（化学工程专业论文）新型辐射供能系统理论和实验研究.pdf

摘要 随着能源危机的日益严重和人们对居住环境要求的不断提高，辐射供能这一 舒适、节能的供暖、制冷系统逐渐兴起，但现有辐射供能系统存在许多弊端。基 于此点，本文提出了一种新型辐射供能系统。该系统通过综合利用墙体和地板的 导热性能，仅将金属管路布在踢脚线内，即可满足室内供能需求，同时消除现有 系统的一些弊端。本文对该系统进行了理论和实验研究。 文中建立了该新型系统的理论模型，并用有限元分析软件a n s y s 对其传热性 能进行数值模拟，分别考察了几个主要因素对系统的温度场分布、供能面热通量 等参数的影响，评价系统的供能效果。在这些影响因素中，介质温度对供能效果 的影响最大；其次是埋管位置的影响，并且埋管位置影响辐射面温度分布及热流 通量的曲线走势；增大埋管管径或提高强化传热层的性能，也能对供能效果有明 显的促进；环境温度对供能效果基本上没有影响。分析结果表明，该系统供能效 果良好，对能源品味要求较低，可直接利用地热、太阳能等低品位能源；冬季采 用4 0 c 供暖介质就能对1 5 m 2 房间提供5 8 0 w 供暖量，夏季用1 0 制冷介质则可 使对该房间的制冷换热量达5 2 0 w ，并可通过采取措施进一步提高。 本文对该系统进行了实验研究，以天津某地节能示范建筑为主体，建立了新 型辐射供能系统的测试体系，对相关温度参数进行了实时采集，并通过数据分析 以及与理论结果的对比，完成了对理论结果的检验，同时对该系统的实际供能效 果进行了验证。结果表明，该新型供能系统具有较大的实际应用价值，室内温度 夏季可保持在2 6 以下，冬季可保持在1 6 以上；实验和理论计算结果的对比， 证明了本文所建立的理论模型及计算方法具有实用性，计算结果与实验测量值的 偏差在1 0 以内。 关键词：辐射供能温度分布热流通量建筑节能 a b s t i 认c t e n e r g yc r i s i si sm o r ea n dm o r es e r i o u sa n dp e o p l e sr e q u e s tt od w e l l i n gc o n d i t i o n c o n t i n u a l l yi n c r e a s e s ，s or a d i a t i o ne n e r g ys u p p l ys y s t e mi si nt h ea s c e n d a n tb e c a u s eo f i t sc o m f o r ta n de n e r g ys a v i n g n e v e r t h e l e s s ，p r e s e n ts y s t e m sh a v es o m es h o r t c o m i n g s f o rt h i s ，t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan e wt y p er a d i a t i o ne n e r g ys u p p l ys y s t e mt o s o l v et h eq u e s t i o n s t h es y s t e mc a nm e e tt h ee n e r g yr e q u i r e m e n tb yu t i l i z i n gt h eh e a t c o n d u c t i o na b i l i t yo fb o t hw a l la n df l o o rb yb u r y i n gt h em e t a lt u b ei nt h ec o m e r ，a n d i tc a na v o i ds o m ed i s a d v a n t a g e so ff o r m e rs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h es y s t e mi s s t u d i e db o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h et h e o r ym o d e lo fh e a tt r a n s f e ra n da n a l y s e si tw i t h t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s t h em a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r so f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dh e a tf l u xa r es t u d i e da n dt h ee n e r g ys u p p l ya b i l i t yi s e v a l u a t e di nt h et h e s i s a m o n gt h ef a c t