回水管向太阳能集热器供水;
所述的炕面采暖系统包括呈盘绕状设置在炕面上的炕面盘管,地面采暖系统包括呈盘绕状设置在地面上的地面盘管,炕面盘管与地面盘管并联设置;自蓄热水箱上引出一根辅助热管,辅助热管上串联设置有加热器,辅助热管通过两根支管分别连接地面盘管与炕面盘管的进水端,而炕面盘管与地面盘管的出水端汇聚至出水管上,出水管连接至蓄热水箱;
所述的回水管上安装有集热系统循环水泵,出水管上安装有采暖系统循环水泵,两根支管上分别安装有第一电磁阀和第二电磁阀;在热水管上、蓄热水箱内的底部、地面和炕面上分别安装有第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器;
所述的控制系统包括控制器,控制器分别与所述的集热系统循环水泵、加热器、第一电磁阀、第二电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器连接;
当第一温度传感器采集到的温度值大于第二温度传感器采集到的温度值时,控制器发出控制信号使集热系统循环水泵打开,否则保持集热系统循环水泵关闭状态;
当第三温度传感器采集到的温度值小于在控制器中设置的地面温度阈值时,控制器发出控制信号使第一电磁阀增大开启量,以提升地面温度;反之则减小第一电磁阀开启量;
当第四温度传感器接收到的温度值小于在控制器中设置的炕面温度阈值时,控制器发出控制信号使第二电磁阀增大开启量,以提升炕面温度;反之则减小第二电磁阀开启量;
当第一电磁阀和第二电磁阀的开启量达到最大值,而地面或炕面温度仍低于其设定阈值时,控制器发出控制信号开启加热器,否则保持加热器关闭状态。
进一步地,所述的地面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层和装饰层;与地面相接的墙面上设置有抹灰层与脚踢板。
进一步地,所述的地面盘管设置在地面的填充层中,地面盘管铺设的间距为200~300mm,地面的填充层为50mm厚度的现浇混凝土,地面的绝热层为50mm厚度的双面复合铝箔的聚氨酯板。
进一步地,所述的炕面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层;与炕面相接的墙面上设置有抹灰层与密封膏。
进一步地,所述的炕面盘管设置在炕面的填充层中,炕面盘管铺设的间距为100mm,炕面的填充层为30mm厚度的砂石混凝土,炕面的绝热层为30mm厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板。
本发明与现有技术相比具有以下技术特点:
1.按需供给,解决房间连续采暖时,太阳能热水系统规模过大的问题。
采用本发明的太阳能地面-炕面组合采暖系统,当昼间人员活动在房间时,仅开启地面盘管对空间进行加热,满足人体热需求;夜间人员处于睡眠状态下时,仅需要使用炕面盘管对炕面加热,满足人体对被褥微气候的舒适温度需求。夜间所需加热空间小,所需热水量小,且可采用更低温度热水实现,避免了夜晚需要达到昼间室内设计温度造成的能源浪费,同时大幅减小了房间连续采暖时太阳能热水系统规模。
2.解决夜间太阳能集热器无法集热,低温热水无法用于采暖的问题。
夜间集热器无法集热,且太阳能集热器昼间集热量储存在蓄热水箱中的热量有限,采暖系统又不断取热,同时蓄热水箱也存在一定的失热量,水箱温度逐渐降低,房间夜间采暖时使用此低温热水无法满足室内热需求。而人体所需被褥微气候舒适环境区域小,所需供热量小,采用夜间仅针对炕面加热,低温热水仍可满足要求。
3.应用方便,易于控制,可操作性强。
该太阳能地面-炕面组合采暖系统结构简单,传统太阳能地板辐射采暖技术成熟,安装技术手段易于获取。在分支管路上安装电磁阀做到两个采暖系统独立控制,采用自控系统无需人员频繁操作即可实现整个太阳能地面-炕面组合采暖系统的运行。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;
