低溫地面輻射供暖間歇運(yùn)行室溫變化模擬

鄒韋唯， 苗立鼎， 崔明輝， 王易軍

(1.河北新奧能源發(fā)展有限公司，河北石家莊050000；2.河北鼎控自動(dòng)化科技有限公司，河北石家莊050000；3.河北科技大學(xué)，河北石家莊050000)

1 概述

國家通過居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂，采取了三步節(jié)能的實(shí)施步驟，力求通過外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的增強(qiáng)來降低北方地區(qū)城鎮(zhèn)建筑的供暖能耗[1]。同時(shí)，伴隨著供暖收費(fèi)制度的改革，行業(yè)規(guī)范中已經(jīng)以強(qiáng)制性條文的形式明確要求集中供熱的新建建筑和既有建筑的節(jié)能改造必須安裝熱量計(jì)量裝置[2]。目的在于通過經(jīng)濟(jì)杠桿的調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)住戶的行為節(jié)能，通過住戶“部分時(shí)間、部分空間”地使用供暖設(shè)施[3]，來避免不必要的能源浪費(fèi)，從而降低供暖能耗。熱用戶行為節(jié)能過程中，低溫地面輻射供暖系統(tǒng)處于間歇運(yùn)行狀態(tài)。本文建立了低溫地面輻射供暖房間模型，并利用數(shù)值模擬軟件Fluent對供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行過程進(jìn)行仿真模擬，以探究低溫輻射地面的蓄放熱特性和室溫的變化特性。

2 模型參數(shù)及邊界條件

2.1 模型參數(shù)

本文采用Fluent6.3.26軟件以石家莊市位于建筑中間位置的房間為例進(jìn)行模擬分析，所建立的模型見圖1。模型包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并對圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

圖1 中間層中間戶數(shù)值模擬模型

模型結(jié)構(gòu)尺寸(以內(nèi)墻面計(jì))為x方向4 m，y方向2.9 m，z方向10 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 模型房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格劃分

控制方程包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及能量方程，計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。運(yùn)用Gambit2.4.6軟件建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。

2.3 求解方法

模擬采用SIMPLE算法，將所有參數(shù)設(shè)置為一階迎風(fēng)參數(shù)進(jìn)行迭代，采用默認(rèn)亞松弛因子，能量方程迭代精度選用10-6，其余選用10-4。

2.4 簡化假設(shè)及邊界條件

① 室內(nèi)氣體為低速不可壓縮流體，流態(tài)為湍流。

② 流動(dòng)滿足 Boussinesq 假設(shè)，氣體密度的變化僅影響浮升力，忽略流體粘性力作功而引起的耗散熱。

③ 考慮重力，重力加速度為-9.81 m/s2。

④ 室內(nèi)空氣假定為輻射透明介質(zhì)，不參與輻射換熱。

⑤ 忽略室內(nèi)人員、家具對流場的影響。

⑥ 地面邊界條件設(shè)置：a.房間正常連續(xù)供暖工況下，受室外環(huán)境因素影響，地面表面熱流密度可能會(huì)處于不斷變化狀態(tài)，而低溫地面輻射供暖系統(tǒng)的供水溫度始終保持不變?；诖耍疚牟捎玫谝活愡吔鐥l件對地面輻射供暖系統(tǒng)的盤管層進(jìn)行定義，即將盤管層設(shè)置為定溫邊界，溫度取設(shè)計(jì)供回水平均溫度308.15 K。b.房間停止供暖時(shí)，地面下表面與下方相鄰房間對流換熱，因此將地面下表面定義為第三類邊界條件，即已知下方相鄰房間溫度為293.15 K，以及樓板下表面與下方相鄰房間空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 W/(m2·K)。

⑦ 分戶墻及上分戶樓板定義為第三類邊界條件，即已知同層及上層相鄰房間空氣溫度為293.15 K，圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面與相鄰房間空氣之間的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10 W/(m2·K)。

⑧ 室外氣象參數(shù)：本文選取日平均室外溫度與供暖期平均室外氣溫比較接近，同時(shí)又能較好地反映太陽輻射和室外空氣溫度變化規(guī)律的3個(gè)典型日的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，即將太陽輻射作用與室外氣溫綜合考慮，擬合出室外溫度變化曲線，不再單獨(dú)考慮太陽輻射。所選取的3個(gè)典型日分別為2017年1月14日、2017年1月15日和2017年1月16日。將這3個(gè)典型日逐時(shí)室外氣溫分別求平均值，作為本文模擬所引用的氣象參數(shù)，見圖2。

