（工程热物理专业论文）地板辐射采暖的传热特性研究.pdf

摘要 地板辐射采暖是一项以热舒适和节能为主要特征的室内采暖技术，是国 际暖通行业的前沿课题之一。地板埋管换热器是地板辐射采暖系统的重要部 件，也是系统的唯一散热机构。本文以地板辐射采暖为研究对象，对影响地 板辐射采暖过程中的诸多因素展开传热特性分析，并结合夏热冬冷地区实际 气候状况，提出相应的运行方案。 本文以能量守恒和质量守恒为基础，传热学，流体力学理论为依据，建 立了地板辐射采暖地板埋管换热器三维非稳态传热模型，对地板辐射采暖系 统的传热过程进行了系统分析。全面仿真了辐射采暖地板实时换热过程，对 地板埋管换热器运行特性进行了全面分析，得出了逐时地板上表面平均温度 变化情况，温度分布情况地板热均匀性，以及地板板体温度分布等数据；并 对影响地板辐射采暖的主要因素进行了分析，主要有运行水温、管材导热系 数、管间距、地面铺设材料和填充层导热系数等因素，得出一系列重要结论。 根据地板辐射采暖的蓄热及释热特性和夏热冬冷地区( 长沙) 特殊的气候状 况，本文提出相应的预见性间歇运行方案，并在不同运行状况下结合用户自 定义程序对该方案进行模拟验证，得出影响室内热舒适的一系列数据：温度 波动，热流波动及流场分布等，并对结果进行详细分析。 结果表明，地板蓄热和释热现象十分明显：停机6 7 小时对于地板释热 较合适；地板各层结构对地板辐射采暖均有不同程度的影响；夏热冬冷地区 室外温度波动对地板辐射采暖作用下的室内温度有一定影响，合理组织间歇 运行策略可以室内热舒适需求，并且节约能源。 关键词地板辐射采暖，传热特性，间歇运行，夏热冬冷地区，节能 a bs t r a c t f o ri n d o o rt h e r m a lc o m f o r ta n db u i l d i n ge n e r g ys a v i n g ，r a d i a n tf l o o rh e a t i n g ( 甜氍) s y s t e m , i so n eo ft h ep o p u l a rt e c h n o l o g i e si ni n d u s t r yo fh e a t i n g ， v e n t i l a t i o na n da i r 。c o n d i t i o n i n g u n d e rf l o o rh e a te x c h a n g e ri st h em o s ti m p o r t a n t f a c i l i t yo fr f h a st h eo n l yp a r tf o rh e a td i s t r i b u t i o n i np u r p o s eo ff l o o rr a d i a t i o n h e a t i n gs t u d y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep a r a m e t e r si m p a c t sd u r i n gt h eh e a te x c h a n g e p r o c e s s ，a n db a s eo nt h ec l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c ，o p e r a t i o ns t r a t e g i e sa r ec a r r i e do u t t h ef i r s tt a s ko ft h i sp a p e ri st h eh e a tt r a n s f e ra n a l y s i so fr f h an u m e r i c a l t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o o rp i p eh e a te x c h a n g e rm o d e lw a sc o n s t r u c t e d ，b a s e do nt h e h e a tt r a n s f e rt h e o r ya n df l u i dm e c h a n i c st h e o r y t h er e a l t i m eh e a tt r a n s f e r p r o c e s sw a ss i m u l a t e db yu s i n gt h i sm o d e l t h er e s u l t sp r e s e n tt h et e m p e r a t u r e u n d u l a t i o no nu ps u r f a c eo ft h ef l o o r , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n s i d eo ft h e f l o o ra n dt h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo ft h ef l o o rl a y e r s m