不同敷設(shè)位置的毛細(xì)管網(wǎng)席對(duì)蒙古包內(nèi)熱環(huán)境的影響

梁 雨, 王文新,2*, 秦超凡, 楊大偉

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 呼和浩特 010051)

隨著社會(huì)的發(fā)展，牧民的生活方式由游牧向定居轉(zhuǎn)變，造成蒙古包逐漸被固定的民居所取代的現(xiàn)象。蒙古包是蒙古族民族文化的象征，在草原上逐漸減少，所以保持蒙古包的活力已成為一個(gè)至關(guān)重要的問題。蒙古包逐漸減少的原因之一是冬季采暖無法滿足居住要求。而毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)是一種具有舒適度高、節(jié)能、蓄熱能力強(qiáng)和節(jié)省空間等特點(diǎn)的新型低溫輻射供暖形式，因此無論是從系統(tǒng)的舒適性還是節(jié)能上考慮，毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)都有巨大的潛力應(yīng)用于蒙古包[1]。Zhao等[2]通過實(shí)驗(yàn)表明，毛細(xì)管輻射加熱可以采用較低的水溫去創(chuàng)造良好的熱舒適環(huán)境。許登科等[3]主要研究在中國中部淮南地區(qū)的冬季太陽能毛細(xì)管低溫供暖系統(tǒng)的適用性，并對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。陳金華等[4-5]針對(duì)重慶地區(qū)冬季供暖問題，研究了毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)在35 ℃供水工況下毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的室內(nèi)空氣溫度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度等參數(shù)，并以空氣源熱泵+毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射供暖系統(tǒng)為對(duì)象建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究不同供水工況毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射供暖。Li等[6]研究了一種集太陽能、毛細(xì)管網(wǎng)和相變儲(chǔ)能技術(shù)于一體的綜合供熱系統(tǒng)，可以提供更好的熱舒適性。Liu等[7]建立了太陽能采暖系統(tǒng)(太陽能平板集熱器+蓄熱罐+毛細(xì)管輻射地板)，通過對(duì)毛細(xì)輻射地板綜合采暖能力和蓄熱能力的理論分析，揭示了動(dòng)態(tài)熱環(huán)境的形成機(jī)理。馮國會(huì)等[8]通過實(shí)驗(yàn)得出毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)與太陽能相結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本節(jié)約9%。傅允準(zhǔn)等[9]通過研究得出毛細(xì)管輻射板供熱能力較強(qiáng)、毛細(xì)管輻射采暖時(shí)室內(nèi)溫度相應(yīng)較快、室內(nèi)溫度場分布均勻性較好的結(jié)論。Liu等[10]采用數(shù)值模擬的方法，研究了地鐵隧道毛細(xì)管的傳熱特性，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了模擬值的正確性。閆亞鑫等[11]提出相變蓄熱型Trombe墻應(yīng)用于寒冷地區(qū)氣候條件下的冬季輔助供熱系統(tǒng),對(duì)其供熱性能開展了實(shí)驗(yàn)測試研究。李明等[12]通過研究表明基于毛細(xì)管網(wǎng)的日光溫室的集放熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻。王文新等[13]研究了室外空氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向和太陽輻射耦合作用對(duì)供暖期傳統(tǒng)蒙古包建筑外表面對(duì)流換熱的影響。以上研究大多數(shù)是毛細(xì)管網(wǎng)應(yīng)用于針對(duì)混凝土壁面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬的研究，對(duì)于蒙古包建筑的研究暫未見相關(guān)報(bào)道。

以呼和浩特市某傳統(tǒng)蒙古包為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，首先對(duì)有熱源和無熱源兩種狀況下蒙古包內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行測試，得到傳統(tǒng)供暖方式下蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀；然后采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)模擬不同敷設(shè)位置的毛細(xì)管網(wǎng)席(以毛細(xì)管網(wǎng)為散熱末端的熱水采暖系統(tǒng))對(duì)蒙古包內(nèi)熱環(huán)境的影響，找到幾種敷設(shè)工況下最適于傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席的位置，以改善傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀的不足。繼而結(jié)合草原牧區(qū)豐富的風(fēng)資源或太陽能資源，不僅在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能還是降低牧民支出上都具有實(shí)際性意義。

