模塊式地板輻射采暖系統(tǒng)的性能研究

展海風(fēng),李云

(邯鄲市熱力公司,河北 邯鄲 056000)

低溫地板輻射采暖由于其舒適性高、衛(wèi)生條件好、能充分利用各種低品位能源等優(yōu)點(diǎn)而越來越受到人們的關(guān)注,是當(dāng)今較為先進(jìn)的一種采暖方式,也是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最為理想的采暖方式[1-4]。雖然地板輻射采暖具有很多優(yōu)點(diǎn),但現(xiàn)在普遍使用的傳統(tǒng)濕式施工地板輻射采暖也存在一些問題,如增加建筑荷載、維修困難等[5]。而模塊式地板輻射采暖則可以克服濕式施工的缺點(diǎn)。

1 模型的建立

盤管采用雙回型布置方式,即是高溫管低溫管相間布置,易于造成“均化”的效果。所以選擇雙回型布置方式建立數(shù)學(xué)模型[6]。

1.1 實(shí)際結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化

除邊緣管子外,其它各盤管間的溫度分布基本相同,又是以盤管中心線為對(duì)稱的,故為計(jì)算方便可只取一組供、回水管之間的平板部分為計(jì)算模型。模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

當(dāng)?shù)匕遢椛洳膳到y(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之后,室內(nèi)空氣溫度的波動(dòng)幅度很小,地板輻射采暖的傳熱過程可以看作穩(wěn)態(tài)傳熱。

模塊式地板輻射采暖系統(tǒng)的傳熱為一個(gè)三維的傳熱過程,但由于盤管直線長(zhǎng)度與地面層結(jié)構(gòu)整個(gè)厚度及盤管間距相比大很多,沿盤管長(zhǎng)度方向溫度變化很小,溫度梯度很小,因此可忽略該方向的傳熱,認(rèn)為地面層的傳熱過程是一個(gè)二維的傳熱過程,并且地面內(nèi)部無內(nèi)熱源。

地面層結(jié)構(gòu)是一個(gè)多層復(fù)合體,可認(rèn)為各層材料緊密接觸,不考慮接觸熱阻。

因?yàn)楦鲗硬牧鲜蔷|(zhì)恒物性,對(duì)敷設(shè)塑料管的復(fù)合層可用表觀當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)處理。

1.2 數(shù)值模擬的控制方程與定解條件

模塊式低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)換熱過程可以分為三個(gè)階段來考慮。第一階段,盤管內(nèi)的水與管壁的對(duì)流換熱;第二階段,通過盤管管壁、模塊層、結(jié)合層、裝飾面層和地面表面的熱量傳導(dǎo);第三階段,地面表面與房間內(nèi)空氣和其它表面的對(duì)流換熱和輻射換熱。

1)盤管內(nèi)的水與管壁的對(duì)流換熱:供、回水管作為熱源,不斷向混凝土層傳熱,在內(nèi)管壁與水接觸處

式中tb—供回水平均溫度,℃。

2)盤管管壁和地面表面的熱量傳導(dǎo):整個(gè)平板的傳熱過程可簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的傳熱過程,并且平板內(nèi)部無內(nèi)熱源。由此,計(jì)算模型劃分的每一個(gè)網(wǎng)格單元滿足如下的導(dǎo)熱微分方程

在低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中,為防止地面邊緣的熱量損失,地面四周采用輕型保溫材料,可近似認(rèn)為絕熱。由于平板內(nèi)溫度場(chǎng)的對(duì)稱性,對(duì)每一個(gè)計(jì)算單元,沿著 x軸的兩個(gè)表面可近似認(rèn)為絕熱 ,即

為了減少地面向下的熱量損失,在混凝土樓板上常采用聚苯乙烯這種輕型保溫隔熱材料,該材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小,為計(jì)算方便近似認(rèn)為樓板底層為絕熱層,其邊界條件為

3)地面表面與房間內(nèi)空氣和其它表面的對(duì)流換熱和輻射換熱:在地板輻射采暖房間中,對(duì)流換熱和輻射換熱同時(shí)進(jìn)行,輻射換熱占主導(dǎo)地位,大部分熱量通過地面,以熱輻射的形式向外傳遞;其次是自然對(duì)流換熱。室內(nèi)空氣與各表面間的對(duì)流換熱情況直接影響室內(nèi)氣溫,地面表面的輻射傳熱將使房間其他表面溫度升高,使得室溫與壁面間的傳熱溫差減小,間接影響室溫的變化。由于室內(nèi)空氣不以散熱、吸熱和再發(fā)射等形式參與輻射,因此對(duì)流換熱和輻射換熱可認(rèn)為是相對(duì)獨(dú)立的。其計(jì)算公式如下

