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成都装超薄地暖与湿式地暖房间热环境数值分析

2018-11-20

为了进一步完善干式地暖研究,了解干式地暖房间的热环境特点及系统的节能情况,掌握其热工特性,以成地暖建筑为模拟对象,建立辐射供暖房间传热物理模型,利用Ansys软件,采用数值计算与理论分析相结合的研究方法,将干式地暖与湿式地暖的房间热环境进行比较。结果表明,在相同的进出水温度及室外计算温度条件下,干式地暖的室内温度、地板辐射温度、地板散热量均高于湿式地暖,且干式地暖比湿式地暖更节能。

低温热水地板辐射采暖因其舒适、节能等特点在我国北方得到了广泛应用,传统的地暖形式又称为湿式地暖。

近几年,随着技术的进步,我国从欧洲引入一种新型的节能地暖,该系统因相对于传统地暖无混凝土回填,故取名干式地暖。又因其无填充层,相对于普通地暖减少了占用层高,故又名超薄地暖。

对于干式地暖与湿式地暖的对比研究,目前国内的成果仅限于各自结构层内盘管管径、排管间距、材料层厚度对传热量的影响,而对于房间的热环境及系统的节能率等状态参数的比较,目前尚无研究成果出现[1-2]。

在前人的研究基础上,通过数值计算方法,对干式地暖与湿式地暖的热工特性参数进行对比分析,旨在为今后工程设计中参数的选择及系统的优化改造提供一些借鉴。

1 干式地暖与湿式地暖

低温热水地板辐射采暖是一种在房间地面下埋设供暖盘管,通过温度不超过60℃(民用建筑供水温度宜采用35℃~50℃,供回水温差不宜大于10℃)的低温热水为载热介质来加热地面,再以整个地面作为散热面,通过辐射为主、对流为辅的换热形式向室内房间传热的供暖方式[3]。

该系统因其结构层的不同,又分为湿式地暖和干式地暖两种。

(1)湿式地暖

湿式地暖结构如图1所示,该系统首先在结构层上方铺设导热系数不大于0.05W·m-1· K-1、厚度不小于20mm的绝热材料聚苯乙烯泡沫塑料作为保温层来阻挡热量的向下传递;

之后在保温层上方加装反射膜无纺布基铝箔作为超导层来强化传热,反射膜上方铺设地热管线,一般为PE-RT、PE-X或PB管,采用石子粒径不大于10mm、水泥砂浆体积比不小于1:3、混凝土强度等级不小于C15的豆石混凝土进行回填;

最后在填充层上方进行找平,并铺设装饰材料。保证湿式地暖系统整体占用空间高度约为8cm。
 

(1)干式地暖

干式地暖又可称为超薄地暖,其结构如图2所示。

与湿式地暖相比,干式地暖不设填充层,保温层采用预制的环保挤塑保温成型板XPS,加热管线镶入预制模块凹槽内,加热管上方直接铺设地表装饰材料,地暖模块整体厚度为3.5cm。

该系统无混凝土回填,重量轻,降低了结构层的荷载;避免了由于热应力引起的地面开裂现象;由于保温层厚度的增加,减小了热量的向下传递,提高了系统的热效率;同时该系统还具有安装维修方便、占用空间小、升温快、更节能等优点;但由于其没有混凝土蓄热回填,故干式地暖的蓄热能力不及湿式地暖。

 

2 传热模型

2.1 物理模型

以大庆地区的采暖住宅为分析对象,房间尺寸为5000mm×3000mm。

这一住宅外墙采用复合节能外保温结构墙体,即20mm水泥砂浆加370mm普通砖加10mm水泥砂浆加50mm聚苯乙烯泡沫塑料板加20mm水泥砂浆[4]。

传热边界为第三类边界条件,传热系数为23.26W·m-2·K-1,内表面发射率为0.9。其材料物性见表1。

2.2 求解控制参数的设定

选用流动方程、能量方程、辐射方程[6]。

离散格式采用PRESTO!、QUICK及二阶迎风格式,欠松弛系数采用标准值,求解格式采用AMG格式,循环类型压力为V型,动量、流动、能量、DO均为FLex型。

2.3 控制方程

流体流动遵循物理守恒定律,即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。

以上几种基本定律所对应的控制方程分别如下[7]。

连续性方程:

动量方程:

 

能量方程:

 

3 计算结果

在整个数值计算的过程中,两种不同的供暖方式采用相同的初始条件及边界条件,即满足供暖进水温度50℃、回水温度40℃,大庆冬季室外计算温度为-26℃[8]的条件,这样才能得出合理的结果。

除地热管线外,无其他内热源,忽略门窗渗透风及人员活动对流场的扰动,其计算结果如下。

3.1 室内温度及气流矢量分布

通过对具体的数值进行计算,得出房间内的温度分布及速度矢量分布,其结果如图3~图8所示。

3.2 竖向空气温度分布

房间净高3m,其竖向空气温度分布如图9所示。

3.3 室内平均温度、地板平均辐射温度及地板散热量

房间内的空气平均温度、地板表面平均辐射温度及地板总散热量如表2所示。

 

4 结果分析

通过对干式地暖及湿式地暖的数值进行计算,得出以下结论:

(1)从温度云图及等值线图可以看出,无论湿式地暖还是干式地暖,室内温度分布都较均匀,靠近辐射源(地面)处空气温度较高,外墙、地板、顶棚附近处等温线比较密集,空气温度梯度相对较大;房间中心位置温度高,气流在中间处上升,遇冷壁面下降,房间的气流速度不高于0.02m·s-1。在相同的供回水温度下,干式地暖房间比湿式地暖房间温度更高。

(2)传统的采暖方式,房间的顶部温度大约是30℃,而人体所处的位置尤其是脚部仅有15℃,甚至更低,房间的温度分布特点是上热下冷。而湿式地板辐射采暖的脚部温度为25.3℃,头部温度为21.4℃,温差大约为4℃;干式地板辐射采暖的脚部温度为30.2℃,头部温度为26.3℃,温差大约为6℃。地板辐射采暖的房间温度分布特点是下热上冷,即脚热头冷,这一特性符合人体的舒适性要求。

(3)地板辐射采暖的特点分为几部分:

房间的竖向温度分布较均匀;

临近地面0.2m以内,温度梯度较大,湿式地暖温度波动范围是21℃~25℃,干式地暖温度波动范围是26℃~30℃,原因是地板温度相对较高,空气的对流换热系数较大,热流密度较高;

在稳态传热时,人员活动区域温度梯度较小,温度变化范围在0.05℃~0.1℃之间,温度较高(两种采暖方式温度均在20℃以上),符合人体的舒适度及供暖要求(国标规定冬季室内设计参数为18℃~22℃)。

(4)在相同的供回水温度下,干式地暖房间内的空气平均温度比湿式地暖房间高出4.9℃,地板平均辐射温度干式地暖比湿式地暖高出5.1℃,干式地暖地板散热量比湿式地暖高出19.93W。可见,干式地暖比湿式地暖更具有节能优势,且其节能率较传统湿式地暖高出11.6%。

参考文献

[1] 黎天标,秦红.地板辐射采暖系统的研究进展[J].建筑节能,2016,44(4):15-18.

[2] 夏燚,张小松,汪峰.干式地板辐射供暖系统特性的试验研究[J].流体机械,2015,43(8):59-63.

[3] 丁传炜.基于 Web-IOU 的大型企业网的设计与开发[J].长春大学学报,2015(8): 32-37.

[4] Zhang Daying ,Zhuang Weidong ,Gong  Keqin. Simulaton study on the radiant tube installation height for the Gas-infrared heated system[J].Advanced  Materials Research,2013,614(1): 239-244.

[5] GB 50736-2012.民用建筑采暖通风与空气调节设计规范[S].北京:中国计划出版社,2012.

[6] 杨忠国,郭胜杰,郭志龙.混合通风与置换通风数值模拟的对比研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2015,27(3):84-87.

[7] 朱红钧,林元华,谢龙汉.流体分析及仿真实用教程[M].北京:人民邮电出版社,2010.

[8] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社,2008.


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