薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)冬季通風(fēng)及供暖數(shù)值模擬分析

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摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平在原來的基礎(chǔ)上得到了很大的提高，對(duì)冬季房屋內(nèi)的供暖和通風(fēng)提出了新的要求。但是傳統(tǒng)的地暖系統(tǒng)在提供暖氣的同時(shí)，卻無法更好的解決室內(nèi)通風(fēng)的問題。本文以一種新型的地暖系統(tǒng)即薄型通風(fēng)地暖系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬和計(jì)算驗(yàn)證的方法，來探討它在解決地板供熱和房間通風(fēng)等方面呈現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)的地暖行業(yè)發(fā)展提出一種新的思路。

關(guān)鍵詞：薄型通風(fēng)地暖；冬季通風(fēng)及供暖；數(shù)值模擬；探索分析

地暖又稱為地板輻射采暖，是把地面作為散熱器，利用地面輻射層中的熱媒體來加熱地面，地面再利用輻射規(guī)律將熱量自下而上的傳導(dǎo)出去，達(dá)到取暖的目的。近些年，我國(guó)地暖行業(yè)的發(fā)展速度非常迅速，在一定程度上滿足了人們冬季取暖的需求。但是現(xiàn)在的地暖系統(tǒng)在解決取暖和通風(fēng)的矛盾方面，還存在一些問題，于是如何將通風(fēng)和取暖問題有機(jī)的統(tǒng)一起來，在保證熱量不流失的情況下又能獲得通風(fēng)透氣的生活體驗(yàn)，一直是現(xiàn)在地暖行業(yè)亟待解決的重要課題。本文針對(duì)地暖的特點(diǎn)提出了一套解決通風(fēng)和供熱的新型地暖系統(tǒng)方案，并通過建立數(shù)值模擬和計(jì)算相結(jié)合的方式，來驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性。

一、傳統(tǒng)地暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題

進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，是人們的生活方式發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變，為了在冬季能享受到舒適的居住條件，人們普遍采用了地暖系統(tǒng)來滿足生活的需要，但是傳統(tǒng)的地暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在給居民供暖的同時(shí)，也逐漸顯露出一些新的問題，主要有以下幾點(diǎn)：第一，通風(fēng)問題。為了保證地暖的熱量不流失，人們只得緊閉門窗，雖然達(dá)到了取暖的目的，但是卻無法改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，而要想室內(nèi)通風(fēng)透氣，也就不能達(dá)到供暖的需要。第二，增加了建筑的工程量和成本。傳統(tǒng)的地暖系統(tǒng)必須有混凝土保護(hù)層來裝置，但是這就會(huì)使房屋的工程量增加，同時(shí)每平方米的負(fù)載里也要加大，所以需要耗費(fèi)更多的建筑材料，也就增加了建設(shè)成本。第三，增加地暖的能耗。由于這種供暖方式直接與混凝土的比熱容是掛鉤的，當(dāng)?shù)嘏Ｖ构ぷ骱?，整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的熱量就立即流失了，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)式供暖。

二、薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及數(shù)值模擬的建立

（一）薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)分析

與傳統(tǒng)的地暖系統(tǒng)相比，薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)有著很多的優(yōu)點(diǎn)：首先，傳統(tǒng)的地暖保溫層被取代，由靜壓層提供新鮮空氣，并且無振動(dòng)、無污染以及無噪音等特點(diǎn)；其次，由于空氣攜帶者一些熱量在室內(nèi)自由的流通，這就形成一種熱循環(huán)效應(yīng)，使熱量得到了最大化的使用，減少了熱量的無效流失；再次，這種地暖結(jié)構(gòu)不需要專門的建筑結(jié)構(gòu)加以承載，其適應(yīng)性較強(qiáng)因而可以減少建筑的建筑量和承載力；最后，該地暖結(jié)構(gòu)是薄型通風(fēng)的，所以它的傳熱和導(dǎo)熱性能非常好，因而加熱時(shí)間比傳統(tǒng)地暖輻射板短，可以實(shí)現(xiàn)間歇式供暖。