圖2 室外氣溫

⑨ 本文模擬考慮冷風(fēng)滲透的影響，并采用換氣次數(shù)法計(jì)算冷風(fēng)滲透耗熱量，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，本文模型應(yīng)選用的概算換氣次數(shù)為0.7次/h。滲透冷風(fēng)溫度為即時(shí)室外氣溫。

3 系統(tǒng)間歇運(yùn)行室溫變化特性

熱用戶行為節(jié)能過程中，低溫地面輻射供暖系統(tǒng)處于間歇運(yùn)行狀態(tài)。熱用戶關(guān)閉供暖閥門后，供暖系統(tǒng)不再對房間供給熱量，該階段稱為節(jié)熱供暖過程。此時(shí)室溫會(huì)逐漸降低，由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的蓄熱能力，因此室溫的降低是緩慢的。當(dāng)熱用戶打開閥門后，供暖系統(tǒng)重新向房間供熱，該階段稱為升溫供暖過程。

3.1 節(jié)熱供暖過程室溫變化特性

① 正常連續(xù)供暖室溫變化

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果，一天中，室外氣溫近似呈正弦規(guī)律變化[5]。由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性，房間溫度在一天中也有可能受到室外氣溫的影響而發(fā)生變化。首先對正常連續(xù)供暖，供回水平均溫度為308.15 K時(shí)，模型房間一天中室內(nèi)溫度受室外氣溫影響的變化特性進(jìn)行模擬分析，見圖3。

圖3 模型房間在正常連續(xù)供暖時(shí)一天中室內(nèi)溫度受室外氣溫影響變化曲線

由圖3可以看出，室內(nèi)溫度在一天中基本保持平穩(wěn)，維持在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度293.15 K。

② 0：00停止供暖后48 h內(nèi)地面與室溫變化

圖4中a、b分別為低溫地面輻射供暖系統(tǒng)從0:00停止供暖后，節(jié)熱供暖過程中地面表面平均溫度及室內(nèi)溫度在48 h中的變化曲線。

圖4 節(jié)熱供暖過程地面表面平均溫度及室內(nèi)溫度變化曲線

從圖4a可以看出，第一天0:00停止供暖后，0:00～1:00，地面表面平均溫度基本保持不變，1:00之后，地面表面溫度近似呈指數(shù)衰減。至第2天9:00時(shí)，地面表面平均溫度趨于平穩(wěn)，之后基本保持不變。根據(jù)低溫輻射地面?zhèn)鳠崽匦?，房間正常供暖時(shí)，低溫輻射地面儲(chǔ)蓄有一定的熱量。房間停暖后，地面蓄熱量逐漸向外釋放，造成地面表面溫度逐漸下降，待地面表面溫度趨于平穩(wěn)時(shí)，認(rèn)為地面釋熱結(jié)束。可見，節(jié)熱供暖過程中，停止供暖后約1 h內(nèi)，地面表面平均溫度幾乎不發(fā)生變化，1 h后地面表面平均溫度近似呈指數(shù)下降，停止供暖后約33 h，地面釋熱結(jié)束。

從圖4b室內(nèi)溫度變化曲線可以看出，第1天0:00停止供暖后，0:00～4:00，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性，室溫基本維持在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度293.15 K不發(fā)生變化。4:00～13:00，室溫近似呈指數(shù)下降，13:00時(shí)，室溫下降2.15 K；13:00～17:00，由于此時(shí)室外氣溫較高，太陽輻射熱量較大，室溫暫時(shí)停止下降，基本維持在291 K；17:00至第2天9:00，隨著室外氣溫下降，室溫繼續(xù)下降，至第2天9:00時(shí)，室溫降至287.5 K；第2天9：00之后室溫隨室外溫度的變化而改變。

由于停止供暖時(shí)，低溫輻射地面在第2天9:00釋熱結(jié)束，因此選擇第1天0：00停暖，第2天9:00為起始時(shí)刻，對系統(tǒng)重新開始供暖的升溫供暖過程進(jìn)行模擬，以探究升溫供暖過程中室溫的變化特性。

3.2 升溫供暖過程室溫變化特性

① 供暖供回水平均溫度不同時(shí)的地面溫度

圖5為升溫供暖過程中供水流量不變，供回水平均溫度不同時(shí)地面表面平均溫度變化曲線，圖中t代表供回水平均溫度，此工況為9：00開始供暖并持續(xù)供暖。可以看出，升溫供暖過程中地面表面平均溫度近似呈S曲線上升。9:00開始供暖，0.5 h內(nèi)地面表面平均溫度幾乎保持不變，0.5 h后地面表面溫度開始上升，低溫輻射地面供回水平均溫度不同，地面表面平均溫度變化量不同，但變化規(guī)律基本相同。

