模塊式地板輻射采暖系統的性能研究

展海風,李云

(邯鄲市熱力公司,河北 邯鄲 056000)

低溫地板輻射采暖由于其舒適性高、衛生條件好、能充分利用各種低品位能源等優點而越來越受到人們的關注,是當今較為先進的一種采暖方式,也是目前國內外公認的最為理想的采暖方式[1-4]。雖然地板輻射采暖具有很多優點,但現在普遍使用的傳統濕式施工地板輻射采暖也存在一些問題,如增加建筑荷載、維修困難等[5]。而模塊式地板輻射采暖則可以克服濕式施工的缺點。

1 模型的建立

盤管采用雙回型布置方式,即是高溫管低溫管相間布置,易于造成“均化”的效果。所以選擇雙回型布置方式建立數學模型[6]。

1.1 實際結構模型的簡化

除邊緣管子外,其它各盤管間的溫度分布基本相同,又是以盤管中心線為對稱的,故為計算方便可只取一組供、回水管之間的平板部分為計算模型。模型的網格劃分如圖1所示。

當地板輻射采暖系統達到穩定之后,室內空氣溫度的波動幅度很小,地板輻射采暖的傳熱過程可以看作穩態傳熱。

模塊式地板輻射采暖系統的傳熱為一個三維的傳熱過程,但由于盤管直線長度與地面層結構整個厚度及盤管間距相比大很多,沿盤管長度方向溫度變化很小,溫度梯度很小,因此可忽略該方向的傳熱,認為地面層的傳熱過程是一個二維的傳熱過程,并且地面內部無內熱源。

地面層結構是一個多層復合體,可認為各層材料緊密接觸,不考慮接觸熱阻。

因為各層材料是均質恒物性,對敷設塑料管的復合層可用表觀當量導熱系數處理。

1.2 數值模擬的控制方程與定解條件

模塊式低溫熱水地板輻射采暖系統換熱過程可以分為三個階段來考慮。第一階段,盤管內的水與管壁的對流換熱;第二階段,通過盤管管壁、模塊層、結合層、裝飾面層和地面表面的熱量傳導;第三階段,地面表面與房間內空氣和其它表面的對流換熱和輻射換熱。

1)盤管內的水與管壁的對流換熱:供、回水管作為熱源,不斷向混凝土層傳熱,在內管壁與水接觸處

式中tb—供回水平均溫度,℃。

2)盤管管壁和地面表面的熱量傳導:整個平板的傳熱過程可簡化為一個二維的傳熱過程,并且平板內部無內熱源。由此,計算模型劃分的每一個網格單元滿足如下的導熱微分方程

在低溫地板輻射供暖系統中,為防止地面邊緣的熱量損失,地面四周采用輕型保溫材料,可近似認為絕熱。由于平板內溫度場的對稱性,對每一個計算單元,沿著 x軸的兩個表面可近似認為絕熱 ,即

為了減少地面向下的熱量損失,在混凝土樓板上常采用聚苯乙烯這種輕型保溫隔熱材料,該材料的導熱系數很小,為計算方便近似認為樓板底層為絕熱層,其邊界條件為

3)地面表面與房間內空氣和其它表面的對流換熱和輻射換熱:在地板輻射采暖房間中,對流換熱和輻射換熱同時進行,輻射換熱占主導地位,大部分熱量通過地面,以熱輻射的形式向外傳遞;其次是自然對流換熱。室內空氣與各表面間的對流換熱情況直接影響室內氣溫,地面表面的輻射傳熱將使房間其他表面溫度升高,使得室溫與壁面間的傳熱溫差減小,間接影響室溫的變化。由于室內空氣不以散熱、吸熱和再發射等形式參與輻射,因此對流換熱和輻射換熱可認為是相對獨立的。其計算公式如下

輻射換熱量

隨著我國社會經濟的不斷發展,我國高速公路的建設規模也在不斷擴大。相信隨著我國公路橋梁建設技術的研究，能夠適應更加復雜地勢環境的橋梁施工應用技術也會隨之而生，為我國公路橋梁的施工建設再添輝煌。

對流換熱量

一般情況下,可用綜合換熱系數來考慮對流和輻射兩方面的效應,即

地面表面和房間的換熱可表示為

式中 tf—模塊溫度,℃;ta—室內空氣溫度,℃;tAUST—非加熱表面平均溫度,℃;α0—綜合換熱系數,W/(m2?℃);αd—對流換熱系數,W/(m2?℃);αr—輻射換熱系數,W/(m2?℃)。