（二）薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)剖面圖（1）和建立數(shù)學(xué)模型圖（2）如下圖所示：

圖（1）地暖通風(fēng)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖（2）數(shù)學(xué)模型圖

其中該地暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大小是輻射板的長(zhǎng)度與寬度的乘積得出，而模擬的房間尺寸是長(zhǎng)6米、寬3.5米，因而設(shè)計(jì)的靜壓層高度為100毫米，出風(fēng)口大小為400×200（毫米），各種管線之間的距離150毫米，其直徑是φ14/20。其他的參數(shù)如供水管的溫度是45攝氏度、管內(nèi)暖氣的流速是0.6米/秒，通風(fēng)口的風(fēng)速是4米/秒，靜壓層的壓力是50帕。為了清楚的分析該地暖系統(tǒng)的作用，本文采用了FLUENT軟件對(duì)這些模擬數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算。

1、從理論上分析，當(dāng)水的溫度是45攝氏度時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)黏度就是0.5×10-6m2/s，而計(jì)算出的雷諾數(shù)值在2000以上，因此這種流動(dòng)狀態(tài)被稱為紊流。在設(shè)定水的流通固定的常數(shù)值，并且是不可壓縮的情況下，對(duì)水的比熱容（CP）、溫度（T）、傳熱系數(shù)（K）以及粘性耗散（ST）等，通過連續(xù)式方程和能量守恒方程進(jìn)行計(jì)算分別如下，

連續(xù)式方程：N-S方程：

能量守恒方程：

并利用segregated因式來計(jì)算湍流粘度、湍流的動(dòng)能輸送情況等如下：

在這個(gè)公式中CV代表的是常量，而K代表的是湍流動(dòng)能，

則代表的是湍流功能低耗能

則湍流動(dòng)能輸送公式如下：

2、要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分以及模擬計(jì)算，需要對(duì)一些參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，如冬季的室外大氣壓力、采暖室外的溫度計(jì)算、相對(duì)濕度、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度等。通過模擬得到地暖進(jìn)口的風(fēng)速是5米/秒，供水的溫度達(dá)到了45攝氏度，入口的暖氣流速是0.5米/秒，然后依次將地暖管的距離從150毫米擴(kuò)展到200毫米，對(duì)整個(gè)薄型通風(fēng)地暖的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析得出，當(dāng)?shù)嘏艿拈g距不同時(shí)，地板表面溫度的會(huì)受到很大的影響，通過對(duì)溫度場(chǎng)均勻性用來表示，計(jì)算出當(dāng)?shù)嘏苤g的距離是150毫米時(shí)，地面最大的溫度可以達(dá)到298.4K，最小的溫度也能夠達(dá)到291K，因而平均溫度也能保持在293.5K，所以的值就是1.93%，同理當(dāng)?shù)嘏苤g的距離是200毫米時(shí)，便可以得出地暖表面最大的溫度為296.9K，最小的溫度也可以達(dá)到290.8K，這樣計(jì)算出平均的溫度是293.1K，這時(shí)的值為2.12%。然后對(duì)的值進(jìn)行比較得出，當(dāng)其值越小表明地板表面溫度的均勻性越好，因而當(dāng)?shù)嘏艿拈g距是150毫米時(shí)，溫度場(chǎng)的分布比較均勻，而地暖管的間距在200毫米時(shí)，效果就差一些，這與實(shí)際情況相符合。

結(jié)束語

地暖設(shè)施對(duì)改變?nèi)藗兊纳顥l件具有十分重要的作用，傳統(tǒng)的地暖系統(tǒng)雖然能夠滿足人們供暖的需求，但是會(huì)造成空氣不流通的情況，使人們生活的舒適度下降。而通過數(shù)值模擬方式研究的薄型通風(fēng)地暖結(jié)構(gòu)，在滿足人們?nèi)∨耐瑫r(shí)，也保證了空氣的流通，而且還能夠達(dá)到減少熱量流失、降低建筑的承載力的效果，具有廣闊的發(fā)展前景，對(duì)地暖行業(yè)的發(fā)展也有重大的意義和價(jià)值。

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