a i np a r a m e t e r sa f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo fr f h a r ef o u n d ，w h i c hi n c l u d et h eo p e r a t i o nh o tw a t e rt e m p e r a t u r e ， c o n d u c t i v i t yo ft h ep i p em a t e r i a l s ，s p a c eb e t w e e nu n d e rf l o o rp i p e sa n d c o n d u c t i v i t yo ff l o o rl a y e r s f o l l o w i n gt h ew o r k sb a s e do n3 dm o d e l ，ac o u p l i n g u n s t e a d y h e a tt r a n s f e rm o d e lf o rr f hw a sc o n s t r u c t e d b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fr f ha n dt h el o c a lc l i m a t ec o n d i t i o n ( h o ts u m m e ra n dc o l d w i n t e r ) ，ap r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yf o ri m p r o v i n gt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo f i n t e r m i t t e n t l yh e a t e dr f hi se x p l o r e d t h et e m p e r a t u r eu n d u l a t i o n ，t h es t r e a mo f h e a tt r a n s f e r , a n dt h es t r e a m l i n eo fr o o mw e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r ad e t a i l e d a n a l y s i sw a sp r e s e n t e dt oi n v e s t i g a t et h ep r o c e s so fi n t e r m i t t e n t l yo p e r a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t , t h ep h e n o m e n o no fc u m u l a t i n gh e a ta n dr e l e a s i n g h e a to fr f ha r eb o t hs i g n i f i c a n t l y , 6 - 7h o u r sd o w n t i m ef o r t h ef l o o rh e a tr e l e a s ei s a d v i s e d ；t h es t r u c t u r eo fe a c hl a y e rh a sd i f f e r e n tl e v e li m p a c tt ot h ei 强hh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ；i nt h eh o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rz o n e s ，t h ei n d o o r t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sa f f e c t e db y 也eo u t d o o rt e m p e r a t u r e s e tu pt h ei n t e r m i t t e n t o p e r a t i o ns t r a t e g yi nt h e s ez o n e ss h o u l db eb a s e do nt h eo u t d o o rt e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n s ，t h er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m ss i g n i f i c a n tp r e h e a t i n gp r o c e s s s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n ta sw e l l ；p r e d i c t i v ec o n t r o lc o n s i d e