綜上所述,式(1)～式(8)構成了模塊式低溫熱水地面輻射采暖系統數值模擬的控制方程和定解條件。

2 數值模擬結果與分析

2.1 盤管間距對地面表面溫度的影響

在模塊厚度一定時,不同的盤管間距將導致不同的地面表面溫度分布。圖3是盤管間距200mm和250mm,室內設計溫度為20℃,供回水平均溫度為30℃時的地面表面溫度的變化情況,可見盤管間距越大,地面表面溫度越低,溫度分布越不均勻。距離加熱管越近,溫度越高,兩管中間處溫度最低。

2.2 平均溫度對地面溫度的影響

盤管間距、模塊厚度一定的情況下,隨著供回水平均溫度的變化,地板表面平均溫度相應的也發生變化。圖4為當盤管間距為200mm時不同供回水平均溫度下地板表面溫度分布圖,從圖中可以看出,隨著供回水平均溫度的增加,地板表面溫度升高,地板表面溫度均勻性變差。

2.3 平均溫度和管間距對地面熱流密度的影響

3 實驗測試與結果分析

為了驗證數值模擬的準確性,對模塊式地板輻射采暖系統進行了實驗研究,測試其實際地面溫度分布和空間溫度分布。

實驗房間為朝向正南帶有外窗和門的內套間,長7.5m,寬6m,高3.65m;西墻和南墻為外墻,北墻和東墻為內墻;外窗為單層鋼窗。

由于地板采暖的熱惰性很大,為保證測量狀態的穩定、準確,必須使地面表面溫度和室內空氣溫度在一段時間內沒有明顯的變化。測試時間內室外氣溫變化范圍為-2℃～-4℃,對地板輻射管間距為200mm、供回水平均溫度30℃的工況進行了測量,整理實驗數據初步得到了模塊式低溫熱水地板輻射采暖系統運行的基本規律。

1)地表面溫度分布:圖6是相鄰兩管間地板表面溫度模擬計算值與實際測量結果的比較。可以看出,實際測試值比模擬計算值稍高,兩管中間處的溫度的計算值與測量值的誤差較大。這種情況形成的原因主要是在建立數學模型時的假定與實際情況有一定的差異。在地面傳熱的過程中僅考慮了地板采暖通過構造層向室內散熱的效果,而沒有計入因保溫層及構造層水平方向導熱所帶來的地面構造層內溫度分布均化的影響。由圖可以看出,模擬計算值地面表面最大溫差為1.14℃,而實際測量值最大溫差只有0.76℃。說明模塊式地板輻射采暖的地面表面溫度分布還是比較均勻的,能夠滿足人體的舒適性要求。

2)豎直方向上溫度分布:圖7描述了房間豎直方向上的溫度分布情況。從曲線可以看出,地面表面溫度較高,隨著高度的增加溫度降低,在距離地面約40cm處溫度基本達到穩定,在距離天花板60cm處開始,溫度降低。在2m以下人員活動的區域,溫度分布均勻,滿足人體的舒適度需要。

4 結束語

供回水平均溫度和管間距是影響模塊式地板輻射采暖地面板體傳熱的主要因素。隨著供回水平均溫度的增加,散熱量增加,地板表面溫度升高,地面表面溫度均勻性變差。盤管間距越大,地面表面溫度越低,溫度分布越不均勻。這種新型的模塊式地板輻射采暖系統具有安裝更加方便,可以有效的減輕建筑荷載等優點,豐富和完善了地板采暖技術的應用,是適應我國建筑條件和住宅產品多元化需求的有益探索和實踐。

[1] 凌繼紅.低溫熱水地板輻射供暖系統的性能研究[J] .煤氣與熱力,2003(3):143-145.

[2] 宗立華.塑料埋管地板輻射采暖的熱性能分析[J] .煤氣與熱力,2000(1):18-20.

[3] 王榮光.低溫地板輻射采暖[J] .煤氣與熱力,1999(4):53-55.

[4] 賈俊英.埋管地板輻射供暖技術節能分析[J] .煤氣與熱力,2002(6):526-528.

[5] 趙玉新.模塊式地板輻射供暖系統[J] .煤氣與熱力,2005(9):26-29.

[6] 朱家玲,苗常海.地板輻射采暖空間溫度場的數值模擬[J] .太陽能學報,2005(4):493-496.