地面采暖混水泵小流量大溫差運(yùn)行特性與節(jié)能性分析

上海市節(jié)能監(jiān)察中心 任庚坡

0 前言

隨著居民生活質(zhì)量要求的持續(xù)提高，冬季采暖地區(qū)進(jìn)一步增多，人均生活用能和單位居住面積能耗剛性增長較快。地面采暖由于具有美觀、舒適、節(jié)能等一系列優(yōu)越性，所以很快被人們接受而且迅速推廣。在實際工程中，最常遇到是地面采暖與散熱器采暖共用熱源的問題，混水泵混水法對于整個小區(qū)或單個建筑都適用，適應(yīng)性廣；但混水泵也是一個耗能“大戶”，而水泵耗能的大小主要取決于系統(tǒng)循環(huán)水量，這就涉及到系統(tǒng)供回水溫差的取值問題。目前，我國的設(shè)計規(guī)范把地面采暖的供回水溫差定為10℃，這主要是參照國外的規(guī)范，由于國外的水泵基本都是變頻的，可根據(jù)負(fù)荷的大小自動調(diào)節(jié)水量，但在國內(nèi)，由于變頻泵相對較貴，因而大多仍采用定速泵，所以供回水溫差的確定直接影響到水泵的耗電量。本文從室內(nèi)溫度場、管內(nèi)流速及地板材料等多方面討論混水泵小流量大溫差運(yùn)行的可行性。

1 大溫差運(yùn)行對室內(nèi)溫度場的影響

1.1 數(shù)學(xué)模型

1）計算區(qū)域和模型假設(shè)

圖1為用于模擬計算的房間模型，房間大小為4.2×3.6×2.8（長×寬×高）m，有窗的一面墻為外墻，其余均為內(nèi)墻。設(shè)計室外計算溫度為-26℃，室內(nèi)計算溫度為18℃。

設(shè)計供回水溫度為50℃/40℃；盤管間距300mm，取地板表面靠近外墻的空氣層溫度為16℃；靠近內(nèi)墻的空氣層溫度為19℃。由于房間不同位置的地板表面散熱量不同，將整個地板沿水流方向分為23塊，作為23個獨(dú)立熱源（見圖2），分別計算其散熱量。為簡化模型，作如下假設(shè)：

(1)熱水流過塑料管不斷放熱過程中，溫度均勻地降度；

式中：Vi為xi方向的速度分量；xi為坐標(biāo)軸。

(2)動量守恒方程

(2)將多層材料復(fù)合而成的地板板體當(dāng)作一個整體考慮；

(3)地板表面空氣層掠過地板時，其溫度從外墻附近到內(nèi)墻附近均勻升高；

(4)忽略加熱盤管向下的傳熱。

2）控制方程

室內(nèi)氣流的流動可由質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程和組分方程來描述。

(1)質(zhì)量守恒方程

式中：ρ為空氣密度；t為時間；Vj為xj方向的速度分量；p為壓力；μeff為有效粘度；β為空氣的熱膨脹系數(shù)；T0為參考點的空氣溫度；T為空氣溫度；gi為i方向的重力加速度。

(3)能量守恒方程

式中：ГT,eff為溫度的有效擴(kuò)散系數(shù)；q為熱源散熱量；Cp為比熱。

(4)組分方程

式中：C為組分濃度；ГC,eff為濃度的有效擴(kuò)散系數(shù)。

3）邊界條件

若要解出室內(nèi)流場，還必須有下列邊界條件。

(1)對稱表面條件

如果xi是對稱表面的法線坐標(biāo)，則此表面的邊界條件由下式表示：

(2)常規(guī)邊界條件

這種邊界條件的表面包括墻、天花板、地板表面以及室內(nèi)家具的表面。如果xi坐標(biāo)軸平行于表面，則邊界條件為：

式中：τ為剪切力；h為對流傳熱系數(shù)；Csource為組分濃度。

(3)自由邊界條件

對于送風(fēng)來說：

式中：下標(biāo)sup指送風(fēng)出口的參數(shù)值。

對于回風(fēng)來說，壓力通常是給定的，其它參數(shù)在表面法線方向設(shè)為零梯度：

式中：preturn是指回風(fēng)壓力，xi為表面的法線坐標(biāo)。

1.2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)圖2，可以計算出每一塊地板的散熱量及地板表面的平均溫度，當(dāng)供回水溫差發(fā)生變化時，圖2中每一塊地板的平均水溫也相應(yīng)地發(fā)生變化，從而引起散熱量也發(fā)生變化。表1、表2分別為供回水溫差為10℃、20℃時各塊的盤管平均水溫、散熱量和表面溫度。

由表1可知，在供回水溫差10℃時，地板表面的溫度分布比較均勻，基本都在20～24℃之間，只有第1塊地板由于供水溫度最高，溫度達(dá)到25.89℃。對地板表面溫度分布影響較大的還有室外溫度，在外墻附近，由于盤管間距未變（仍為300mm），又沒有任何保溫措施，使得外墻附近的地板表面溫度普遍較低，緊靠外墻的3號地板溫度只有19.61℃；21號地板溫度為20.24℃左右。因此，在工程設(shè)計中，外墻附近的盤管間距應(yīng)相應(yīng)減小，在嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)采取保溫措施。