r e dt h eo u t d o o r t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n sc a nm e e tt h et h e r m a lc o m f o r ta n dr e d u c et h ee n e r g y c o n s u m i n g 1 1 k e yw o r d sr a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m s ，h e a tt r a n s f e r , i n t e r m i t t e n t l y o p e r a t e d ，h o ts u m m e ra n dc o l dw i n t e rz o n e so fc h i n a ，e n e r g ys a v i n g i i i 原创性声明 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 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储虢率蜂嗍旦年上月瑚 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名肆坦日期碰年上月上日 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题意义 第一章绪论 近年来，建筑室内坏境质量i e q ( i n d o o re n v i r o n m e n tq u a l i t y ) 受到越来越多 的关注。人的一生约9 0 的时间都是在室内度过的，居住空问的热舒适关系到人 的生存和生活，和空气，水，食物一样是人类赖以生存的基本保证之一。 传统的散热器对流供暖经过改进和完善可以满足人的基本生活需求，但随着 生活水平的提高，这些是远远不能达到现在的生活标准的；此时，地板辐射采暖 系统( r a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m s ，r f h ) 应运而生：地板辐射采暖系统节能， 舒适，美观，卫生，并且热媒温度低，可利用一切低品位热源( 如工业废热、地 源热泵、太阳能等) ，相比传统对流散热片采暖有无与伦比的优势。在2 0 世纪 9 0 年代，西欧国家住宅建筑2 0 以上就已采用了地板辐射供暖系统i i 捌，新建建 筑5 0 以上采用了地板供暖供冷技术1 3 i 。辐射采暖系统在我国寒冷和严寒地区 已得到一定普及和推广：但在夏热冬冷地区还属新兴事物。 过去，我国夏热冬冷地区在计划经济时代受国家相关政策的影响，冬季采暖 问题本来就存在着滞后和误区，大部分建筑在设计和建造时就没有考虑冬季室内 热环境的问题，导致建筑物建成以后，在湿冷的冬季，人们不得不自行安装采暖 空调设备。由于没有科学的设计和采取相应的技术措施，致使该地区冬季采暖能 耗急剧上升。在夏热冬冷地区，几乎户户有各种各样的采暖设备，各种电暖气功 率在4 0 0 2 0 0 0 w 之间，但尚难维持一个房间的热舒适。据统计，在夏热冬冷地 区，采暖空调用电负荷冬季为2 亿千瓦。相当于1 1 座三峡电厂的年发电量，显 然，这是长江流域电力紧张的主要原因之一吲。 另外，能源枯竭问题是当今全球都不可回避的话题，我国广义建筑能耗已占 国民经济总能耗的4 1 7 ，其中建筑运行能耗占1 5 8 ，用于建筑热环境控制的 能耗成为构成建筑运行能耗的主要部分l s l 。所以，如果要从根本上达到建筑节能 的目的，采暖能耗是首要一环。我国早在1 9 9 6 年实施的民用建筑节能设计标 准( 居住采暖部分) 中，就提出了建筑节能5 0 的要求，并对其中的采暖系统 能耗要求做出了相应的限定。夏热冬冷地区的节能工作在近几年也得到了重视， 2 0 0 1 年建设部制定了夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准( j c j l 3 4 2 0 0 1 ) 。 基于上述原因，在我国夏热冬冷地区开展地板辐射采暖的相关研究具有重要 意义，对于改善我国夏热冬冷地区建筑热环境有战略性作用。 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 1 2 地板辐射采暖简介 1 2 1 辐射供暖 辐射供暖是以红外线为主的供暖方式。一般波长为o 7 6 - - 1 0 0 , u m 的电磁波成 为热射线i 甜。热射线的传播过程称为热辐射，热射线投射在物体上能形成热效应， 产生投射热效应的热射线波长绝大多数集中在o 7 6 - l o 朋的范围内。 图卜1 电磁波谱 根据辐射面温度不同，辐射供暖可分为高温辐射供暖、中温辐射供暖和低温 辐射供暖。 低温辐射供暖以中低温水、热风或低温发热电元件为热源，辐射面温度低于 8 0 由于辐射面温度较低，需要较大的辐射面积，一般将辐射面和建筑构件结 合，以建筑内表面作为辐射发热面。低温辐射供暖主要用于住宅、办公、商业等 民用建筑的全面供暖，主要形式有吊顶辐射供暖、地板辐射供暖和墙壁辐射供暖 等。