图2是本发明的控制系统信号流程说明图;
图3是本发明的地面采暖施工做法示意图;
图4是本发明的炕面采暖施工做法示意图;
图5(a)为填充层厚度40mm时不同盘管间距下地面平均温度;
图5(b)为填充层厚度50mm时不同盘管间距下地面平均温度;
图5(c)为填充层厚度60mm时不同盘管间距下地面平均温度;
图5(d)为填充层厚度70mm时不同盘管间距下地面平均温度;
图6(a)为填充层厚度30mm时不同盘管间距下炕面平均温度;
图6(b)为填充层厚度40mm时不同盘管间距下炕面平均温度;
图6(c)为填充层厚度50mm时不同盘管间距下炕面平均温度;
图6(d)为填充层厚度60mm时不同盘管间距下炕面平均温度;
图7是实例中该组合采暖系统与普通采暖系统节能效果对比图;
图中标号代表:1—太阳能集热器,2—集热系统循环水泵,3—蓄热水箱,4—供暖系统循环水泵,5—地面盘管,6—炕面盘管,7-1—第一电磁阀,7-2—第二电磁阀,8—加热器,9-1—第一温度传感器,9-2—第二温度传感器,9-3—第三温度传感器,9-4—第四温度传感器,10—控制器,11—热水管,12—回水管,13—支管,14—辅助热管,15—出水管。
具体实施方式
本发明的技术思路是,利用现行间歇及分区采暖办法,结合传统火炕的优越性,运用两个独立采暖系统分别满足昼间和夜间人体所在区域的热需求,从而解决夜间低温热水不能满足采暖要求的问题,并达到降低建筑热负荷,减小系统规模和成本的目的。
如图1所示,本发明提供了一种太阳能地面-炕面组合采暖系统,包括太阳能集热系统、蓄热系统、炕面采暖系统、地面采暖系统和控制系统;
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器1,太阳能集热器1可采用市售的各种集热器,其基本原理是,在太阳能集热器1上并排设置有多个内部有热工质的集热管,集热管上部的放热端伸入到一个集水箱中,太阳能照射集热管,使内部热工质蒸发至集热管上部,进行放热,与集水箱中的水进行热交换,冷却的热工质再顺着集热管流下,如此反复,起到加热集水箱中水的目的。太阳能集热器1昼间接收太阳辐射进行集热,对其内部及时向中的循环水进行加热;这里的循环水是指与蓄热水箱3构成的系统;蓄热系统包括蓄热水箱3,蓄热水箱3外部包裹有绝热层,以减少自身的热量损耗;太阳能集热系器通过热水管11将加热后的水送至蓄热水箱3中存储,蓄热水箱3通过回水管12向太阳能集热器1供水,由此使蓄热水箱3与太阳能集热器1构成一个热力供应系统,这样可以保证蓄热水箱3中始终有热水。
所述的炕面采暖系统包括呈盘绕状设置在炕面上的炕面盘管6,地面采暖系统包括呈盘绕状设置在地面上的地面盘管5,炕面盘管6与地面盘管5并联设置;如图1所示,具体的盘绕状设置,可以为“回”字形的设置方式,这种设置方式较为均匀,且覆盖范围广。
自蓄热水箱3上引出一根辅助热管14,辅助热管14上串联设置有加热器8,辅助热管14通过两根支管13分别连接地面盘管5与炕面盘管6的进水端,而炕面盘管6与地面盘管5的出水端汇聚至出水管15上,出水管15连接至蓄热水箱3;
辅助热管14是为炕面采暖系统以及地面采暖系统供给热量的来源,辅助热管14将蓄热水箱3中的热水分别通过支管13导入到地面盘管5和炕面盘管6中,使热水在地面盘管5、炕面盘管6中循环放热,以提升炕面、地面的温度,满足室内的供暖需求;热水自地面盘管5和炕面盘管6循环后,温度降低,汇聚至出水管15上,然后出水管15将温度降低后的水复又输送回蓄热水箱3中,蓄热水箱3内部冷热水进行热交换后,整体温度降低,此时通过蓄热水箱3与太阳能集热器1之间的热循环,又对蓄热水箱3内的水温进行提升,由此通过蓄热水箱3、太阳能集热器1之间的热循环来影响蓄热水箱3和地面采暖系统、炕面采暖系统之间的热循环,最终使热量散布到地面、炕面上,继而提升室内温度。
所述的回水管12上安装有集热系统循环水泵2,出水管15上安装有供暖系统循环水泵4,两根支管13上分别安装有第一电磁阀7-1和第二电磁阀7-2;在热水管11上、蓄热水箱3内的底部、地面和炕面上分别安装有第一温度传感器9-1、第二温度传感器9-2、第三温度传感器9-3和第四温度传感器9-4;
