模塊化供暖板供暖性能影響因素的數(shù)值模擬

陳剛 任雪妍 陳瑾

1 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室

2 裝配式建筑節(jié)能技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

地板輻射采暖系統(tǒng)因其良好的熱舒適性、節(jié)能衛(wèi)生等優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注，但存在維修不便、增加了建筑荷載等缺點(diǎn)[1-2]。本文提出以與地面裝飾材料尺寸相同的模塊化的輻射板作為供暖末端，避開家具放置處并間隔不相鄰鋪設(shè)于人員主要活動(dòng)區(qū)域，這種供暖方式與傳統(tǒng)地暖供暖方式相比，可在管路出現(xiàn)故障時(shí)降低維修工作量。

1 物理模型

本文以尺寸為400 mm×400 mm×70 mm（長(zhǎng)×寬×高）的輻射板模塊為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬。輻射板結(jié)構(gòu)從上至下分別為10 mm 厚的裝飾面層、30 mm 厚的填充層、30 mm 厚的保溫層（圖1）。熱水管為管徑16 mm 的PB 管，管間距分別為50 mm、100 mm、150 mm，輻射板物理模型如圖2 所示。

圖1 輻射板結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 輻射板物理模型

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 傳熱機(jī)理

輻射板的傳熱過程包括三個(gè)部分：盤管內(nèi)的熱水與盤管管壁的對(duì)流換熱，管壁與裝飾面層的熱傳導(dǎo)，輻射板與房間內(nèi)的空氣及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱和輻射換熱。

2.2 控制方程

盤管內(nèi)熱水的流動(dòng)遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。

1）連續(xù)性方程[3]

式中：ρ 為水的密度，kg/m3；t 為時(shí)間，s；u 為熱水的流速，m/s。

2）動(dòng)量守恒方程

式中：f 為單位質(zhì)量流體質(zhì)量力矢量，m/s2；P 為應(yīng)力張量，Pa；p 為壓強(qiáng)，Pa；τ 為粘性應(yīng)力張量，Pa；μ 為分子動(dòng)力粘性系數(shù)，Pa·s；S 為變形速率張量，s-1。

3）能量守恒方程[4]

輻射板在供暖過程中，輻射板與室內(nèi)的空氣和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱與輻射換熱同時(shí)進(jìn)行，故用復(fù)合換熱系數(shù)來表示其綜合效應(yīng)。

1）復(fù)合換熱系數(shù)α

式中：αd為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；αr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

2）對(duì)流換熱系數(shù)

Alamdari 和Hammond[5]提出了一種計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)的方法，計(jì)算公式如下：

式中：αd為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；l 為定性尺寸，m；Δt 為地板表面與空氣溫度之差，一般取6～8 ℃。

3）輻射換熱系數(shù)

式中：αr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tf為表面平均溫度，℃；tAUST為非加熱表面平均溫度，℃；ta為室內(nèi)空氣溫度，℃。

3 數(shù)值求解

3.1 網(wǎng)格劃分

采用ICEM 軟件對(duì)輻射板的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整體采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在熱水管進(jìn)口和出口進(jìn)行了網(wǎng)格加密，從而提高模擬精確度。模型包括裝飾面層，填充層，保溫層和熱水流域四個(gè)計(jì)算域，不同計(jì)算域的交界面設(shè)置成interface 以確保數(shù)據(jù)的傳遞。圖3 所示為管間距為100 mm 的輻射板的部分網(wǎng)格圖，網(wǎng)格數(shù)量為66 萬左右。

圖3 輻射板網(wǎng)格劃分圖

3.2 邊界條件

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)輻射板的傳熱模型做出以下假設(shè)：輻射板各層結(jié)構(gòu)緊密接觸，忽略接觸熱阻。各層材料均質(zhì)且恒物性。輻射板在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行傳熱。輻射板各層結(jié)構(gòu)材料的物性參數(shù)見表1。

表1 材料物性參數(shù)表

由于輻射板表面和室內(nèi)空氣、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的換熱方式為對(duì)流和輻射換熱，故輻射板表面的邊界條件設(shè)為“mixed”，用復(fù)合換熱系數(shù)表示其綜合效應(yīng)，該模擬中室內(nèi)計(jì)算溫度為18 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)中的計(jì)算方法可知綜合換熱系數(shù)9.24 W/(m2·K)[6]。盤管進(jìn)口設(shè)置為速度入口，給定供水溫度與流速，出口設(shè)為outflow，流固耦合交界面設(shè)為Coupled Wall，其它邊界設(shè)為絕熱壁。速度—壓力耦合采用SIMPLE 算法，一階迎風(fēng)格式。

3.3 模擬工況的設(shè)定

數(shù)值模擬過程中用到的模擬參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值模擬參數(shù)表