本文的研究对象为低温地板辐射采暖系统。 1 2 2 地板辐射供暖 地板采暖起始是一项既古老又崭新的技术，最早起源于我国古代的火炕。现 代的地板采暖技术经过多年的发展研究，形式趋于多样化。地板采暖按照其传热 介质来分可以分为热水地板采暖，电热地板采暖和热风地板采暖。其中热水地板 采暖按照其施工方法的不同，又可以分为湿式施工法和干式施工法。湿式施工法 是将保温材料铺设在楼层上部，其上铺设热水管后，混凝土打实，然后铺设找平 层和地板表面材料的施工方法。干式地板辐射采暖系统，是相对于湿式系统而言 的，主要区别在于其在塑料管道上部不铺设豆石砂浆，而是将加热管道直接暴露 在结构层中。 电热式地板采暖，是用电能作为热源，通过铺设在地板下的发热导体进行供 暖。其优点是占用空间小，施工相对容易，容易调节，没有漏水隐患；缺点是舒 2 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 适性较差，人体常时间接触，其局部温度有可能达到5 0 以上，有烫伤危险， 有人还提出，电流产生的电磁波会影响婴儿的健康。但近年来提出的深夜蓄热型 电热地板采暖在经济性上有一定优势，有推广潜力。 近年来新出现的模块式地板采暖是传统地板采暖的又一次飞跃和创新。模块 式地板采暖式是用预制的模块来代替传统的埋管层。模块采用轻型材料用预制模 具统一制作，下表面有凹槽，凹槽正好可以固定住管材，从而省去塑料管卡，对 地面结构不造成任何破坏，尤其适用于现有住宅改造。 目前，低温地板辐射供暖的塑料埋管铺设方式大致分为以下几种铺设方式， 如图所示： 必黝 单蛇型铺设双蛇型铺设 单回型铺设双回型铺设对开双回型铺设 图1 - 2 盘管布置方式图 对于双回型铺设方式，经过版面中心的任意剖面，高温管和低温管相间布置， 易于造成“均化 效果，从而使这种布置方式的地面表面温度比单蛇形布置方式 均匀的多，并且由于塑料管的铺设弯曲度数大部分为9 0 度，铺设简单，也没有 盘管相交的问题。因此，在工程上，地板埋管铺设广泛采用双回型布置方式。 地板辐射采暖施工工艺流程如下： 清理楼板岭地基层找平岭铺设保温隔热层专铺设采暖管路吟铺设铝箔岭管道 试压岭浇筑混凝土埋管层岭二次管道试压冲洗岭铺设找平层唪完成地面装修 1 2 3 地板辐射供暖系统工作原理 辐射采暖是一种利用建筑物内部的地面、顶面、墙面或其他表面进行供暖的 系统。供暖的散热设备实际上就是埋设在地板或其他表面内的管道，加热水在管 内通过，热量经管壁传出加热地板，产生对室内其他表面辐射，围护结构内所有 表面对空气进行辐射和对流，从而加热室内空气，达到采暖的目的在辐射采暖 3 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 系统的总传热量中，辐射传热量的比例通常约占5 0 以上，所以习惯上把这种系 统称为辐射供暖。 地板辐射采暖系统由供水系统和辐射地板组成。辐射地板结构如图1 3 所示， 其中加热管为供暖房间热量来源；埋管层的作用是固定加热管；找平层的作用是 平整表面，以便上表面铺设地砖等地面材料：地面层材料多种多样，有木地板， 瓷砖，毛毯等等，因用户要求而异。 _ _ nnnn 乍- - 一 l l 川i l案 t iitttti ， t t t ， 4 44 44 t tt t _ 一，t t t ， t - 一 ， t t fttt4 ， ， ， t t t t t4 4 ， l 。2 殳刺激5 礴孜殳父粼狻锚狡g 西投q 5 2 q 箔巧弱孜殳殳乓 供水系统如图1 4 所示： 图1 - 3 地板辐射采暖结构图 地面层 找i ，层 埋管层 加热管 绝热层 锚铺 地摧层 下层顶棚层 分、集水器 t 供小于6 0 ，压力小于0 6 m p a 图1 - 4 地板辐射供暖的供水系统 地板辐射采暖的热源可以是符合供暖水质标准的热水，包括地热水，经过处 理的温泉水等等，水温一般不高于6 0 c 1 7 i 。分、集水器的作用是根据供暖需求， 将热水分流输向各组加热盘管，同时收集各组加热盘管的回水。 室内热环境取决于房间传热过程的平衡状态。房间内部的传热过程包括各表 面与空气的对流换热、表面间辐射换热以及围护结构传热等。供暖房间热过程如 图1 5 所示： 4 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 围外 导热 护 辐射 部 结 环 构 境 图卜5 供暖房间热过程示意图 1 2 4 地板辐射采暖的优缺点 相对于传统散热器对流采暖，地板辐射采暖系统优势如下： l ，热舒适性好。室内温度分布均匀，地面有效温度高于呼吸线空气温度， 形成独特的微气候条件，空气温度在垂直方向上稍微呈负的梯度，见图1 - 6 ，为 人们提供了一个“足热头寒”的舒适环境，符合人体生理需求l a l 。 2 ，节能。由于地板温度较高，提高了房间的平均辐射温度，即使在室内空 气温度低于对流供暖温度2 3 时，也能达到与对流供暖相同的热舒适度， 同时由于地板换热面积大，室内温度分布均匀，从根本上避免了传统散热器供暖 局部高温，减少了室内高温空气聚集区，降低了室内外平均传热温差，与传统散 热器供暖相比，消除了靠墙散热器引起的通过外墙或外窗的热流短路。以上特点 使低温地板采纳相比对流供暖节能3 0 左右i 。 