集热系统循环水泵2控制着太阳能集热器1与蓄热水箱3之间的热循环是否开启,这是一种可以电控或手控的水泵;当蓄热水箱3内部的水温能满足室内供给要求时,可以先关闭水泵,此时太阳能集热器1上的集水箱中能保存一部分温度较高的水;而当蓄热水箱3中水温不能达到要求时,则开启水泵,使蓄热水箱3与太阳能集热器1发生热交换,以提升蓄热水箱3内的水温。本方案中地面和炕面的供热采用两套独立的管路,分别由第一电磁阀7-1和第二电磁阀7-2控制。调节两个电磁阀的开启量,即可以调节通过水的流量,从而间接地调整温度。至于这些设置的传感器,分别监控者布设位置的温度,用以形成全面的调控系统。
炕面盘管6和地面盘管5均采用直径15mm的聚乙烯管。由于地面和炕面存在一定的热惰性,在两种盘管运行转换期间,需要经过一定的过渡预热阶段。因此昼间用户准备起床前,不关闭第二电磁阀7-2以保证炕面的温度,同时还需要提前一段时间开启第一电磁阀7-1,使地面盘管5供热,以满足用户在室内活动时的热需求。同样地,在睡觉前,在不关闭第一电磁阀7-1的前提下,提前一段时间开启第二电磁阀7-2,使炕面先行预热,以满足人体对被褥舒适温度的要求。
所述的控制系统包括控制器10,控制器10分别与所述的集热系统循环水泵2、加热器8、第一电磁阀7-1、第二电磁阀7-2、第一温度传感器9-1、第二温度传感器9-2、第三温度传感器9-3和第四温度传感器9-4连接;控制器10用于综合调控整个系统中各部分的温度,可采用自动控制方式或手动控制的方式。
当第一温度传感器9-1采集到的温度值大于第二温度传感器9-2采集到的温度值时,控制器10发出控制信号使集热系统循环水泵2打开,否则保持集热系统循环水泵2关闭状态;
结合图2,太阳能集热器1的热水管11处通过第一温度传感器9-1采集温度信息,蓄热水箱3内的底部由第二温度传感器9-2采集温度信息,接收的温度信号分别为a和b,当热水管11中的水温大于蓄热水箱3内的温度时,控制器10发出集热系统循环水泵2工作的信号;而当蓄热水箱3温度小于热水管11中水温时,则一直保持集热系统循环水泵2关闭状态。
控制器10可以根据房间人员行为轨迹来设定分时分区采暖模式,以控制地面、炕面温度系统各自单独运行的时间(如地面单独运行时间为7:00-22:00,地面单独运行时间为0:00-8:00和21:00-24:00)。
当第三温度传感器9-3采集到的温度值小于在控制器10中设置的地面温度阈值(如24℃)时,控制器10发出控制信号D使第一电磁阀7-1增大开启量,以提升地面温度;反之则减小第一电磁阀7-1开启量;
当第四温度传感器9-4接收到的温度值小于在控制器10中设置的炕面温度阈值(如23℃)时,控制器10发出控制信号C使第二电磁阀7-2增大开启量,以提升炕面温度;反之则减小第二电磁阀7-2开启量;
当第一电磁阀7-1和第二电磁阀7-2的开启量达到最大值,而地面或炕面温度仍低于其设定阈值(地面温度阈值、炕面温度阈值)时,控制器10发出控制信号开启加热器8,否则保持加热器8关闭状态;加热器8为高阻值的电阻丝加热器8,能对流经的水流进行辅助的加热,以提高流入地面盘管5、炕面盘管6内的水温,以起到辅助提升温度的作用。
结合图3所示,与本方案的系统配套,本方案中的地面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层和装饰层;与地面相接的墙面上设置有抹灰层与脚踢板。
地面采暖盘管采用回折型敷设在地板内,地面盘管5间距为200~300mm。由于村镇多为单层建筑,地面直接与土壤相连,支撑层上需先制作10mm防潮层;绝热层为50mm厚双面复合铝箔保护的聚氨酯板;保护层避免绝热层上部施工水分破坏绝热层功能构造,保险起见制作1mm铝箔保护层;采用低碳钢丝网用于固定塑料管的基盘,并用扎带绑定;地面的填充层为50mm厚度现浇混凝土,施工浇捣时,压实抹平即可;制作5mm厚的水泥砂浆找平,方便铺设地板装饰层。地面墙体边界同样需设置防潮层和保温层,对于设置踢脚板的墙体,边界可不设置密封膏。