1 傳統(tǒng)蒙古包的實(shí)測分析

研究蒙古包(結(jié)合牧區(qū)常見的傳統(tǒng)蒙古包形式以及常用的建筑材料建造，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)為兩層毛氈、毛氈的外層覆蓋著防水帆布。)位于呼和浩特市某空曠草地上，周邊環(huán)境與牧區(qū)實(shí)際傳統(tǒng)蒙古包環(huán)境接近。蒙古包建筑面積約為19.625 m2，坐北朝南，建筑高度為2.75 m，直徑為2.5 m。對(duì)傳統(tǒng)蒙古包冬季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行測試，測試所需要的實(shí)驗(yàn)儀器主要有RC-4HC 溫濕度記錄儀、紅外熱成像儀以及熱線風(fēng)速儀?？紤]到呼和浩特市為典型的大陸氣候特征，冬季嚴(yán)寒，夏季適宜居住，因此選取最冷月的1月9—31日，對(duì)實(shí)驗(yàn)蒙古包內(nèi)外的溫濕度、室外風(fēng)速等進(jìn)行測試，選取4月13—25日測試蒙古包內(nèi)垂直溫度分布情況。

測點(diǎn)布置根據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 347—2014)[14]于2018年1月和4月分別對(duì)蒙古包進(jìn)行測試，其中2018年1月蒙古包室內(nèi)溫度在高1.1 m處水平方向的布點(diǎn)如圖1(a)所示，4月在考慮水平方向上溫度均勻性的同時(shí)，考慮垂直方向[高0.1 m(22、13、35、36、34)、高0.6 m(38、32、33、39、16)、高1.1 m(20、37、24、21、4)]上的溫度分布進(jìn)行布點(diǎn)，布點(diǎn)如圖1(b)所示。

圖1 現(xiàn)場測試布點(diǎn)圖Fig.1 Field test layout

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

主要從室外溫度、濕度以及風(fēng)速，室內(nèi)溫度、濕度垂直方向溫差等方面研究傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀。

2.1 室內(nèi)外溫、濕度結(jié)果分析

如圖2所示，可以看出當(dāng)室外溫度變化較大時(shí)，室內(nèi)溫度曲線相對(duì)平整。這是由于蒙古包的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、氈層和地面具有一定的保溫和蓄熱能力，室外短期溫度波動(dòng)對(duì)室內(nèi)溫度影響不大。

實(shí)驗(yàn)于2018年1月18日加入熱源(充油散熱器、標(biāo)稱電壓220 V、額定功率1 600 W、額定頻率50 Hz)對(duì)傳統(tǒng)蒙古包預(yù)熱處理。選擇預(yù)報(bào)24、25日晴天日，也就是1月24日9：30開啟散熱器到1月25日22：00關(guān)閉散熱器，供暖期間室內(nèi)溫度分布如圖3所示。由圖3可知，蒙古包內(nèi)晝夜溫差大，當(dāng)室外晝夜溫差為25 ℃左右時(shí)，室內(nèi)的晝夜溫差為17 ℃左右，這是由于蒙古包70%的材料都是毛氈。根據(jù)文獻(xiàn)[15]，對(duì)于兩層的傳統(tǒng)蒙古包，毛氈的導(dǎo)熱系數(shù)為0.076 6 W/(m·K)，相對(duì)于聚苯乙烯膨脹板，毛氈具有良好的保溫性能，但由于兩層毛氈的厚度僅為18 mm，致使其蓄熱性能差。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，蒙古包圍護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合熱慣性指標(biāo)小于1.6，低于實(shí)心墻。蒙古包毛氈的低熱慣性、大熱阻等特點(diǎn)說明毛氈具有很好的保溫絕熱性，但蓄熱性較低使蒙古包內(nèi)熱環(huán)境差，也是導(dǎo)致蒙古包逐漸被淘汰的原因之一。

圖2 1月室內(nèi)外溫度和濕度變化Fig.2 Temperature and humidity changes inside and outside in January

圖3 供暖期間室內(nèi)溫度分布Fig.3 Distribution of indoor temperature during heating

如圖4所示，同一水平面室內(nèi)溫、濕度變化的總體趨勢是相似的，蒙古包內(nèi)在不供暖情況下，與室內(nèi)外溫差在5 ℃之內(nèi)，濕度處于15%～50%。測試期間多為晴天，未碰到陰雨天，這是實(shí)驗(yàn)的不足之處。但根據(jù)文獻(xiàn)[17]，當(dāng)雨天室外濕度較高時(shí)，如2017年9月25日，室內(nèi)平均濕度水平比室外低20.4%。對(duì)傳統(tǒng)蒙古包接近壁面的測點(diǎn)(7、12、15、27)，發(fā)現(xiàn)南側(cè)的濕度最低，北側(cè)的濕度最高，而東側(cè)與西側(cè)的濕度與室內(nèi)濕度分布接近。其原因是此傳統(tǒng)蒙古包坐南朝北，南側(cè)為門，門為木質(zhì)材料，且門外無圍布(防水帆布)，門經(jīng)長期的風(fēng)吹日曬，且測試期間晴天居多，致使門處的濕度最低。北側(cè)濕度最高是因?yàn)榇藗鹘y(tǒng)蒙古包無人居住，蒙古包外側(cè)的圍布又有抗風(fēng)作用。