3 ，热媒温度低。只需4 5 - - 5 5 的热水即可运行，可以充分利用各种热源 及余热水：如地源热泵，太阳能。热损失少，节约能源，比传统采暖节约费用 l o 2 0 。 4 ，蓄热性能好。停止供暖可继续供暖几个小时，从而可以采取间歇运行方 式，节约能源。 5 ，使用寿命长。只要严格施工。可保用5 0 年，且几乎终生不用维护。 6 ，节省空间。整个系统在地面以下，不占用房问面积。 7 ，减少污染。空气流速很低，减少扬尘，室内空气洁净卫生。相比传统采 暖，地板辐射采暖的微细扬尘有5 0 到8 0 的减少1 1 2 1 ，从而大幅抑制室内微生 物和细菌的繁殖，可以为缺乏免疫力和易受感染的儿奄、老年入和病人提供舒适， 健康的室内热环境。 但同时不足也存在很多。比如，长期以来，因为室外温度变化和地板热惰性 5 中南人学硕十。学位论文第一章绪论 大的原因，很难控制室内的温度波动达到恒温；由于埋管分布不合理和均匀，导 致地板温度分柿不均匀，所以达不到热舒适的要求；地板辐射采暖属于隐蔽工程， 有渗漏的潜在危险，一旦渗漏检修比较困难，对原有结构有较大破坏。 到 图1 6 传统散热器供暖与辐射采暖效果比较( 华氏温度) 1 1 2 1 1 3 研究现状 1 3 i 地板板体传热的研究 早期的辐射地板传热研究以实验测试为主，模拟计算也是基于二维丌展的。 2 0 世纪5 0 年代，h u l b e r t 等人1 1 3 i 在假设地板上下表面都是等温面，地板下部热 损失均匀的条件下分析了埋管地板内的热流情况；s c h u t r u m l l 4 1 1 1 5 0 等人在此基础上 提出了地板散热量计算的经验公式，并指出地板表面温度应小于2 9 。c 。 仿真研究方面：受限于计算能力， h 砌s i l 6 i 将地板内的传热按照二维计算， 最早的模型均为二维模型。s a r t a i n 和 并对地板下部不同绝热上部不同覆盖和 不同室内外温差情况下水温与地板表面热流进行了测试。o l i v e r r i l l 7 i 于1 9 7 3 年提 出二维模型，受限于当时的数值模拟能力，将圆孔近似为等边六角形。认为管道 内表面换热热阻和管道本身热阻相对于地板结构热阻可以忽略不计。1 9 9 5 年h o 等1 1 3 i 对地板二维传热模型，分别用有限差分法和有限元法进行数值模拟，模拟结 果与实测结果符合较好。两模拟方法相比，有限元法计算时问少，且结果较符合 实际情况。k i l k i s1 1 9 1 1 2 0 l 提出稳态传热平面肋片模型_ ( p l a t ef i nm o d e l ) ，模型中将管 道之间的地板上表面按传热肋片处理，引入肋片效率，并认为室内空气温度不等 于au s t ，地板传热应按地板与室内空气对流换热和与其他墙面辐射换热两部分 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 计算。1 9 9 8 年k i l k i s l 2 i i 将平面肋片模型理论应用于埋地发热电缆地板辐射的研 究。2 0 0 0 年a d j a l i1 2 2 1 等利用有限容积法对二、三维地板结构模型分别计算。结 果显示对于较大面积的辐射地板，二、三维模型计算准确度无明显差别；但在边 角处三维模型能明显提高计算准确度。l a o u a d i l 2 3 1 于2 0 0 3 年提出了一种可用于建 筑能耗分析的地板辐射采暖模型，详细给出了系统换热过程中传热传质的具体算 法，并提出一种将一维用于能耗分析的数值模型和二维分析模型相结合的模型， 优点是可以准确的预报系统地表温度和地板最大，最小温度，并进行了模型验证， 结果显示模型与全二维模型吻合较好。s a t t a r i 和f a r h a n i e h1 7 4 1 利用有限元方法对 地板的瞬时传热，对流和辐射进行了参数研究，并给出了地板表面温度的逐时变 化曲线，分析了不同运行参数下辐射采暖的热舒适情况，并指出地面铺设材料的 种类和厚度是设计辐射采暖时的重要因素。丹麦学者w e i t z m a n n l 2 s l 于2 0 0 5 年建 立了低温地板辐射传热二维模型，用于研究地板结构地基对地板辐射采暖系统性 能的影响，并指出地板辐射采暖的热损失大于传统散热器供暖热损失；随着地板 传热量的增大，地板热损失相应的增大。加拿大学者a t h i e n i t i s l 2 6 i 利用有限差分 方法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，对地板辐射采暖系统的瞬时传热进行了数值模 拟，研究主要针对不同地板铺设材料导致地表和空气温度分布和能源消耗进行研 究，指出毛毯和木地板在蓄能方面要优于混凝土地板。p y e o n g c h a n i z 7 i 利用有限差 分法建立了二维地板采暖模型，分析了地板传热过程中板体和周围结构的温度 分布，热损失和瞬时热环境，并指出地板换热性能的增强j 下比例于运行水温的增 加。c h u a n g c h i d i 冽建立二维地板传热模型，对不同底层地板结构、材料和水温 等情况下的稳态进行计算。结果显示管道下部的保温材料队地板上表面散热无明 显影响，但对整个地板热损失和地板下的土壤温度有明显影响。