结合图4所示,炕面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层;与炕面相接的墙面上设置有抹灰层与密封膏。炕面盘管6设置在炕面的填充层中。
炕面暖盘管采用回折型敷设在炕体内,由于夜间水箱温度较低,盘管间距为100mm。炕面在高度上自身进行了提升,炕体支撑层上设置5mm防潮层即可;绝热层为30mm的聚苯乙烯泡沫塑料板;保护层和钢丝网做法同地面;填充层为30mm的较低热惰性的砂石混凝土;找平层使用5mm厚的水泥砂浆。
以下通过举例对本发明做进一步的说明。某西北村镇建筑安装了本发明的太阳能地面-炕面组合采暖系统。
该建筑卧室围护结构及炕体结构相关参数已知如下:建筑位于陕北西安地区,单层建筑,卧室大小尺寸为3000×6000×3300mm,其中炕紧贴北墙安装,尺寸为3000×1800mm,高度为800mm,被子厚度为15mm。东、南和北外墙为240mm实心砖及80mm挤塑聚苯板,西向为240mm实心砖内墙,屋顶为120mm钢筋混凝土及100mm挤塑聚苯板,地面做法见上述实施方式。南向窗户是尺寸为2100×1500mm的12mm中空玻璃塑钢窗。
安装此组合采暖系统后,卧室采用分时分区采暖模式,要求人体所在空间间歇后温升能较快达到人体温度需求,根据间歇运行热延迟性,通过炕面-地面温度需求以及空间达到温度需求的时间对比分析,确定两部分盘管相关设计参数。
地面及炕面盘管管径设置为15mm,白天供回水水温取值为40℃,夜间供回水水温取值为30℃地面及炕面填充层使用细石混凝土,其热工参数如下:密度为2300kg/m3,导热系数为1.3W/(m·K),比热为920J/(kg·K);地面装饰层为地砖的热工参数如下:密度为2400kg/m3,导热系数为2.04W/(m·K),比热为920J/(kg·K);炕面床垫的热工参数如下:密度为7.0081kg/m3,导热系数为1.684W/(m·K),比热为1840J/(kg·K)。
设置不同填充层厚度以及盘管间距,模拟不同炕面-地面盘管间距时炕面以及地板表面平均温度变化。根据温度变化规律,选择合理的炕面-地面盘管间距以及填充层厚度,选择依据如下:人体处于睡眠状态身体长期且大面积接触炕面,且有研究表明炕面温度达到23℃以上即可;地面温度满足地板辐射采暖规范中地面所需平均温度及温度上限值要求。
如图5所示,当盘管间距小于等于100mm时,地面平均温度高于规范上限值28℃;当盘管间距大于等于400mm时,地面平均温度无法达到地面所需温度24℃,因此地面选择盘管间距宜选择为200~300mm。地面采暖盘管属于间歇运行,其预热期不宜过长,结合地面温度上下限要求,由图可知,地面填充层厚度选择50mm厚适宜,预热时间约为1~2小时。
如图6所示,当盘管间距大于等于300mm时,炕面平均温度无法达到炕面所需温度,结合间歇采暖下预热期不宜过长,选择炕面盘管间距为100mm,炕面填充层厚度为30mm时,较为适宜,此时炕面预热时间为1个小时。
卧室采用该太阳能地面-炕面组合采暖系统,其中地面及炕面盘管施工采用上述推荐形式。假设居民在8:00-21:00活动在卧室内,室内设计温度为18℃,取地面预热时间1.5h;21:00-8:00休息在炕上,被褥微环境温度满足28℃的同时,保证室内温度满足睡眠状态下头部温度需求,炕面预热时间为2.5h。通过典型日(选取1月24日和1月25日)太阳能地面-炕面组合采暖系统及太阳能地面连续采暖系统的模拟对比分析其节能效果。
模拟结果如图7所示,得到两种不同采暖系统的太阳能集热系统逐时供热量。通过对比结果可知,夜间时仅需要对被褥微气候区域供热,满足人体睡眠热舒适即可,所需供热量明显小于连续地板辐射采暖;昼间时地面-炕面组合采暖系统所需供热量高于连续地板辐射采暖,这是由于围护结构所需蓄热量所致,但是这部分热量仅在房间供热开始初差别较大,其余时间基本无差别。夜间太阳能集热器无集热量,所需供热量小,白天集热量大,所需供热量,系统更容易匹配;另外通过两天的模拟,地面-炕面组合采暖系统所需平均热指标比连续采暖系统低21W/m2,节能效果明显。