圖5 升溫供暖過程地面表面平均溫度變化曲線

低溫輻射地面供回水平均溫度為308.15 K(35 ℃)時(shí)，經(jīng)過13 h，地面表面溫度趨于平穩(wěn)，此時(shí)認(rèn)為低溫輻射地面蓄熱過程結(jié)束，地面表面平均溫度共上升8.76 K。低溫輻射地面供回水平均溫度為318.15 K(45 ℃)時(shí)，經(jīng)過16 h，低溫輻射地面蓄熱過程結(jié)束，地面表面平均溫度共上升14.67 K。低溫輻射地面供回水平均溫度為328.15 K(55 ℃)時(shí)，經(jīng)過20 h，低溫輻射地面蓄熱過程結(jié)束，地面表面平均溫度共上升21.96 K。

可見，相同初始工況下重新開始對房間供暖，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，地面表面溫度上升速度越快，溫度升高幅度越大，相應(yīng)的地面蓄熱時(shí)間越長。

② 供暖供回水平均溫度不同時(shí)室溫變化

升溫供暖過程中低溫輻射地面供水流量不變，供回水平均溫度不同時(shí)室溫變化曲線見圖6，圖6中t代表供回水平均溫度，此工況為9：00開始供暖并持續(xù)供暖?？梢钥闯?，9:00～11:00，低溫輻射地面供回水平均溫度不同時(shí)的室溫變化特性完全相同，呈逐漸上升趨勢。11:00之后，室溫仍逐漸上升，但低溫輻射地面供回水平均溫度不同，室溫上升趨勢不同。

圖6 升溫供暖過程中低溫輻射地面供回水平均溫度不同時(shí)室溫變化曲線

低溫輻射地面供回水平均溫度為308.15 K(35 ℃)時(shí)，室溫于第2天13:30上升至289.15 K，于第3天2:30上升至291.15 K，開始供暖后24 h內(nèi)，室溫始終低于293.15 K。

低溫輻射地面供回水平均溫度為318.15 K(45 ℃)時(shí)，室溫于第2天13:00上升至289.15 K，于第2天21:00上升至291.15 K，第3天9:00時(shí)，室溫上升至室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度293.15 K。

低溫輻射地面供回水平均溫度為328.15 K(55 ℃)時(shí)，室溫于第2天12：30上升至289.15 K，于第2天17:30上升至291.15 K，第3天1:00時(shí)，室溫上升至室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度293.15 K。

可見，升溫供暖過程中，開始供暖后2 h內(nèi)，盡管低溫輻射地面供回水平均溫度不同，但室溫變化特性完全相同。開始供暖2 h后，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，室溫上升速度越快。低溫輻射地面供回水平均溫度分別為35 ℃、45 ℃、55 ℃時(shí)，室溫上升至滿足人體熱舒適性要求的291.15 K所用時(shí)長分別為17.5 h、12 h、8.5 h。

4 結(jié)論

建立低溫地面輻射供暖房間模型，利用Fluent軟件對節(jié)熱供暖過程及升溫供暖過程進(jìn)行數(shù)值模擬，探究低溫地面輻射供暖系統(tǒng)間歇運(yùn)行過程中地面的蓄放熱特性以及室溫的變化特性。研究結(jié)果表明：

① 在正常連續(xù)供暖、供回水平均溫度為308.15 K時(shí)，室內(nèi)溫度一天中基本保持平穩(wěn)，維持在室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度293.15 K。當(dāng)系統(tǒng)停止供暖后，約33 h，地面釋熱過程結(jié)束。

② 當(dāng)供回水平均溫度分別為308.15 K、318.15 K和328.15 K時(shí)，開始供暖后，分別經(jīng)過13 h、16 h和20 h，地面蓄熱過程結(jié)束。對房間供暖，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，地面表面溫度上升速度越快，溫度升高幅度越大，相應(yīng)的地面蓄熱時(shí)間越長。

③ 升溫供暖過程中，開始供暖后2 h內(nèi)，盡管低溫輻射地面供回水平均溫度不同，但室溫變化特性完全相同。開始供暖2 h后，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，室溫上升速度越快。低溫輻射地面供回水平均溫度分別為308.15 K、318.15 K和328.15 K時(shí)，室溫上升至滿足人體熱舒適性要求的291.15 K所用時(shí)間分別為17.5 h、12 h、8.5 h。