圖4 1月份室內(nèi)溫度濕度分布Fig.4 Distribution of indoor temperature and humidity in January

整體來看，傳統(tǒng)蒙古包在不供暖的情況下，室內(nèi)外溫差在5 ℃左右，但平均溫度均在0 ℃以下。在利用散熱器供暖的情況下，室內(nèi)外溫度差在20 ℃左右，但最高溫度僅在10 ℃左右，達(dá)不到冬季室內(nèi)溫度規(guī)范要求。而傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)的濕度在45%左右，規(guī)范規(guī)定的呼和浩特室內(nèi)舒適標(biāo)注濕度為58%。傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)溫、濕度與人們對(duì)舒適度要求越來越背道而馳。

2.2 室外風(fēng)速結(jié)果分析

在熱線風(fēng)速儀布點(diǎn)測量前，連續(xù)一周觀測蒙古包套腦與豎向維護(hù)結(jié)構(gòu)連接處的裝飾絲帶飄向，發(fā)現(xiàn)與呼和浩特市主風(fēng)向(西北風(fēng))相同，未受到其他建筑物干擾。因此將熱線風(fēng)速儀布置在此，傳統(tǒng)蒙古包西北方向距離地面高1.2 m并離蒙古包0.3 m處。如圖5所示為2018年1月24—1月25日連續(xù)30 h的室外風(fēng)速分布圖，可以看出，距離傳統(tǒng)蒙古包0.3 m處的平均風(fēng)速為0.2 m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，在采暖、通風(fēng)和空調(diào)民用建筑中，經(jīng)常關(guān)閉門窗且門窗的密封性很好，只能通過門窗上很小的縫隙滲透通風(fēng)。

圖5 室外風(fēng)速逐時(shí)分布Fig.5 Hourly distribution of outdoor wind speed

2.3 傳統(tǒng)蒙古包垂直方向溫度結(jié)果分析

在《舒適熱環(huán)境條件——表明熱舒適程度的PMV和PPD指標(biāo)》(ISO 7730)標(biāo)準(zhǔn)中要求：從0.1 m高度到1.1 m之間的垂直溫度差不應(yīng)該超過3 ℃。在美國采暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)中提出更為嚴(yán)格的要求：從高度0.1～1.8 m之間的垂直溫差不應(yīng)超過3 ℃。因此測試分別在距離地面0.1、0.6、1.1 m高度處布點(diǎn)，分析傳統(tǒng)蒙古包垂直方向的溫度差。

室內(nèi)垂直方向溫度分布如圖6所示，可以看出，1.1 m與0.6 m處的溫差接近0 ℃，少量時(shí)間段的溫差為2 ℃。但是0.1 m與0.6 m之間的溫度差為8 ℃左右。這主要是由于此蒙古包無人居住，長期處于封閉狀態(tài)，底部門窗縫隙大，蒙古包內(nèi)部地面沒有進(jìn)行細(xì)處理地面水汽分壓對(duì)室內(nèi)溫度的影響，從而造成接近地面處的溫度相對(duì)較低，使得蒙古包垂直方向溫差不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對(duì)此傳統(tǒng)蒙古包現(xiàn)存的不足，現(xiàn)利用最理想的散熱末端——毛細(xì)管網(wǎng)輻射末端敷設(shè)在蒙古包內(nèi)，并利用CFD進(jìn)行模擬，對(duì)敷設(shè)有毛細(xì)管網(wǎng)席的蒙古包進(jìn)行室內(nèi)溫度場的模擬。找到最適宜蒙古包冬季供暖的毛細(xì)管網(wǎng)席的敷設(shè)范圍，提高傳統(tǒng)蒙古包的利用率，在一定程度上減少煤爐的使用，使蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境更加舒適。