o r s ，t h em e d i u m st e m p e r a t u r ei n f l u e n c e st h e e n e r g ys u p p l yt h em o s ta n dt h el o c a t i o no ft h eb u r i e dt u b ea f f e c t st h ec u r v e so f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dh e a tf l u x a tt h es a m et i m e ，e n l a r g i n gt h ed i a m e t e ro f t h e b u r i e dt u b eo ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rl a y e rc a n p r o m o t et h es y s t e m se n e r g ys u p p l ya b i l i t y a tl a s t ，t h ee n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec a n h a r d l ya f f e c tt h es y s t e m sp e r f o r m a n c e t h er e s u l t sf r o mt h ea n a l y s i ss h o wt h a tt h e n e wr a d i a t i o nh e a t i n gs y s t e mi sv e r ye x c e l l e n ti ne n e r g ys u p p l ya n dt h er e q u i r e m e n t s f o rt h ee n e r g ys o u r c e sq u a l i t ya r en o tr i g o r o u s ，s oi tc a nu t i l i z el o wg r a d ee n e r g i e s s u c ha sg e o t h e r m a lo rs o l a re n e r g y i tc a l ls u p p l y5 8 0 wh e a tt oa15 r o o mw i t h 4 0 ch e a t i n gm e d i u mi nw i n t e ra n do f f e r5 2 0 wc o o l i n gp o w e rw i t h i o cc o o l i n g m e d i u mi ns u l n n l e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sa l s oe x e c u t e di nam o d e lb u i l d i n go fe n e r g ys a v i n g i nt i a n j i nc i t yi nt h et h e s i s i tb u i l d su pt h et e s t i n gs y s t e mo ft h en e wr a d i a t i o ne n e r g y s u p p l ys y s t e mt oc o l l e c tt h er e a l - t i m et e m p e r a t u r ep a r a m e t e r t h ev a l i d i t yo ft h e t h e o r e t i c a la n dt h ea c t u a le n e r g ys u p p l ye f f e c t so ft h es y s t e ma r ep r o v e db ya n a l y z i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n di t sc o n t r a s tw i t ht h e o r e t i c a lr e s u l t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a t ：t h en e wr a d i a t i o ne n e r g ys u p p l ys y s t e mp o s s e s s e sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e f o ra p p l i c a t i o na n di tc a nk e e pi n d o o rt e m p e r a t u r eu n d e r2 6 ci ns u m m e ra n do v e r l6 i nw i n t e r t h ec o n t r a s tb e t w e e nt h et