多孔豎板輻射供暖室內(nèi)溫度分布數(shù)值模擬研究

劉園 王登甲

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

輻射采暖末端是低溫輻射采暖系統(tǒng)是采用低于60 ℃的低溫水作為熱媒，通過直接埋入建筑物地板內(nèi)的塑料盤管輻射換熱，通過輻射和對流兩種方式將熱量傳遞給室內(nèi)的供暖形式，按照輻射板布置位置可分為地板輻射采暖末端,天花板輻射采暖末端和墻面輻射采暖末端[1]。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對墻體輻射末端系統(tǒng)的散熱特性及其室內(nèi)熱環(huán)境特性進行了研究，費玉敏[2]搭建墻面輻射供暖系統(tǒng)實驗臺，研究不同面層（有孔蜂窩鋁板和無孔蜂窩鋁板）條件下新型輻射供暖地面和墻面構(gòu)造的熱工性能，提出水溫與表面溫度和熱流密度簡化計算公式。T.Mikeska[3]建立了帶有輻射冷卻系統(tǒng)的試驗室CFD 模型。利用室內(nèi)實測溫度和風(fēng)速對CFD 模型進行驗證，并進行參數(shù)分析，表明了擴散頂棚入口面積，輻射墻冷卻功率，內(nèi)熱增益以及輻射冷卻墻面積和位置對室內(nèi)熱舒適性和室內(nèi)通風(fēng)問題的影響。B.I.Kilkis[4]開發(fā)了一種復(fù)合輻射墻板，該墻板在中等溫度下共同執(zhí)行加熱，通風(fēng)和空調(diào)任務(wù)，從而可以直接利用低焓能源。此外，施冠羽[5]將墻面式采暖與相變材料結(jié)合，通過模擬研究了相變墻體的蓄放熱特性。趙玉倩[6]對墻體輻射采暖系統(tǒng)進行了研究，提出了墻體局部鋪設(shè)熱水盤管的概念。利用Fluent 建立了墻體傳熱模型，對墻體的熱工性能進行了模擬。

目前關(guān)于輻射墻體供暖系統(tǒng)的研究，多集中在傳統(tǒng)的濕式結(jié)構(gòu)中，為了提升輻射供暖對間歇運行系統(tǒng)的適宜性、克服地面多孔架空系統(tǒng)衛(wèi)生差的問題，本文在新型地板輻射供暖末端[7]的基礎(chǔ)上，提出了一種新型多孔供暖豎板結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的方式，分析其室內(nèi)熱環(huán)境的特征。

1 多孔供暖豎板物理結(jié)構(gòu)

多孔輻射供暖豎板其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，依次為建筑墻體、保溫層、鋁箔反射層、加熱盤管、空氣夾層、供暖豎板（面板上開有小孔）。系統(tǒng)運行原理：室內(nèi)冷空氣通過面板下側(cè)孔流入夾層中，在夾層中受豎向熱壓作用，冷空氣上升與加熱盤管對流換熱而被提高溫度，進而從上部小孔流出豎板，依次循環(huán)起到對室內(nèi)加熱供暖的目的。

圖1 多孔輻射供暖豎板結(jié)構(gòu)

2 模擬相關(guān)設(shè)置

2.1 物理模型及邊界條件

根據(jù)前期的實驗研究，由于輻射豎板孔口處的空氣流動，輻射豎板傳熱過程屬于三維傳熱過程。多孔豎板輻射供暖房間的尺寸為3.6 m×3.3 m×2.8 m（長×寬×高），墻體按絕熱墻體處理。輻射豎板供暖末端中熱水盤管管徑為20 mm，豎板上圓孔直徑為20 mm。

輻射豎板系統(tǒng)內(nèi)部熱水盤管表面為第一類定壁溫邊界條件：

式中：tp為熱水盤管外壁面溫度，℃；tw為供水溫度，℃。

輻射豎板為對流輻射耦合邊界條件，豎板上圓孔為內(nèi)部邊界，天花板及其它墻體邊界條件為第二類絕熱邊界條件。

2.2 模擬工況

本次數(shù)值模擬對輻射豎板末端的供水溫度、盤管間距，孔口直徑，布孔密度和夾層厚度等影響因素進行數(shù)值模擬。模擬選取的工況為：供水溫度35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃。盤管間距100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm。孔口直徑0 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm。布孔密度2 排、4 排、8 排、9 排。夾層厚度100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm。

3 實驗驗證

在人工氣候室內(nèi)搭建輻射豎板供暖實驗系統(tǒng)，輻射豎板供暖實驗系統(tǒng)由熱源，輻射豎板供暖末端以及輸配管道組成。多孔強化對流型輻射豎板實驗工況如下：9 排孔，供水溫度55 ℃，盤管間距200 mm，孔口直徑10 mm。輻射豎板表面溫度隨時間的變化過程如圖2 所示。

圖2 供水溫度為55 ℃豎板表面溫度實驗與模擬值對比

從圖2 可以看出，輻射豎板表面溫度隨時間的變化數(shù)值模擬與實驗測試差異很小，基本上處于同步增長趨勢，隨后實驗溫度變化不大，實驗?zāi)M溫度略有升高，最終狀態(tài)下二者差異0.8 ℃，誤差約為2.57%。與實驗測試相比，數(shù)值模擬的結(jié)果偏大，這主要是由于在數(shù)值模擬設(shè)置中，直接將豎板背板設(shè)置為絕熱邊界條件，忽略熱水管道經(jīng)過鋁箔層，保溫層和墻體后向室外散失的熱量，因此使得數(shù)值模擬結(jié)果偏大，但其誤差在可接受的范圍內(nèi)。