圖6 垂直溫度分布Fig.6 Vertical temperature distribution

3 毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)介紹以及模型的建立

3.1 毛細(xì)管網(wǎng)工作原理

如將毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)類比于人體內(nèi)的仿生系統(tǒng)，毛細(xì)管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可比作人體的血液循環(huán)系統(tǒng)。假如毛細(xì)管網(wǎng)是人體的血液系統(tǒng)，供回水主干管就是動(dòng)脈和靜脈血管，機(jī)組就是心臟，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，毛細(xì)管網(wǎng)與周圍物體、環(huán)境有效地進(jìn)行熱交換。這就是毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)房間溫度的原理。

采用的毛細(xì)管網(wǎng)規(guī)格為1 000 mm×2 500 mm，管徑4～4.8 mm，間距20 mm，共30個(gè)U形回路，并用20 mm的塑料作為集管。按毛細(xì)管網(wǎng)與建筑物的結(jié)合方式可分為：整體式、貼附式和懸掛式，考慮到蒙古包豎向維護(hù)結(jié)構(gòu)為圓形柳條組合，蒙古包墻壁敷設(shè)易采用懸掛式，地面敷設(shè)采用整體式。

3.2 毛細(xì)管網(wǎng)墻壁表面與房間的換熱分析

在對(duì)流供暖系統(tǒng)中，衡量與評(píng)價(jià)供暖效果的標(biāo)準(zhǔn)，通常是室內(nèi)空氣的干球溫度。在輻射供暖系統(tǒng)時(shí)，輻射傳熱和對(duì)流傳熱交織在一起，所以在確定輻射供暖表面有效換熱面積q0是由輻射換熱qr和對(duì)流換熱qc組成[19]，即

q0=qr+qc=5×10-8[(tp+273)4-

(AUST+273)4]+1.78(tp-ta)1.32

(1)

式(1)中：tp為輻射板表面平均溫度，℃；AUST為非供熱表面加權(quán)平均溫度，℃；ta為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。

3.3 傳統(tǒng)蒙古包物理模型

蒙古包模型如圖7所示，尺寸如表1所示。該建筑為木架結(jié)構(gòu)，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)由柳條木以及毛氈(哈那)組成，傳熱系數(shù)為1.3 W/(m2·K)，外窗為單層玻璃，其傳熱系數(shù)約為6.4 W/(m2·K)，戶門為普通木門，其傳熱系數(shù)約為1.5 W/(m2·K)，窗墻比為0.015。而根據(jù)權(quán)威部門測試結(jié)果和大量工程實(shí)踐，間距為20 mm毛細(xì)管網(wǎng)。每平方米、每1 ℃溫差(溫差=供回水平均溫度-室溫)散熱能力為10 W/℃。利用EnergyPlus對(duì)直徑為5 m的蒙古包的能耗進(jìn)行模擬得到：總的熱負(fù)荷為1 555.28 W。毛細(xì)管網(wǎng)的供/回水溫度為35/30 ℃，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18 ℃。每平方米毛細(xì)管網(wǎng)的散熱散冷量是根據(jù)國家空調(diào)所實(shí)測數(shù)據(jù)并考慮到損耗系數(shù)規(guī)定的，表面覆蓋因素為80%，則毛細(xì)管網(wǎng)的散熱能力為197.5 W/m2。毛細(xì)管網(wǎng)在蒙古包中的安裝面積為9.97 m2，敷設(shè)4張，規(guī)格為1 000 mm×2 500 mm。在其余條件相同的情況下，將毛細(xì)管網(wǎng)席分四種位置工況(如表2所示)敷設(shè)在蒙古包內(nèi)。蒙古包敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席的位置如圖8所示。

圖7 蒙古包模型Fig.7 Mongolian yurt model

圖8 毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)位置Fig.8 Placement of capillary mat

表1 蒙古包模型尺寸Table 1 Dimensions of mongolian gel model

表2 毛細(xì)管席四種敷設(shè)工況

3.4 邊界條件的設(shè)置

以呼和浩特市氣象條件為背景，利用EnergyPlus對(duì)直徑為5 m的蒙古包模擬供水/回水溫度為35 ℃/30 ℃，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)敷設(shè)熱表面的溫度為29 ℃，而地面構(gòu)造層相對(duì)于豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層厚，所以地面敷設(shè)熱表面溫度為30 ℃。繼而利用Fluent模擬毛細(xì)管網(wǎng)席表面溫度經(jīng)過導(dǎo)熱到地表面以及墻體表面的溫度分別為27 ℃和26.85 ℃。實(shí)際居住的蒙古包內(nèi)環(huán)境會(huì)受通風(fēng)的影響，但模擬研究的對(duì)象為密閉情況下的蒙古包，所以模擬結(jié)果與實(shí)際情況略有差距。根據(jù)紅外成像儀測試蒙古包，如圖9所示，可以得出冬季的蒙古包主要的進(jìn)風(fēng)口為門窗縫隙處，出風(fēng)口為天窗縫隙處。因此以門窗縫隙為進(jìn)風(fēng)口，以天窗周圍縫隙為出風(fēng)口進(jìn)行模擬。