h e o r e t i c a lr e s u l ta n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a p r o v e st h a tt h et h e o r e t i c a lm o d e lp u tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o na r ep r a c t i c a l ，a n dt h e t h e o r e t i c a lr e s u l td e v i a t e sf r o mt h ed e t e r m i n e dv a l u ei nt h ee x p e r i m e n tw i t h i n10 k e yw o r d s r a d i a t i o ne n e r g ys u p p l y , t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，h e a tf l u x ， b u i l d i n g se n e r g ys a v i n g 主要符号说明 英文字母 q 一换热速率，w ； q 一热流通量，w m 2 ： 彳一传热面积，m ? ； t一摄氏温度，； c 一比热容，k j ( k g ) ； 主要符号说明 户，一普朗特准数，无因次； g r 一格拉斯霍夫准数，无因次； r e 一雷诺准数，无因次； n u 一努塞尔准数，无因次； u 一流速，m s ； d 一管径，m ； l 一长度，m ； m 一质量流量，k g s ： z 一开氏温度，k ； v 一体积，m 3 ； 希腊字母 a 一对流换热系数，w ( m 2 ) ； 一参数变化量： 6 3 主要符号说明 a 一导热系数，w ( m ) ； ，一运动粘度，m 2 s ； 户一密度，k g m 3 ； r 一时间，s ； 妒v 一内热源强度，w m 3 ； 9 一角系数； 8 一发射率； 下标 c 一对流换热； ，一辐射换热； 7 一壁面参数； 刀一室内参数； w 一水的参数； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 l1 学位论文作者弛李猝签字眺如7 年6 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 繇李埠 签字日期硼7 年6 月j 弓日 签字日期：硼年厶月j 弓日 导师签名： z 7 叶 签字日期：2 叼年6 月侈e l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济的快速发展，能源危机【1 】越来越受到人们的重视，节能技术成为一 项重要的研究课题。在社会总能耗中，建筑能耗所占的比率在3 0 左右，是能源 消耗的一种主要形式，而其中用于暖通空调的能耗又占建筑能耗的一半以上【2 】。 以对流为主要换热方式的传统空调设备，除对能源要求较高外，使用中不仅 增大室内温度梯度引起感觉不适，又会由于尘土飞扬降低室内空气品质。相比之 下，辐射供能不仅可以高效利用太阳能【3 l 等低品位能源，又能提供舒适、洁净的 室内环境。 1 2 辐射供能方式简介 辐射供能是通过改变建筑内墙体、顶棚或地板的温度，并以此为工作面，以 辐射换热为主要传热方式，实现调节房间气温，满足人们对房间舒适度要求的供 能方式。现有的辐射供能方式按供能主体不同可分为：墙体辐射供能、吊顶辐射 供能和地板辐射供能。随着应用的推广，近年来又出现了几种辐射供能方式结合 地板送风或顶棚新风系统的改进方案。 1 2 1 墙体辐射供能 墙体辐射供能是通过燃烧煤、木炭，结合产生的烟道气将墙体进行加热，实 现取暖的传统辐射供能方式。墙体辐射供能是出现最早的辐射供能方式，也是最 早的空调形式【4 】，其主要代表有火墙、壁炉等。墙体供能的出现，极大地改善了 人们的居住条件，并且由于可利用一次能源，系统构成较为简单，便于推广普及， 但由于环境污染、热利用率低等固有缺点而逐渐被其他供能方式所取代。目前， 尚且没有对这种供能方式的进一步研究，本文只是将其列为一种供能方式，不再 作进一步阐述。 1 2 2 吊顶辐射供能 吊项辐射供能是将供能板置于房间顶棚，通过辐射和对流两种换热方式与房 第一章绪论 间进行换热，达到供暖或制冷目的的供能方式。吊顶辐射技术于2 0 世纪7 0 年代源 于欧洲，北美、日本学者也对这种供能方式作了大量研究，近年来开始在我国得 到应用。最初提出吊顶辐射只是用于夏季制冷，随着研究的深入及应用的增多， 又逐渐用于冬季供暖，并且也取得了良好的效果。吊顶辐射的优越性主要表现在 它能提供极佳的热舒适性、较低的运行费用和占用室内空间较小上【5 】。 吊顶辐射主要有供能板式和埋管式两大类，供能板可用钢管或非金属管配以 金属板或石膏、塑料等非金属板制成，不同的板材对供能介质温度的要求不同， 金属板材热响应较快，对介质要求也较低。