以上結(jié)果表明，該輻射豎板換熱模型與實驗條件下輻射豎板散熱結(jié)果吻合良好，認(rèn)為該模型，邊界條件和求解方式準(zhǔn)確可信，可以使用該模型對于輻射豎板供暖系統(tǒng)進行更多參數(shù)變化的數(shù)值模擬研究。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 輻射豎板表面溫度及熱流分布

供水溫度的大小直接影響著熱水盤管管壁溫度，夾層空氣溫度以及豎板表面溫度，從而影響室內(nèi)溫度場，因而，供水溫度是影響輻射供暖系統(tǒng)散熱特性的重要研究因素之一。

穩(wěn)定狀態(tài)時不同供水溫度下豎板表面溫度及熱流密度如圖3 所示。由于建筑室內(nèi)面積差異，輻射豎板敷設(shè)面積會有差別，為了研究普適性規(guī)律，主要針對豎板系統(tǒng)各部分熱流密度進行研究，對供水溫度與輻射豎板表面熱流密度、孔口熱流密度、總熱流密度進行了曲線擬合，得到擬合曲線如圖3 中虛線所示。

圖3 穩(wěn)定狀態(tài)時不同供水溫度下豎板表面溫度及熱流密度

從圖3 中可以看出，豎板表面熱流密度隨著供水溫度的升高呈現(xiàn)出明顯的線性增加趨勢，供水溫度為35 ℃、45 ℃、55 ℃，豎板表面溫度和熱流密度分別為294.86 K、297.17 K、299.66 K 和21.33 W/m2、34.12 W/m2、47.91 W/m2，供水溫度每升高10 ℃，輻射豎板表面溫度升高約3 ℃，熱流密度增加約為13 W/m2。

當(dāng)盤管間距為200 mm 時，不同供水溫度下豎板表面溫度分布如圖4 所示：

圖4 不同供水溫度下輻射豎板表面溫度分布圖

從圖4 中可以看出，隨著供水溫度的升高，輻射豎板表面溫度分布規(guī)律類似。由于該工況選取的盤管間距為200 mm，可以看出溫度峰值以200 mm 為一個周期，峰值溫度不是處于中間位置，而是有向右移動的趨勢，造成這種現(xiàn)象的主要原因是在熱壓作用下，夾層空氣與盤管換熱后，夾層空氣密度變化，向上流動后與豎板進行換熱。隨著供水溫度的升高，輻射豎板表面溫度分布的差值逐漸增加。當(dāng)供水溫度為35 ℃時，溫度峰谷值差異約為1.0 ℃，而當(dāng)供水的溫度升高至65 ℃時，溫度峰谷值差異約為2.3 ℃，升高1.3 ℃。

表1 為不同工況下輻射供暖豎板數(shù)值模擬表面溫度、熱流密度等的具體數(shù)值。

表1 不同工況下輻射供暖豎板表面溫度、熱流密度等數(shù)值

4.2 輻射豎板供暖房間熱環(huán)境

在盤管間距200 mm、供水溫度55 ℃、孔口直徑20 mm 時，輻射豎板供暖房間空氣溫度及流速如圖5所示，輻射豎板供暖房間室內(nèi)流速分布云圖具體如圖6 所示。

圖5 溫度風(fēng)速分布圖

圖6 輻射豎板供暖房間空氣流速分布

從圖5 可知，在垂直方向上，房間溫度基本上呈現(xiàn)出線性增長趨勢，人體腳踝處0.1 m 時空氣溫度約為18.9 ℃，頭部1.7 m 時空氣溫度約為21.0 ℃。房間內(nèi)風(fēng)速整體變化不大，風(fēng)速在接近房間頂部時增加至0.2 m/s。而在水平方向上，室內(nèi)空氣溫度分布均勻，基本保持在21.1 ℃左右，水平方向上風(fēng)速變化不大，不會給人體帶來吹風(fēng)感，造成熱不舒適。

從圖6 可以看出，實驗房間內(nèi)風(fēng)速較大的區(qū)域處于房間的上部，高度約為2 m，風(fēng)速約為0.25 m/s，其次是房間的底部，人體腳踝處位置，在人體主要活動區(qū)域0.6～1.7 m 之間，空氣流速低于0.1 m/s。房間內(nèi)空氣流動主要是貼壁流動，房間冷空氣與夾層通道內(nèi)空氣形成自然循環(huán)，對于人體主要活動區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速影響較小，因此強化對流型輻射豎板不會對室內(nèi)人體帶來吹風(fēng)感，從而引起不舒適。

5 結(jié)論

1）在不同供水溫度下夾層空氣溫度分布相似，整體上呈現(xiàn)出明顯的分層效果，供水溫度每升高10 ℃，輻射豎板表面溫度升高約3 ℃，熱流密度增加約為13 W/m2。

2）室內(nèi)空氣溫度在垂直方向上呈現(xiàn)出線性增長趨勢，人體腳踝處0.1 m 時空氣溫度約為18.9 ℃，頭部1.7 m 時空氣溫度約為21.0 ℃。而在水平方向上，室內(nèi)空氣溫度分布均勻，基本保持在21.1 ℃左右，室內(nèi)空氣溫度整體分布均勻。

3）室內(nèi)空氣流速較大的區(qū)域處于房間的上部，高度約為2 m，風(fēng)速約為0.25 m/s，其次是房間的底部，人體腳踝處位置，在人體主要活動區(qū)域0.6～1.7 m 之間，空氣流速低于0.1 m/s。