表1 供回水溫差10℃時地板散熱量和表面溫度

表2 供回水溫差20℃時地板散熱量和表面溫度

由表2可知，當(dāng)供回水溫差增大后，塊與塊之間的平均溫度差就比較明顯了，特別是第1塊與第23塊的差別最大，達(dá)18.76℃。但表中所示的情形是忽略了塊間傳熱的結(jié)果，事實上，當(dāng)相鄰兩塊地板的平均溫度不同時，二者就會自發(fā)的進(jìn)行傳熱，從而使溫度分布趨向均勻，這在地板表面為瓷磚或大理石時表現(xiàn)的最為明顯。因而當(dāng)達(dá)到熱平衡時，各塊之間的溫度不會相差太大。

綜上所述，提高供回水溫差對室內(nèi)溫度場影響不大。

2 大溫差運(yùn)行對流速的影響

《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》和《低溫?zé)崴匕遢椛涔┡瘧?yīng)用技術(shù)規(guī)程》都對無坡度管道的管內(nèi)流速作出規(guī)定：加熱管內(nèi)熱媒流速不應(yīng)小于0.25m/s，此規(guī)定的目的是便于排除管內(nèi)空氣，避免形成氣塞，當(dāng)供回水溫差增大時，水量的減少必然使管內(nèi)流速降低。如仍按以前的方法進(jìn)行設(shè)計，室外立管沒有問題，流速仍大于0.25m/s，但室內(nèi)水平管內(nèi)的流速卻可能小于0.2m/s，不利于空氣的排除。對于這個問題，可通過減少系統(tǒng)環(huán)路數(shù)加以解決。目前的設(shè)計基本是一個房間就是一個環(huán)路，當(dāng)供回水溫度增大后，若管內(nèi)流速太低時，可將兩個房間當(dāng)作一個環(huán)路，雖然管長增加引起系統(tǒng)阻力增大，但由于混水泵的揚(yáng)程通常遠(yuǎn)大于用戶阻力，因而對用戶不會造成太大的影響，反而會提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 大溫差運(yùn)行對地板材料的影響

地面采暖系統(tǒng)的表面材料通常為瓷磚、大理石和木地板。供回水溫差增大后，供水溫度也相應(yīng)提高，但即使溫差提高到30℃，供水溫度也只有60℃，地板表面最高溫度為30℃左右，這一溫度對瓷磚和大理石沒有什么影響，對木地板也不會有太大影響。

至于有些復(fù)合地板在使用后產(chǎn)生開裂變型現(xiàn)象，這主要是安裝質(zhì)量的問題。地面采暖系統(tǒng)的熱量本身并不能使在高溫高壓下壓合的復(fù)合地板面層與核心層分離。

因此，供回水溫差適當(dāng)提高后，供水溫度雖有升高，但也不會超過60℃，因而不會對地板材料產(chǎn)生影響。

4 大溫差運(yùn)行混水泵電耗經(jīng)濟(jì)性分析

現(xiàn)以某小區(qū)為例來分析提高供回水溫差后水泵的節(jié)電情況。樓地上為8層，其中第8層為斜面屋閣樓層，總高約24.9m，2～8層建筑面積約為7854m2。地下一層及地上一層采用散熱器采暖方式，2～8層采用低溫?zé)崴匕遢椛洳膳绞?，混水連接。

熱水循環(huán)泵單臺循環(huán)水量為總水量的75%，當(dāng)室外溫度在-10℃以上時，啟動一臺循環(huán)水泵供水；當(dāng)室外溫度低于-10℃時，兩臺循環(huán)水泵全部投入運(yùn)行。水泵型號為：80RXL-16；G=34m3/h；H=17mH2O。則一個采暖季水泵的電耗為：

若將供回水溫差提高到20℃，則水泵型號可變?yōu)椋?0RXL-20；G=16m3/h；H=20mH2O。則一個采暖季水泵的電耗為：

一個采暖季可節(jié)電：

由此可見，提高供回水溫差后，其節(jié)電效益還是相當(dāng)可觀的。因此，在今后的設(shè)計中，可將供回水溫差提高為20℃。

5 結(jié)論與建議

(1)將供回水溫差由10℃提高為20℃時，對室內(nèi)溫度場、管網(wǎng)穩(wěn)定性、地板材料等方面基本沒有影響，但節(jié)電效益可觀；

(2)為使室內(nèi)溫度分布更加均勻，外墻附近的盤管間距可相應(yīng)減小，并采取良好的保溫措施；

(3)在工程實際中，應(yīng)綜合考慮局部熱負(fù)荷、水力穩(wěn)定性和地板材料等因素，合理設(shè)計盤管間距、熱媒流速和溫差，并做好水泵選型工作；

(4)各地在制定地方標(biāo)準(zhǔn)時，可根據(jù)各自氣候、經(jīng)濟(jì)條件，合理規(guī)定供回水溫差和定、變頻水泵的適用條件。

[1]王子介.地板供暖及其發(fā)展動向.暖通空調(diào)，1999,29(6).

[2]秦緒忠，江億.供熱空調(diào)水系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析.暖通空調(diào)，2002,32(1).