供能板可按其辐射换热量与对流换热 量的多少进行以下分类：以辐射换热为主的供能顶板称为辐射型供能板；以对流 换热为主的供能顶板称为对流型供能板；对流换热量与辐射换热量相当的供能顶 板称为辐射一对流型供能板【6 】。辐射换热所占比例越大，舒适性越强，因此辐射 型供能板适合于对舒适性要求较高的场所，而对流型供能板的优点则是能提供较 大的供能量。为了通过加大对流换热比例来增大供能总量，可将供能板制成翅片 管，悬吊于顶棚下或嵌入吊顶中，这种供能板能使对流换热量占8 5 以上，总供 能量可达n 8 0 - 1 0 0 w m 2 u ；近年来，针对吊项辐射的研究逐年增加，结合顶棚 新风系统的实际应用也不断涌现。吊顶辐射供能存在的问题有如下几个：用于制 冷时的结露问题；供能能力问题；相对于普通系统的初期投资问题【7 】。 1 2 3 地板辐射供能 地板辐射供能系统是将供能管或供能板置于室内地板中，以此来加热或冷却 地板，并以地面作为辐射面，通过对流和辐射对房间进行换热，从而达到调节室 内温度的目的。最早提出地板辐射供能思想是在十九世纪末的欧洲，二十世纪初， 该技术在英、俄等欧洲国家出现。英国的巴克尔教授和俄国的亚西莫维奇工程师 设计并实现了首批低温热水地板辐射供暖工程，在1 9 0 7 年获得发明专利，标志 着地板辐射供能作为一项专门的技术被社会承认。三十年代后，低温地板辐射供 能开始应用于高级住宅。由于这种供能方式具有较强的优越性，所以很快便被人 们接收并开始普及。地板辐射供能有两种结构形式：一种利用电加热板来提高地 板温度，实现辐射供能；另一种方式将埋管铺设于地板中，管中通以供能介质， 通过问壁换热完成与地板间的热交换。电热板式地板辐射供能虽然能够提高室内 舒适度，但由于能源浪费【8 1 等问题而发展缓慢，而对于埋管式地板辐射供能方式， 则相继出现多种结构形式，新的研究成果层出不穷，实际应用效果也不断改善， 于是这种供能方式便得以迅猛发展【9 】，【1 。 我国在六十年代后才开始研究地板辐射供能系统，埋管历经钢管、陶瓷管、 铜管等管材，均未得到较好效果。直到塑料管在国外成功使用后，我国才于八十 2 第一章绪论 年代末从德、韩等国引进塑料管技术，并得到成功应用。近2 0 多年来，地板供 能系统应用范围逐步扩展，几乎各类建筑都开始应用辐射供能系统，而且效果令 人满意。 地板辐射供能系统的整体结构，一般分为以下几部分：结构层、保温层、盘 管、填充层、地面层。传统的做法是：在钢筋混凝土楼板上先用水泥砂浆找平， 然后铺3 0 m m 厚高密度发泡或挤出型泡膜塑料板用以保温，再在板上铺装供能盘 管，并以塑料卡丁将盘管与保温层固定在一起，最后浇筑3 0 5 0 m m 厚的细石混 凝土填充，上部则根据用户要求再铺设地砖、塑料或木地板等装饰。其简化结构 如图1 - i 所示。 地面层 填充层 盘管 保温层 结构层 ，r + l y + + + + + + + + + + + + + + + + + o + + + + + + + ：。：。：。-：o ：。x 。：o ：o ：。x 。：o ：。： 褫 图1 - 1 埋管系统结构 f i g u r e1 - 1t h es t r u c t u r eo f b u r i e dt u b es y s t e m 地板供能的埋管铺设方式主要有：蛇型：单蛇、双蛇、交错双蛇型等；回字 型：单回、双回、双开双回型等；也有将蛇型与回字型混合使用的，具体方式如 图1 2 所示。这几种铺设型式中，单蛇和单回型较为简单，但由于沿管路方向温 度梯度的存在，使得地板温度出现不均匀，房问越大，温度梯度就越大，因此这 种方式适合于较小房间管路铺设；双蛇、双回型铺设方式以进水和回水交错排列， 解决了温度不均的问题，具有更强的适用性；交错双蛇和双开双回型铺设是改进 型式的变形，都有一定的优点和适用场合。 第一章绪论 单蛇型 双蛇型 交错双蛇型 双开双回型 图l - 2 管路铺设方式 f i g u r e1 - 2p a v i n gf a s h i o no f t h et u b e 相比传统供能方式，地板辐射供能有着不可比拟的优点，如节能、清洁无污 染、舒适性强、便于利用低品味能源、维修费用低，使用寿命长、减少室内噪音、 增加房间有效使用面积等【1 l 】。【2 2 1 。传统供能方式的供能设计指标一般为5 0 8 0 w m 2 ( 根据不同类型的建筑物而有所差异) ，而地板辐射供能的设计指标则比较 低，在天津地区对采用这种供能方式测试中发现其设计热指标仅为4 5 w m 2 ，或 者更低，从而实现节能；由于以辐射换热为主，便可提高室内舒适性，同时由于 减少空气对流，就会保持较好的室内空气品质，另外由于对能源品位要求不高， 可大量利用地热、太阳能等低品位能源，就可以减少温室气体的排放，有利于保 护环境；地板辐射供能系统的设计寿命一般为5 0 年，并且期间基本不需维护。 地板辐射供能的优越性日益突出，其功能也从单一供暖转向同时用以冬季供暖和 夏季制冷【2 3 1 ，并且结合地板送风系统，这一系统的发展日趋完善。 