Claims (3)
1.一种太阳能地面-炕面组合采暖系统,其特征在于,包括太阳能集热系统、蓄热系统、炕面采暖系统、地面采暖系统和控制系统;
所述的太阳能集热系统包括太阳能集热器(1),太阳能集热器(1)昼间接收太阳辐射进行集热,对其内部的循环水进行加热;蓄热系统包括蓄热水箱(3),太阳能集热系器通过热水管(11)将加热后的水送至蓄热水箱(3)中存储,蓄热水箱(3)通过回水管(12)向太阳能集热器(1)供水;
所述的炕面采暖系统包括呈盘绕状设置在炕面上的炕面盘管(6),地面采暖系统包括呈盘绕状设置在地面上的地面盘管(5),炕面盘管(6)与地面盘管(5)并联设置;自蓄热水箱(3)上引出一根辅助热管(14),辅助热管(14)上串联设置有加热器(8),辅助热管(14)通过两根支管(13)分别连接地面盘管(5)与炕面盘管(6)的进水端,而炕面盘管(6)与地面盘管(5)的出水端汇聚至出水管(15)上,出水管(15)连接至蓄热水箱(3);
所述的回水管(12)上安装有集热系统循环水泵(2),出水管(15)上安装有供暖系统循环水泵(4),两根支管(13)上分别安装有第一电磁阀(7-1)和第二电磁阀(7-2);在热水管(11)上、蓄热水箱(3)内的底部、地面和炕面上分别安装有第一温度传感器(9-1)、第二温度传感器(9-2)、第三温度传感器(9-3)和第四温度传感器(9-4);
所述的控制系统包括控制器(10),控制器(10)分别与所述的集热系统循环水泵(2)、加热器(8)、第一电磁阀(7-1)、第二电磁阀(7-2)、第一温度传感器(9-1)、第二温度传感器(9-2)、第三温度传感器(9-3)和第四温度传感器(9-4)连接;
当第一温度传感器(9-1)采集到的温度值大于第二温度传感器(9-2)采集到的温度值时,控制器(10)发出控制信号使集热系统循环水泵(2)打开,否则保持集热系统循环水泵(2)关闭状态;
当第三温度传感器(9-3)采集到的温度值小于在控制器(10)中设置的地面温度阈值时,控制器(10)发出控制信号使第一电磁阀(7-1)增大开启量,以提升地面温度;反之则减小第一电磁阀(7-1)开启量;
当第四温度传感器(9-4)接收到的温度值小于在控制器(10)中设置的炕面温度阈值时,控制器(10)发出控制信号使第二电磁阀(7-2)增大开启量,以提升炕面温度;反之则减小第二电磁阀(7-2)开启量;
当第一电磁阀(7-1)和第二电磁阀(7-2)的开启量达到最大值,而地面或炕面温度仍低于其设定阈值时,控制器(10)发出控制信号开启加热器(8),否则保持加热器(8)关闭状态;
所述的地面盘管(5)设置在地面的填充层中,地面盘管(5)铺设的间距为200~300mm,地面的填充层为50mm厚度的现浇混凝土,地面的绝热层为50mm厚度的双面复合铝箔的聚氨酯板;
所述的炕面盘管(6)设置在炕面的填充层中,炕面盘管(6)铺设的间距为100mm,炕面的填充层为30mm厚度的砂石混凝土,炕面的绝热层为30mm厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板。
2.如权利要求1所述的太阳能地面-炕面组合采暖系统,其特征在于,所述的地面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层和装饰层;与地面相接的墙面上设置有抹灰层与脚踢板。
3.如权利要求1所述的太阳能地面-炕面组合采暖系统,其特征在于,所述的炕面的结构,由下至上依次为:支撑层、防潮层、绝热层、保护层、钢丝网、填充层、找平层;与炕面相接的墙面上设置有抹灰层与密封膏。
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