圖9 門窗縫隙處的熱成像圖Fig.9 Thermal image of door and window gap

3.5 控制方程的選擇

由于毛細(xì)管網(wǎng)末端采暖系統(tǒng)主要以輻射和對(duì)流的方式進(jìn)行熱量的交換。這是一種湍流流動(dòng)的復(fù)合換熱，因此整個(gè)模擬過程中主要選用RNGk-ε模型的湍流方程和適用性普遍的離散坐標(biāo)(DO)輻射模型。Xu等[17]通過對(duì)蒙古包進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)得出：影響毛氈壁面溫度的主要因素是太陽輻射。因此在整個(gè)模擬過程中首先進(jìn)行太陽追蹤的設(shè)置，當(dāng)殘差曲線達(dá)到要求后，進(jìn)行室內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)席輻射的DO敷設(shè)模型模擬，均達(dá)到殘差設(shè)計(jì)要求。

4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730中測量點(diǎn)的要求，本文模擬結(jié)果在距地面0.1、0.6、1.1 m分別截取溫度、風(fēng)速等云圖。并對(duì)比分析蒙古包內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度、水平方向溫度的均勻性和垂直溫差是否在3 ℃以內(nèi)。

4.1 四種敷設(shè)位置工況下溫度云圖的對(duì)比分析

如圖10所示為四種模擬工況：毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在地面以及毛細(xì)管網(wǎng)距地0、0.3、0.5 m豎向敷設(shè)的溫度云圖。

從圖10可以看出，由于蒙古包特殊的建筑造型，使得毛細(xì)管網(wǎng)席在蒙古包中采用圓形敷設(shè)形式，此敷設(shè)形式減少了由于敷設(shè)不均勻性造成的室內(nèi)水平溫度分布的不均勻性。因此對(duì)于建筑層高相對(duì)較小且敷設(shè)供暖末端的圓形建筑，當(dāng)室內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，室內(nèi)溫度分布均勻，適宜人們居住。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在蒙古包豎向維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著敷設(shè)高度的增加，0.1 m測點(diǎn)水平面上局部低溫由有到無。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)席輻射在地板時(shí)，無局部溫度存在。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因在地板輻射采暖中，地板向屋頂墻壁的輻射熱量，比墻壁輻射給地面屋頂熱量多，這是由于地板、墻壁輻射材料不同以至非輻射面的發(fā)射率、角系數(shù)不同。在室內(nèi)氣流組織相同的情況下，室內(nèi)溫度場的分布受毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)位置的影響，毛細(xì)管網(wǎng)席輻射在地板時(shí)，室內(nèi)溫度分布最均勻，毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在豎向維護(hù)結(jié)構(gòu)的位置雖然對(duì)蒙古包內(nèi)溫度場的均勻性影響不大，但敷設(shè)在0.3 m處相對(duì)于0.1 m與0.5 m處略差。

Z為主毛細(xì)管網(wǎng)豎向敷設(shè)位置(高度)；Z1～Z3為 模擬模型取云圖的高度圖10 四種敷設(shè)工況下的溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram under four laying conditions

為進(jìn)一步分析此工況下室內(nèi)水平方向溫度的均勻性，室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度以及垂直溫差是否滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730的要求，在水平方向上取13個(gè)點(diǎn)(為人員主要活動(dòng)的區(qū)域)如圖11所示，并取13個(gè)點(diǎn)垂直方向0～1.5 m同時(shí)觀察室內(nèi)水平方向溫度的均勻性、室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度以及垂直溫差。

圖11 水平方向13點(diǎn)位置圖Fig.11 Horizontal 13 point position map

如圖12所示，整體分析得到，四種敷設(shè)工況下0～0.3 m內(nèi)的溫度梯度變化范圍為6～8 ℃，這是因?yàn)槊?xì)管網(wǎng)散熱末端主要以對(duì)流和輻射的方式進(jìn)行熱量交換，這樣在對(duì)流場的溫度場中也存在一個(gè)溫度邊界層，該層很薄，且其中溫度梯度很大。