制度规范方面，国家建设部科技发展促进中心于上世纪9 0 年代末将地板供 能列为重点推广科技成果，很多城市都出台了相关技术标准，如：北京于2 0 0 0 年1 0 月1 日率先实行低温热水地板辐射供暖应用技术规程 ( d b j t 0 1 - 4 9 2 0 0 0 ) ；河北、甘肃、天津、青海、内蒙古等省市也相继实行相 关技术规程；2 0 0 4 年1 0 月1 日，地板辐射供暖工程技术的全国性行业标准地 板辐射供暖技术规程( j g j l 4 2 2 0 0 4 ) 开始实施；2 0 0 5 年，健康住宅建设设 计规范( c e c s l 7 9 ：2 0 0 5 ) 及绿色建筑评价标准相继实施，表明我国建筑 规范日益完善。 4 第一章绪论 1 3 吊顶辐射供能研究进展 1 3 1 实验研究 西安工程科技学院李银明，黄翔，梁才航1 2 4 j 研究了一种价格低廉的新型吊顶 辐射板的供冷供热能力及其应用途径，分别对这种新型辐射板在夏季供冷和冬季 供热的能力进行了实验研究，为辐射吊顶新型供能系统的设计计算和实际应用提 供了相关的技术参数；布文峰，王世洪 2 5 1 对冷却项板系统进行了实验研究；郭笑 冰，赵鹏，李雁鸣等【2 6 】对吊顶辐射采暖制冷系统的施工工艺、质量保证进行了研 究；青岛建筑工程学院张瑜，胡松涛，王东1 2 7 研究了冷辐射系统的热工性能， 测试了辐射供冷系统的运行工况，得到了供能表面的最低温度、室内的实感温度、 热流密度等参数，并初步探讨辐射供冷系统结露现象及防治措施；张亚英【2 8 】对吊 顶辐射采暖制冷技术作了应用研究；潘云钢，丁高，宋孝春等【2 9 】对楼板辐射供冷 系统设计中的具体环节进行了研究。 1 3 2 理论研究 天津大学于松波【3 0 】利用计算流体力学( c f d ) 的方法，对采用置换通风的吊 项辐射制冷系统模型进行数值模拟，分析研究了单独的置换通风系统和置换通风 与冷却吊顶相结合系统中温度场和气流场的特性，对该系统所能消除的室内负荷 量进行了模拟比较，研究了一些参数对系统特性的影响，并讨论了系统的节能效 果；同济大学邓峥3 l 】对置换通风冷却吊顶混合系统的性能进行了研究并对该系 统的应用作了分析；闰全英，齐正新，王威【3 2 】建立了无保温楼板辐射供冷系统 的物理模型和数学模型，一并对控制方程进行数值模拟，分析了系统供冷能力和楼 板上下表面温度和诸多影响因素之间的关系：马景骏，孙丽颖【3 3 】通过理论计算 分析了冷却吊顶空调系统中房间室内温度的确定与常规空调系统的区别，并对系 统热舒适性进行了评价；周鹏，李强民【3 4 】研究了置换通风和冷却吊顶相结合的供 能方式；赵育根等【3 5 】对冷却吊顶系统的特性和应用进行了研究；徐来福，金风云， 苏华等 3 6 j 针对冷却顶板只能除去显热负荷，无法除去湿负荷的情况，分析了冷 却项板一置换通风空调系统，同时以计算流体力学( c f d ) 的模型为基础，采用有 限容积法对具有干燥空气保护层的冷却吊顶一置换通风系统的气流分布进行了 模拟分析；徐景峰，周雅素【3 7 】将转轮除湿用于吊项辐射制冷空调系统，对系统进 行了分析和研究；左涛【3 副阐述了独立新风结合吊顶冷辐射板的空调系统相比于常 规的、全空气变风量空调系统( v a v ) 在能耗和室内空气品质上的优越性，介 绍了该系统在新风处理、冷水系统等方面成熟的设计方法，并分析了阻碍该系统 第一章绪论 在我国应用的原因；熊帅，汤广发，杨光等【3 9 】介绍了吊顶辐射制冷与独立新风相 结合的空调系统的技术特点，并对其面临的三大问题进行了分析；邓仁杰，张立 志，尹清华【加】从风机能耗、辐射传热特性和供冷工质的替代等方面，分析了冷吊 顶空调系统独特的节能优势，评述了吊顶系统模拟研究的几种模型、应用软件和 实验方法；孙丽颖，马最良j 分析了新风机组除湿能力对吊顶辐射系统结露现象 的影响，研究了吊项辐射供能系统在不同地区的适用场所；李银明，黄翔，刘毅 【4 2 】对吊顶辐射的节能性进行了分析；孙丽颖【4 3 】，马景骏，马最良】提出了冷却 吊顶空调系统运行能耗的计算机动态模拟评价方法；李银明，黄翔【j 7 】针对目前国 外应用吊顶辐射供能系统存在的初期投资高、冷却能力有限、容易结露等问题， 提出了一种适合于炎热干燥地区并能解决上述问题的送风方式顶棚散流器 扩散送风，并指出国外置换通风与吊顶辐射相结合使用的基本出发点，分析了辐 射板上结露的可能性，并提出了解决结露的具体方案。 1 4 地板辐射供能研究进展 1 4 1 实验研究 韩国的s u n g h w a n c h o 对地板辐射供能的温度控制进行了实验测试；为了降 低楼板载荷，提高温度响应速度，邱林【4 5 】，【删等人开始研究便于调控的干式地板 结构系统；哈尔滨工业大学的冉春雨h 7 】等于1 9 8 7 年对地板塑料管供能系统进行 了研究，并建立了试验台进行小样测试；宗立华【4 8 】，【4 9 】对均密度双螺线形布置低 温热水交联聚乙烯塑料管地板供暖进行研究，建立了稳态传热数学模型，并建立 试验台进行试验验证，对换热机理进行理论分析；青岛建工学院的胡松涛【5 0 j 等对 低温热水地板供暖进行了数值分析和实验研究，分析了系统的节能和舒适特性； 重庆大学的王文【5 1 】对燃气热水器辐射地板及地源热泵辐射地板进行了试验研究； x ug u o y i n g 5 2 】等研究了热泵结合太阳能辐射供能系统的热性能；王甲春【5 3 】等研 究了外墙外保温系统对室内温度和湿度的影响；张云斌等【删对地板采暖系统进行 了实测并计算了室内温度场；侯书新【5 5 】对低温热水地板辐射供暖的室内温度竖向 分布进行了测试与分析；鹿世化【5 6 】等对浅层地下水作为冷源在地板供冷中的应用 作了研究；t y c h e n 【5 7 】对系统热响应滞后现象作了预先控制方面的研究。 