基于可再生能源的地板輻射供暖傳熱分析*

趙子琴，朱相乾，李 焱

（蘭州工業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

能源問題和環(huán)境問題是當(dāng)今世界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)，人類社會(huì)的發(fā)展離不開優(yōu)質(zhì)能源和先進(jìn)能源技術(shù)的應(yīng)用。在各國能源消費(fèi)中，建筑能耗已占到社會(huì)總能耗的20%以上，預(yù)計(jì)至2020年，建筑能耗將占我國能源消耗的近40%。為此我國加快了建筑節(jié)能的步伐，頒布了很多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出到2020年使全社會(huì)建筑總能耗節(jié)能達(dá)到65%的總目標(biāo)[1]。綠色建筑的提出要求為人們提供健康、舒適、安全的居住、工作和活動(dòng)的空間，同時(shí)在建筑生命的全周期中實(shí)現(xiàn)高效利用資源，最低限度地影響環(huán)境。隨著現(xiàn)代舒適節(jié)能型建筑技術(shù)的發(fā)展，可再生能源在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[2]。

低溫?zé)崴匕遢椛涔┡莻鳠峤橘|(zhì)通過地暖盤管由下向上進(jìn)行的傳熱方式，具有節(jié)能環(huán)保、熱舒適性好、易于實(shí)現(xiàn)分戶熱計(jì)量等特點(diǎn)，該供暖方式在我國當(dāng)前民用建筑中越來越廣泛[3-4]。該供暖系統(tǒng)與外界的熱量交換形式主要通過對(duì)流換熱和輻射換熱兩種形式，而輻射換熱的換熱量達(dá)50%以上，利用熱流體的上升最大程度降低冷風(fēng)滲透對(duì)熱舒適性的干擾，以此確保房間內(nèi)溫度的均勻性，提高人體的熱舒適感。與傳統(tǒng)的散熱器供暖系統(tǒng)相比，具有衛(wèi)生條件好、不占用室內(nèi)使用面積，室內(nèi)溫度梯度小的特點(diǎn)[5]；在同樣舒適度條件下，室內(nèi)溫度與以對(duì)流傳熱的散熱器供暖方式相比低2～3℃，減小了冷風(fēng)滲入的熱損失，溫差傳熱損失大大減小。

地板輻射供暖系統(tǒng)要求水溫較低，供回水平均溫度通?？刂圃?5～55℃，因此在熱源方面，可利用太陽能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等多種可再生能源為熱源[6-7]。其中，太陽能熱水技術(shù)已成熟，可廣泛應(yīng)用于供暖系統(tǒng)中。

1 甘肅氣候特征與地板輻射供暖系統(tǒng)

1.1 甘肅地區(qū)氣候特征

甘肅地區(qū)是我國太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿荣Y源較豐富的地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)達(dá)到2800～3300h，年輻射量超過6000～7000MJ/m2，日平均太陽輻射量達(dá)18.4MJ，為太陽能的開發(fā)與利用提供了得天獨(dú)厚的自然條件。同時(shí)該地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生的大量秸桿和糞便傳統(tǒng)的處理方式是燃燒、直接掩埋或耕地施肥，嚴(yán)重影響該地區(qū)環(huán)境和能源的可持續(xù)發(fā)展。近年來甘肅加快推進(jìn)大中型沼氣工程，在農(nóng)民集中居住地區(qū)、新農(nóng)村建設(shè)地區(qū)，加快原料多樣、工藝先進(jìn)、模式適用的沼氣集中工程建設(shè)，推行管道直接輸送、村外儲(chǔ)氣輸送等多種形式的供氣模式。沼氣的綜合利用不但改善了生態(tài)環(huán)境、 改變農(nóng)村落后的生活方式，而且節(jié)約了大量一次高品位能源。

1.2 地板輻射供暖系統(tǒng)形式

圖1為基于可再生能源驅(qū)動(dòng)的地板輻射供暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)主要由地暖盤管、熱源、分集水器等部件組成。同時(shí)還包含壓力表、溫度計(jì)、循環(huán)水泵等水路系統(tǒng)常用零部件。該系統(tǒng)以可再生能源：太陽能-沼氣為供暖系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，系統(tǒng)工作過程中，在天氣晴朗時(shí)，加熱盤管中的熱源水由太陽能集熱器提供；循環(huán)回路由太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、分水器、地暖盤管、集水器、循環(huán)水泵等組成。而在陰雨天或夜晚時(shí)，熱源水則由沼氣加熱系統(tǒng)提供。循環(huán)回路由沼氣燃燒器、儲(chǔ)熱水箱、分水器、地暖盤管、集水器、循環(huán)水泵等組成。

圖1 可再生能源驅(qū)動(dòng)低溫地板輻射供暖系統(tǒng)原理

利用太陽能、沼氣等可再生能源作為供暖系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，不但突出了太陽能集熱系統(tǒng)和沼氣系統(tǒng)清潔、節(jié)能及可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效彌補(bǔ)了太陽能受季節(jié)、晝夜變化及極端惡劣天氣等不穩(wěn)定的缺陷，有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值[8]。

1.2.1 管材及性能

塑料管材相比于金屬管材易于彎曲，便于施工，在地暖盤管中應(yīng)用廣泛。目前常用的地暖盤管主要采用PE-X（交聯(lián)聚乙烯）、PE-RT（耐熱聚乙烯）、PP-R（無規(guī)共聚聚丙烯）、交聯(lián)鋁塑復(fù)合管和PB（聚丁烯）等管材[9]。常用塑料管材的物理性能如表1所示。