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

地板輻射供暖中地板表面平均溫度和熱流密度是兩個(gè)很重要的熱工參數(shù)。規(guī)范中規(guī)定人員長(zhǎng)期停留區(qū)域的地表面平均溫度范圍為25～27 ℃，最高不超過29 ℃。熱流密度是單位時(shí)間單位面積的散熱量，其值的大小反映了供暖系統(tǒng)的供暖能力。

4.1 供水溫度對(duì)表面溫度分布及熱流密度的影響

本節(jié)僅給出盤管間距為100 mm，供水流速為0.8 m/s，供水溫度分別為26 ℃、34 ℃時(shí)輻射板表面的溫度分布云圖，分別如圖4、5 所示。

根據(jù)所得的溫度分布云圖，輻射板表面平均溫度，熱流密度與供水溫度的關(guān)系如圖6、7 所示。盤管間距和供水流速一定時(shí)，隨著供水溫度的增加，輻射板表面平均溫度隨之增加。供水溫度的增加，增大了輻射板表面與室內(nèi)空氣溫度的溫差，相應(yīng)的表面熱流密度也隨之增大。熱流密度隨水溫的變化要比表面平均溫度隨水溫的變化更為明顯。

圖4 供水溫度為26 ℃時(shí)的表面溫度分布云圖

圖5 供水溫度為34 ℃時(shí)的表面溫度分布云圖

圖6 供水溫度與表面平均溫度的關(guān)系圖

圖7 供水溫度與表面熱流密度的關(guān)系圖

如圖8 所示，為滿足輻射板表面平均溫度在25～27 ℃之間，保證供暖房間的熱舒適性，管間距為50 mm 時(shí)，合適的供水溫度為26～28 ℃。管間距為100 mm 時(shí)，合適的供水溫度為28～30 ℃。管間距為150 mm 時(shí)，合適的供水溫度為28～30 ℃。

圖8 不同供水溫度及管間距下的表面平均溫度

4.2 供水流速對(duì)表面溫度分布及熱流密度的影響

如圖9、10 所示，管間距為100 mm 時(shí)，供水溫度一定，輻射板表面的平均溫度及熱流密度隨盤管內(nèi)供水流速的增加而增大，但增加的趨勢(shì)逐漸減緩，當(dāng)流速為0.8 m/s 時(shí)再增大流速對(duì)表面溫度分布已無明顯影響，且較大的流速會(huì)增加水泵的能耗，綜合考慮供熱要求與運(yùn)行成本，管間距為100 mm 時(shí)，供水流速為0.8 m/s。增大流速可提高輻射板的散熱能力，且供水溫度越高時(shí)，增大流速，供熱量增加的越多。

圖9 供水流速與表面平均溫度的關(guān)系圖

圖10 供水流速與表面熱流密度的關(guān)系圖

4.3 管間距對(duì)表面溫度分布及熱流密度的影響

如圖11、12 所示，在供水溫度與供水流速一定時(shí)，隨著管間距的增大，輻射板表面平均溫度和熱流密度有所減小，管間距越大，表面平均溫度和熱流密度降低的幅度越小。管間距越大，隨著供水溫度的升高，表面平均溫度和熱流密度上升的越慢。

圖11 管間距與表面平均溫度的關(guān)系圖

圖12 管間距與表面熱流密度的關(guān)系圖

管間距對(duì)輻射板表面溫度的影響主要體現(xiàn)在表面溫度的均勻性，管間距的增大會(huì)增加表面溫度的最大差值，即管間距越大，表面溫差越大，均勻性越差。

為滿足室內(nèi)供暖要求，可通過提高供水溫度和縮小管間距來提高其散熱量，但縮小管間距的同時(shí)增加了管長(zhǎng)，提高了初投資，所以供水溫度與管間距要合理匹配?？紤]到輻射板表面溫度的均勻性和經(jīng)濟(jì)成本，輻射板管間距為100 mm 較為適宜，供水流速為0.8 m/s，供水溫度為28～30 ℃，可保證舒適的熱環(huán)境。

5 結(jié)論

建立尺寸為400 mm×400 mm×70 mm（長(zhǎng)×寬×高）的輻射板的物理模型，運(yùn)用CFD 數(shù)值模擬方法，對(duì)不同供水溫度，供水流速和管間距下的輻射板表面平均溫度和熱流密度進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）輻射板表面平均溫度與熱流密度與供水溫度成正線性關(guān)系，供水溫度是影響輻射板傳熱最主要因素。

2）供水溫度一定時(shí)，輻射板表面平均溫度及熱流密度隨盤管內(nèi)供水流速的增加而增大，但增加的趨勢(shì)逐漸減慢，當(dāng)流速為0.8 m/s 時(shí)，再增加流速對(duì)散熱量已無明顯影響。

3）縮小管間距有利于提高輻射板表面溫度的均勻性，但過小的管間距會(huì)增加初投資，根據(jù)模擬結(jié)果可得，為滿足室內(nèi)供暖要求，最佳方案為：管間距為100 mm、供水流速為0.8 m/s、供水溫度為28～30 ℃。