地板辐射供能在供暖方面取得了很大的进展，并开始研究和应用于夏季制冷 以及与地板通风相结合的供能系统。张长兴，胡松涛，张瑜【5 8 】通过试验定性分析 了在一定条件下供水温度、室内设计温度、埋管间距、埋管管径和地面层材料几 个重要因素对地板表面平均温度及平均热流密度之间的影响，并总结了各影响因 6 第一章绪论 素间的相互关系；山东建筑工程学院夏学鹰【5 9 】对地板辐射供冷暖系统进行了实 验研究和动态模拟；李清清，刁乃仁唧】建立了地板辐射供暖供冷系统的稳态传热 模型，通过数值求解，给出了理论计算结果，并对系统进行了实验研究，分析了 供水温度、室内设计温度、管间距、埋管深度等因素对热流密度的影响，为系统 供暖供冷提供了初步估算依据；西安交通大学孔琼香，俞炳丰，潘振等【6 i 】通过变 化送风参数和室内热源，对几种典型工况的实验结果进行了分析，得到了地板送 风室内温度分布的一些特性；阮芳，李念平，李小华等【6 2 】通过改变热源强度、热 源数量及热源之间的距离，对地板送风条件下室内温度分布进行了实验研究。 1 4 2 理论研究 上世纪七十年代末，h a n n a y 和l e b r u n t 2 】等美国学者对不同供能系统的热舒适 性和节能性进行了实验研究和计算机模拟计算，论证了地板辐射供能系统具有很 好的效果；b j a m ew o l e s e n 【6 3 】对地板供能系统的理论及实际应用进行了综述， 指出该系统的优点、最大供能能力及需要注意的问题；有关研究工作者还提出了 地板辐射供能方式下室内的热辐射计算方法。最早的加热板模型是由k i l l m a r 和 l i e s e 6 4 在1 9 5 7 年提出的；1 9 7 8 年，d a v i e 和v a l t o n 就分别给出了平均辐射温度的 算法；1 9 8 8 年v i s k a n t a 等人建立了比一维辐射换热较为准确的各方向辐射换热方 程；1 9 9 2 年s a n c h e z 在此基础上对封闭房间建立了二维辐射换热模型；1 9 9 5 年 k i r b y t 6 5 】更进一步建立了三维离散坐标辐射换热模型；l u c i ol a u r e n t i 【6 6 】等基于传 热函数法提出了关于地板供能系统的计算方法；1 9 9 4 年，加拿大学者 a k a t h i e n i t i c s t 7 】利用非线性有限差分法，对地板辐射供能系统进行了数值模拟， 对辐射供能系统中经常出现的问题，如地板表面温度超过热舒适性标准、室内设 计温度的改变而引起的预热时间的改变、以及太阳辐射造成的过热而需对其进行 控制的具体措施等问题进行了讨论并最终提出：利用太阳辐射来降低室内热负荷 和让室内设计温度按正弦规律变化都可以有效地降低地板表面最高温度，减少热 流量；c a c c a v e l l i 等利用有限元程序模拟地板供暖系统的三维热传递，他们模拟 的结果跟实验结果相吻合；l i n g 等人研究了基于热舒适性规则的地板辐射供能设 计方法；m h a d j a l i 6 8 】等利用有限容积法对二、三维地板结构分别进行了模拟计 算；日本的h a r u o 等人做了对地板辐射房问的辐射与对流热交换的基础研究；同 时对热泵【6 9 】和地热及太阳能相结合【7 0 】的研究也不断增多。国内研究仍延续国外 的模式，基本上没有自己的研究数据。另外，随着各种新型建材和各种热源的开 发，我国地板辐射供能技术也取得了新的发展。最近几年，一些研究单位从国外 引进先进经验，加以分析，对其进行试验研究，并提出了适合我国发展的一些看 法，为该项技术在国内的发展创造了有利的社会环境和研究环境。研究方向主要 7 第一章绪论 是：建立二维稳态传热数学模型，应用有限差分法进行了求解；通过试验得出了 热性能特征曲线；进行数值分析和试验研究；建立二维稳态传热数学模型，对地 板板体传热性能进行研究和对蛇管的辐射供能性能进行研究等。杨剐7 l 】等对混凝 土内埋蛇形钢管的地板辐射供暖作了研究分析，建立了简单的稳态传熟模型，并 用有限差分法进行了数值计算，得出温度场分布，并对相关设计进行了优化及技 术经济分析；哈尔滨工业大学的陈海波【，7 2 】对地板散热量进行了数值分析，并提出 了可以用于设计的地板当量导热热阻的拟和经验公式；湖南大学的刘成林对低温 热水地板辐射供暖系统的节能性进行了分析并提出了系统的优化设计方法。 