交聯(lián)聚乙烯（簡稱PE-X）由聚乙烯、抗氧化劑和過氧化物混合反應(yīng)，由于具有優(yōu)良的耐高溫和耐腐蝕性、柔韌性好、便于施工，經(jīng)濟(jì)適用等特點(diǎn)，使其在工程應(yīng)用中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 盤管敷設(shè)方式

地暖盤管的敷設(shè)方式較多，常見的是回折型和雙平行型，具體形式如圖2所示。兩種形式都采用連續(xù)折彎的形式，可以產(chǎn)生均勻的地面溫度，并可通過調(diào)整管間距來滿足局部區(qū)域的特殊要求，同時(shí)在布管時(shí)管路彎曲度大，材料所受彎曲應(yīng)力較小，且系統(tǒng)阻力能夠得到有效控制，所以被廣泛應(yīng)用。

表1 常見地板輻射管材的性能比較

圖2 地暖系統(tǒng)加熱盤管布置形式

1.2.3 地板結(jié)構(gòu)層構(gòu)成

地板輻射供暖結(jié)構(gòu)層傳熱剖面圖如圖3所示，從下至上分別為混凝土樓板結(jié)構(gòu)層、聚苯乙烯保溫層、冷卻盤管、細(xì)石混凝土層、水泥砂漿找平層、面層，面層可以是木地板、瓷磚、大理石等。加熱盤管嵌入在填充層中，起到保護(hù)管路及傳熱蓄熱的作用，并促使地面形成溫度分布均勻的輻射加熱面。

圖3 地板采暖結(jié)構(gòu)示意圖

2 地板傳熱模型

2.1 基本假設(shè)

1）地暖盤管的傳熱過程是三維傳熱過程，由于介質(zhì)沿管長軸線方向的溫度梯度小，可以忽略沿管軸向的傳熱；

2）地板底部鋪有保溫層，可忽略側(cè)壁及向下的熱阻；

3）假設(shè)地板各層材料為均質(zhì)物性材料，可忽略不同材料間的接觸熱阻；

4）假設(shè)兩管對(duì)稱布置。

2.2 傳熱模型

通過以上假設(shè)，整個(gè)地板傳熱過程簡化為二維傳熱模型[10]，地板輻射采暖在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，地板內(nèi)部的溫度場(chǎng)不再隨時(shí)間變化，溫度分布滿足如下微分方程：

地板輻射傳熱量與室內(nèi)氣流流速、溫度及非加熱表面溫度等因素有關(guān)，熱量的傳遞主要由輻射換熱和對(duì)流換熱組成，即：

式中：q—地板的熱流密度，W/m2；

qf—地板表面與空氣的對(duì)流換熱量，W/m2；

qr—地板的輻射換熱量，W/m2；

tp—地板表面平均溫度，℃；

tair—室內(nèi)空氣溫度，℃；

tq—室內(nèi)非加熱表面平均溫度，℃。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過以上理論分析，采用有限元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析影響地板表面溫度和熱流密度的因素。取地板結(jié)構(gòu)層為研究對(duì)象，從下至上的參數(shù)分別為：20mm水泥砂漿，傳熱系數(shù)為0.92W/（m·K）；30mm聚苯乙烯泡沫保溫層，傳熱系數(shù)為0.032W/（m·K）；50mm混凝土層，傳熱系數(shù)為1.32W/（m·K）；10mm找平層，傳熱系數(shù)為0.93W/（m·K）；10mm木板層，傳熱系數(shù)為0.15W/（m·K）；室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖4及圖5所示。

圖4 地板表面熱流密度與管間距、供回水平均溫度的變化圖

圖5 地板表面溫度與管間距、供回水平均溫度的變化圖

圖4、圖5所示是在盤管內(nèi)徑為12mm、盤管外徑為16mm，管內(nèi)流速為0.3m/s的條件下得出的結(jié)果。分別顯示地板表面熱流密度和溫度分布與供回水平均溫度、管間距的關(guān)系。從圖4中可清晰看出，當(dāng)供回水平均溫度一定時(shí)，地板表面熱流密度隨管間距的減小而逐漸增大；當(dāng)管間距一定時(shí)，地板表面熱流密度隨供回水平均溫度的升高而增大，而且變化幅度較大，當(dāng)水溫從35℃升高到55℃時(shí)，熱流密度平均增大了1.81倍，因此可以確定水溫是影響地板表面熱流密度的主要因素，為確保供暖舒適性要求，必須有效控制供回水平均溫度。圖5表明，在管間距一定時(shí)，地板表面溫度隨供回水平均的升高而變化較快，在供回水平均溫度一定時(shí)，地板表面溫度隨管間距的增大逐漸減小，且減小的速率逐漸減弱并趨于平穩(wěn)，同樣得出供回水平均溫度是影響地板表面溫度的主要因素。

4 結(jié)語

利用太陽能、沼氣等可再生能源作為低溫地板輻射供暖系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源，不但突出了太陽能清潔、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有效彌補(bǔ)了太陽能受季節(jié)、惡劣天氣影響的缺陷，具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，可較好地滿足系統(tǒng)對(duì)熱源的基本要求。

系統(tǒng)中當(dāng)管間距一定時(shí)，地板表面的熱流密度和溫度分布隨供回水平均溫度的升高而增大；在供回水平均溫度一定時(shí)，地板表面熱流密度隨管間距的減小而增大，地板表面溫度隨管間距的增大逐漸減小，并且減小的幅度逐漸降低并趨于平穩(wěn)。

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