圖12 不同工況下13個(gè)點(diǎn)垂直方向0～1.5 m處的 溫度點(diǎn)線圖Fig.12 Temperature point line at 0～1.5 m in vertical direction of 13 points under different working conditions

同時(shí)可以看出四種敷設(shè)工況下,垂直于X軸點(diǎn)垂直方向0.1～1.5 m處溫度分布于15～20 ℃，垂直于Y軸點(diǎn)垂直方向0.1～1.5 m處溫度在16 ℃以上，這是由于蒙古包內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)席距門兩側(cè)一定距離對(duì)稱敷設(shè)，而室外風(fēng)主要是通過門窗縫隙滲透通風(fēng)，此小開口滲透通風(fēng)的特點(diǎn)是：在開口的截面上風(fēng)速分布均勻，且在很短的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)開口處的風(fēng)向是一致的。這種小開口滲透通風(fēng)的現(xiàn)象使得溫度呈現(xiàn)出室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)垂直于X軸方向的溫度在16 ℃左右，垂直于Y軸方向的溫度在16 ℃以上。繼而從圖12中可以看出，豎直方向敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席在0.1 m處人的腳踝處，蒙古包內(nèi)的溫度在15 ℃不滿足規(guī)范要求，而對(duì)于地面敷設(shè)，0.1～1.5 m蒙古包內(nèi)溫度均在17 ℃以上，造成這種現(xiàn)象的原因除了與輻射角系數(shù)、發(fā)射率有關(guān)外，還與地面與墻體結(jié)構(gòu)表層材料的傳熱系數(shù)有關(guān)。但四種敷設(shè)工況0.1～1.1 m的垂直溫差均在3 ℃以內(nèi)。

4.2 蒙古包風(fēng)速云圖分析

四種模擬工況的室內(nèi)氣流組織大致相同，模擬的送風(fēng)口與出風(fēng)口相同。地面敷設(shè)以及距地0.5 m處敷設(shè)的風(fēng)速云圖如圖13所示。因此選取該圖作為參考，可以看出蒙古包內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域的風(fēng)速在0.1 m/s以下，無吹風(fēng)感。

Z為主毛細(xì)管網(wǎng)豎向敷設(shè)位置(高度)；Z1～Z3為 模擬模型取云圖的高度圖13 風(fēng)速云圖Fig.13 Wind velocity nephogram

綜合考慮室內(nèi)水平方向的平均溫度、室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)的平均溫度、豎直方向的溫度差、吹風(fēng)感等，四種敷設(shè)方式下只有敷設(shè)在地板時(shí)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。對(duì)于濕度的控制，可以選擇溫、濕度獨(dú)立控制的理念，來保證蒙古包內(nèi)溫、濕度比的隨時(shí)調(diào)整。而根據(jù)牧民的生活習(xí)性，牧民在蒙古包內(nèi)通常盤腿坐在墊子或者用草編織的床上，墊子與床的高度大約在0.3 m，按照這種生活習(xí)性，牧民可以根據(jù)自己的期望溫度來選擇合適的安裝位置。

5 總結(jié)

針對(duì)前期現(xiàn)場實(shí)測分析發(fā)現(xiàn)的蒙古包這一傳統(tǒng)民居的熱缺陷，嘗試用毛細(xì)管網(wǎng)輻射散熱末端來提升蒙古包內(nèi)熱環(huán)境品質(zhì)。采用CFD模擬軟件對(duì)不同敷設(shè)位置、溫度場、風(fēng)速場等指標(biāo)進(jìn)行分析得出如下結(jié)論。

(1)對(duì)于類似蒙古包的建筑，采用地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)這一輻射供暖形式時(shí)，蒙古包內(nèi)熱環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求，整個(gè)室內(nèi)空間垂直、水平方向溫度分布較為均勻，與傳統(tǒng)的點(diǎn)熱源相比，室內(nèi)人員主要活動(dòng)區(qū)域熱舒適度得到明顯提升。

(2)對(duì)毛細(xì)管網(wǎng)在蒙古包內(nèi)的不同敷設(shè)位置進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，最佳的敷設(shè)位置為地面，其次為豎向敷設(shè)，敷設(shè)高度為Z=0.3 m，當(dāng)Z=0 m、Z=0.5 m時(shí)熱舒適度和溫度均勻性較差，不建議在此位置敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席。

在相同供回水溫度下，地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)的末端溫度要高于豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)，建議根據(jù)用戶熱需求和具體敷設(shè)形式適當(dāng)調(diào)整供回水溫度達(dá)到節(jié)能目的。