地板辐射供能用于供暖、制冷两个方面的研究也不断深入，王子介，夏学鹰 【7 3 】，张毓斌【7 4 】对地板辐射供能系统用于制冷进行了可行性研究分析；青岛理工 大学李云东，张长兴，郭潇潇【_ 7 5 】对影响地板辐射换热能力若干因素进行了分析； 张耐7 6 】对地板辐射供冷暖系统进行了数值仿真研究：李常河，李永安，刘学来1 7 7 j 在分析地板辐射供冷系统地面温度传热规律的基础上，建立了地板辐射供冷系统 的二维稳态传热数学模型，用有限单元法对地板供冷系统的地面温度进行数值计 算，根据地面温度随供回水平均温度和室内温度的变化规律，给出了地板供冷系 统适宜的供回水平均温度，并且提出了地板辐射供冷系统防止地板结露的措施； 重庆大学卢军，高殿策，陈静【_ 您】对地板辐射供能系统的设计作了相关研究；天津 大学郝晖，安大伟r 7 9 】提出了一种综合利用风力发电技术、热泵技术和低温地板辐 射供能技术的新型供能模式，对可再生风能的利用进行了可行性探讨。在地板供 能结合地板送风方面，徐涛，沈国民，谢军龙【8 0 】对地板送风空调系统的热舒适性 进行了研究；苏夺，陆琼文【8 l 】对地板辐射供能方式的研究及发展方向进行了分析。 1 5 辐射供能系统尚需解决的问题 辐射供能系统有着传统功能方式不可比拟的优点，同时在应用过程中也存在 一些不足，主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 增加了楼板厚度和负载，减少楼层有效高度； ( 2 ) 维修不便，对管材要求较高，从而造成安装成本偏高； ( 3 ) 辐射面温度有所限制，因而限制了其使用范围，对特殊房间需要辅以其 他供能方式； ( 4 ) 对室内装修有一定的限制； ( 5 ) 夏季制冷时楼板温度过低，产生脚下较冷的不适，并且产生结露问题， 影响室内环境。 第一章绪论 1 6 论文工作的提出 针对上述辐射供能系统的不足，本文将提出一种新型辐射供能系统。该系统 通过综合利用墙体和地板的导热性能，仅将金属管路布在踢脚线内，即可满足室 内供能需求，同时消除现有系统的一些弊端；通过对系统传热过程进行分析，建 立该系统的理论模型，并用有限元分析软件a n s y s 对其传热性能进行数值模拟， 分别考察埋管管径、埋管位置、介质温度、强化传热层及环境温度等因素对系统 的温度场分布、供能面热通量等参数的影响，评价系统的供能效果；本文还将建 立该新型辐射供能系统的实验测试系统，完成系统运行时相关温度参数的计算机 采集，并通过这些数据的分析以及与理论结果的对比，对所建理论模型及理论计 算结果进行验证，为该系统的工程应用以及推广提供依据。 第二章新型辐射供能系统理论模型 第二章新型辐射供能系统理论模型 针对本文所提出的新型供能系统，本章将对该系统进行介绍，同时建立系统 的物理模型、数学模型，并通过对该模型的分析，建立传热控制方程，分析其边 界条件，提出求解方案，最后将对求解方法进行介绍。 2 1 物理模型 传统的布管方式，采用“回”字形或蛇形布管方式，占用几乎整个楼板，这就 大大增加了施工强度，压缩了室内空间，同时既浪费材料又增加楼层负荷，这种 弊端显而易见。另外，由于埋管层在人员正下方，在舒适度方面，要求地面温度 在一定范围之内，温度太高，就会产生烘烤的感觉；温度太低，则会产生头热脚 冷的不适。目前，我国己出台各种建筑供能规范标准。其中供暖方面，一般规定 人员长期驻留区域地板温度不得超过2 8 。c ，而人员较少停留地区的温度上限则 可以高达4 2o c 8 2 1 。 综合考虑各种因素，本文提出了一种新型的布管方式，如图2 1 所示。这种 布管方式解决了传统布管方式的一些问题，同时又兼顾了舒适性问题。由于供能 辐射面在地板与墙壁交角处人员很少逗留的地方，减少了人和辐射面的直接 接触，这就加大了温度调控空间，更具灵活性。另外，在同种温度条件下，人员 长期活动的区域不在辐射面的正上方，而有一定的夹角，从而提高了舒适性。冬 季供暖时，就不会产生烘烤的感觉，使人感觉舒适；夏季制冷时，也不会因为脚 下过冷而产生不适，同时运用适当的除湿设备，就可以避免结露现象的发生。 在供能效果方面，新型布管方式下系统的有效辐射面小于传统布管方式下 的，这就有可能影响系统的供能能力。鉴于这点，本文提出两种解决方案：一、 微调埋管位置，提高墙体辐射供能效果，使得地板和墙体的综合供能能力达到最 优；二、在埋管表面加上强化传热层，以增强传热效果。通过以上两点措施，即 可弥补辐射面小对供能效果的影响。 1 0 第二章新壹辐射供能系统4 论模型 圈2 - 1 新型布臂方式 f i g u r e2 - 1n e w p a v i n g f a s h i o n o f t h e t u b e 在施工和耗费材料方面，新型的布管方式也有很大的优越性。传统方式下埋 管置于整个地板之下，安装、维修起来极为不便，因此要求室内埋管尽量少的出 现接头，以增大维修周期这就提高了埋管的制造成本同时又增大了安装难度。 本文提出的新型布管方式则很大程度上解决了这一问题，既便于系统安装与维 修，又节约成本，与此同时极小限度地改变建筑围护结构，对室内空间叉不造 成影响。 埋管置于踢脚线附近，其剖面如图2 2 所示。 ( 2 ) 图2 - 2 系统剖面圈 f i g u r e2 - 2s e c t i o n p l a n o f t h es y s t e m 1 l 第二章新型辐射供能系统理论模型 图2 2 中，( 1 ) 为埋管置于地板时的剖面图，( 2 ) 为埋管置于墙体时的剖面 图，以下将以图中a b c d e f a 封闭单元为计算模型，考察各种因素对系统供能效 果的影响。 