輻射換熱量

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,我國(guó)高速公路的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。相信隨著我國(guó)公路橋梁建設(shè)技術(shù)的研究，能夠適應(yīng)更加復(fù)雜地勢(shì)環(huán)境的橋梁施工應(yīng)用技術(shù)也會(huì)隨之而生，為我國(guó)公路橋梁的施工建設(shè)再添輝煌。

對(duì)流換熱量

一般情況下,可用綜合換熱系數(shù)來考慮對(duì)流和輻射兩方面的效應(yīng),即

地面表面和房間的換熱可表示為

式中 tf—模塊溫度,℃;ta—室內(nèi)空氣溫度,℃;tAUST—非加熱表面平均溫度,℃;α0—綜合換熱系數(shù),W/(m2?℃);αd—對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2?℃);αr—輻射換熱系數(shù),W/(m2?℃)。

綜上所述,式(1)～式(8)構(gòu)成了模塊式低溫?zé)崴孛孑椛洳膳到y(tǒng)數(shù)值模擬的控制方程和定解條件。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 盤管間距對(duì)地面表面溫度的影響

在模塊厚度一定時(shí),不同的盤管間距將導(dǎo)致不同的地面表面溫度分布。圖3是盤管間距200mm和250mm,室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃,供回水平均溫度為30℃時(shí)的地面表面溫度的變化情況,可見盤管間距越大,地面表面溫度越低,溫度分布越不均勻。距離加熱管越近,溫度越高,兩管中間處溫度最低。

2.2 平均溫度對(duì)地面溫度的影響

盤管間距、模塊厚度一定的情況下,隨著供回水平均溫度的變化,地板表面平均溫度相應(yīng)的也發(fā)生變化。圖4為當(dāng)盤管間距為200mm時(shí)不同供回水平均溫度下地板表面溫度分布圖,從圖中可以看出,隨著供回水平均溫度的增加,地板表面溫度升高,地板表面溫度均勻性變差。

2.3 平均溫度和管間距對(duì)地面熱流密度的影響

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,對(duì)模塊式地板輻射采暖系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)試其實(shí)際地面溫度分布和空間溫度分布。

實(shí)驗(yàn)房間為朝向正南帶有外窗和門的內(nèi)套間,長(zhǎng)7.5m,寬6m,高3.65m;西墻和南墻為外墻,北墻和東墻為內(nèi)墻;外窗為單層鋼窗。

由于地板采暖的熱惰性很大,為保證測(cè)量狀態(tài)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確,必須使地面表面溫度和室內(nèi)空氣溫度在一段時(shí)間內(nèi)沒有明顯的變化。測(cè)試時(shí)間內(nèi)室外氣溫變化范圍為-2℃～-4℃,對(duì)地板輻射管間距為200mm、供回水平均溫度30℃的工況進(jìn)行了測(cè)量,整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步得到了模塊式低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)運(yùn)行的基本規(guī)律。

1)地表面溫度分布:圖6是相鄰兩管間地板表面溫度模擬計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的比較?？梢钥闯?實(shí)際測(cè)試值比模擬計(jì)算值稍高,兩管中間處的溫度的計(jì)算值與測(cè)量值的誤差較大。這種情況形成的原因主要是在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)的假定與實(shí)際情況有一定的差異。在地面?zhèn)鳠岬倪^程中僅考慮了地板采暖通過構(gòu)造層向室內(nèi)散熱的效果,而沒有計(jì)入因保溫層及構(gòu)造層水平方向?qū)崴鶐淼牡孛鏄?gòu)造層內(nèi)溫度分布均化的影響。由圖可以看出,模擬計(jì)算值地面表面最大溫差為1.14℃,而實(shí)際測(cè)量值最大溫差只有0.76℃。說明模塊式地板輻射采暖的地面表面溫度分布還是比較均勻的,能夠滿足人體的舒適性要求。

2)豎直方向上溫度分布:圖7描述了房間豎直方向上的溫度分布情況。從曲線可以看出,地面表面溫度較高,隨著高度的增加溫度降低,在距離地面約40cm處溫度基本達(dá)到穩(wěn)定,在距離天花板60cm處開始,溫度降低。在2m以下人員活動(dòng)的區(qū)域,溫度分布均勻,滿足人體的舒適度需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

供回水平均溫度和管間距是影響模塊式地板輻射采暖地面板體傳熱的主要因素。隨著供回水平均溫度的增加,散熱量增加,地板表面溫度升高,地面表面溫度均勻性變差。盤管間距越大,地面表面溫度越低,溫度分布越不均勻。這種新型的模塊式地板輻射采暖系統(tǒng)具有安裝更加方便,可以有效的減輕建筑荷載等優(yōu)點(diǎn),豐富和完善了地板采暖技術(shù)的應(yīng)用,是適應(yīng)我國(guó)建筑條件和住宅產(chǎn)品多元化需求的有益探索和實(shí)踐。

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