2 2 数学模型 2 2 1 模型假设 通过理论模型的分析，为便于求解，现作出以下合理假设： ( 1 ) 传热过程可简化为二维传热； ( 2 ) 认为地板各层材料紧密接触，不考虑接触热阻； ( 3 ) 认为各层材料均质且恒物性。 2 2 2 传热控制方程 辐射供能换热过程分为以下几个阶段：埋管内介质与管壁的换热、管壁与楼 板各层的换热、辐射表面与室内空气的换热。由于采用铜管作为埋管，管壁热阻 较小，可近似认为管壁温度等于介质温度，不考虑介质与管壁的换热。 2 2 2 1 管壁与地板各层的换热 管壁与地板各层间为导热换热，一般将管壁温度简化为恒温如，换热视为稳 态导热过程。 d ：2 7 cl g ( t i - t 2 ) ( 2 - 1 )d = ) l i l 2 吒 式中： q一换热功率，w ； 五 一导热系数，w ( m ) ； t l一内层温度，； t 2一外层温度，； nt l 处距离埋管中心长度，m ； 力一t 2 处距离埋管中心长度，1 1 1 。 2 2 2 2 辐射表面与房间的换热 地板表面与房问的换热分为两部分：对流换热和辐射换热。因此，热交换的 第二章新型辐射供能系统理论模型 综合传热量应将辐射和对流两部分传热量相加，即： q = q 。+ q ， ( 2 - 2 ) 式中： g 一总换热量，w m 2 ； 吼一对流换热量，w m 2 ； g r 一辐射换热量，w m 2 。 分析地板表面与房间的对流换热，可忽略空气扰动等因素，按自然对流处理。 在此条件下，可近似认为地板供能表面各处的对流换热系数相等。地板供能表面 对流换热系数可有下列经验计算式计算f 2 0 】： 口。= 1 1 8 ( r , 一瓦) 7 3 ( 2 - 3 ) 另外，考虑到室内各种影响因素，地板表面的对流换热系数利用下式校正计 算： 口。= 2 1 7 ( r , 一瓦) 蚴 ( 2 4 ) 对流传热量可由下式计算： q 。= 2 1 7 ( t ，+ 瓦) 1 3 1 ( 2 5 ) 式中： 乃一辐射板表面的平均温度，k 死一室内温度，k 。 计算辐射换热通常用如下计算公式【2 0 】【8 3 】，【删： q ，= 5 6 7 f x f , 【( 弓l o o ) 4 一( 乃l o o ) 4 】 ( 2 6 ) 式中： 办一辐射换热量，w m 2 ； e 一构形系数； b 一辐射系数； 乃一辐射板表面的平均温度，k ； 乃一非加热面平均温度，k 。 对于一般室内地板辐射换热系统，其构型系数和辐射系数可取常数，公式 ( 2 6 ) 可简化为： q ，= 4 9 8 ( 0 1 0 0 ) 4 一( 乃1 0 0 ) 4 】 ( 2 7 ) 由于室内非加热表面的温度各不相同，非加热表面的平均温度乃较难确定。 它依赖于室内温度、内墙及外墙的面积比、部分传热单元如窗户等的面积、建筑 物中房间的位置、室外风速等等的因素，所以以非加热表面积加权平均温度代替 公式中的即： 第二章新型辐射供能系统理论模型 弓= 瓷栩3 协8 ， 式中： 如一室内非加热面的表面温度，； 五一室内非加热面的表面积，m 2 。 2 2 2 3 温度场计算 在系统刚开始运行的一段时间内，各面温度场是随时间不断变化的，故此过 程是一个与时间相关的非稳态导热过程，随着导热过程的进行，逐渐达到动态平 衡，形成稳定的温度场。在傅立叶定律的基础上，借助热力学第一定律，即能量 守恒与转化定律，建立起温度场的通用微分方程【8 5 】，即二维导热微分方程： 鱼：土( 篓+ 篓) + 旦 ( 2 - 9 ) 一o= 【i 了+ i 了j + 二 l z 。y j o i - - p cp 呶 p c p 式中： t 一温度，； r 一时间，s ； a 一导热系数，w ( m ) ； 勺一比热容，j ( k g ) ； p 一密度，k g m 3 1 钆一内热源强度，w m 3 。 无内热源时，导热微分方程简化为： 而c q t ：鲁- t i 票 ( 2 1 0 ) 一= z l ij ， a f 反2却2 2 2 3 边界条件 完整的数学模型应包括传热控制方程和它的单值条件两部分。单值条件一般 包括下列四项【8 5 】： 几何条件：说明导热体的几何形状和尺寸； 物理条件：说明导热体的物理特性，如给出参与导热过程物体的物性参数a 、 c p 、p 与温度的关系以及内热源的情况： 时间条件：给出导热体在初始瞬间的温度分布( 稳态导热不需要此条件) ， 即t i ，= 0 = f ( x ，y ，z ) ； 边界条件：表明导热体边界处的热量传递特点。常见的边界条件有以下三类： 第一类边界条件：给出物体边界上的温度分布，在非稳态导热问题中，应给 出其随时间变化的规律，即f 0 ，t 。= f ( x ，y ，z ，f ) ； 1 4 第二章新型辐射供能系统理论模型 第二类边界条件：给出物体边界上的热流密度分布随时间的变化规律，即： f o ，q 。：一名要i 。= 厂( x ，y ，z ，f ) ； 堋 第三类边界条件：给出物体边界上的换热状态、对流换热表