为了分析地板的 热均匀性，周兴红提出地板温度效率的概念i 鲐i ，并加以推广 1 3 2 辐射供暖房间热环境的研究 基于地板辐射采暖的房间热环境研究从辐射采暖诞生起就开始了，d a v i e i 挣1 于1 9 7 8 年提出了辐射换热的平均辐射温度模型，模型假设每一个表面与一个假 想的有面积、辐射率和温度的表面进行辐射换热，每个表面与假想表面的换热量 等于与实际房间环境的换热量。v i s k a n t a l 3 e l 等用两个以上特定方向上的辐射热流 代替总辐射热流，建立各方向的辐射换热方程，这种方法用于计算一维辐射换热 比较准确，但对复杂形状的辐射换热较差。l i n s h o m l i 3 1 i 等1 9 9 8 年对于地板辐射、 吊顶辐射和墙面辐射采用不同的表面材料在自然对流和受迫对流情况下的辐射 特性在实验小室中进性研究，结果显示常用材料表面特性对辐射面的散热量无明 显影响。o l e s e n l 3 2 1 以一间单层办公室为测试对象，对地板辐射供暖在室外温度、 通过窗的太阳辐射、内热源影响因子作用下的室内热环境进行动态测试。结果显 7 中南人学硕士学位论文第一章绪论 示在动态条件下地板辐射供暖能保持较好的热舒适环境。l i n s t r o m1 3 3 l 等对于地板 辐射、吊顶辐射和墙面辐射采用不同的表面材料在自然对流和受迫对流情况下的 辐射特性在实验室中进行研究，结果显示常用材料表面特性对辐射面的散热量无 明显影响。2 0 0 0 年o l e s e n l 3 4 1 分析了地板对流换热系数、辐射换热系数和总复合 换热系数。介绍了一种地板表面对流换热系数的计算方法。通过测量表面温度、 地板温度和总复合换热系数，对不同的房f b j 温度( 作用温度、空气温度和平均辐 射温度) 对应各对流换热系数进行计算。w i l l i a m l 3 5 i 通过建立房问热平衡方程组， 比较了辐射供暖房问和对流供暖房间的能耗问题，指出辐射板供暖房问围护结构 传热损失大于对流供暖房间，换气热损失小于对流供暖房间。 由于地板辐射采暖的蓄热和释热特性，间歇运行存在很大的利用空间，研究 意义深远。g i b b s l 3 6 i 利用集总热容法建立低温地板辐射模型，利用该模型分别研 究了采用基于室温的间歇开启分区控制、基于室外温度和室内温度反馈的单区控 制、基于室外温度和室内温度反馈的分区控制三种控制效果。j o t a i ”i 利用预见性 控制分析了多参数影响下的非线性空气调节过程，其研究目的在于调查预见性控 制的潜在优势和在实际应用中的问题。理论和实验研究结果表明，尽管预见性控 制对于处理非线性系统有一定局限，但还是有显著优势的。c h e n t 嚣- 4 0 t 利用归纳预 见控制方法( g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，g p c ) ，来控制地板辐射采暖系统运 行，并将其结果和采用o n o f r 和p i 方法的结果与实验数据比较，指出g p c 在系 统响应时间和室温偏离方面都优于o n - o f f 和p i 方法。李兆坚，江亿1 4 1 i 提出由于 间歇供暖存在蓄热转移效应，在保证室温舒适性的条件下。当停暖时间比为3 0 时，间歇供暖的平均节能率达到1 0 。m c c l u e r l 4 z l 曾用热流的方法对地板辐射采 暖间歇运行下系统性能进行了研究，研究表明根据外界温度波动来设定运行水温 是一种有效的控制手段。c h o i 4 3 1 1 4 4 1 就间歇供暖进行了实验和数值研究，提出预见 性控制方法。结果证明，合理组织间歇运行，可以较传统运行方式节能1 0 到 1 2 。通过数值模拟，r k 和l o v e d a t l 4 s l 对比了预见性o n - o f f 控制和通过p i do n o f f 控制，数据显示预见性控制节能较常规控制达1 7 。 1 4 本文研究的内容 地板辐射采暖的传热过程是一个涉及对流，导热，辐射的耦合非稳态传热过 程。整个传热过程包括热水与管道内壁对流换热，从管道内壁到地板各层的导热， 地板上表明与室内空气的对流换热，以及与其他表面问的辐射换热。现有模型多 为二维模型，在此基础上研究稳态下影响地板上表面温度变化的因素。文献1 2 l l 指出，二维模型在地板边缘处无法精确模拟地板换热情况，误差较大。而实际过 程中地板上表面的换热是三维换热，温度和热流密度都是随时间变化的，这样导 中南人学硕十学位论文第一章绪论 致现有模型无法精确地模拟地板换热的瞬态工况，从而无法得到地板上表面温度 的实时变化情况；另外，对于系统间歇运行时，房间的热传递过程和室内热环境 相关研究较少，缺乏系统运行控制的理论依据。 本文的主要目的是：以能量守恒和质量守恒为基础，采用数值计算的方法处 理地板辐射采暖的建模问题，建立地板辐射采暖三维非稳态传热模型和空间传热 模型；并利用建立的模型，从以下几个方面展开具体的研究： 1 ) 对低温地板辐射供暖系统传热过程进行理论分析，作为数值模拟的理论 基础，并建立低温地板辐射供暖模型； 2 ) 模拟换热器的实时换热过程，得出地板上表面温度、板体温度的分布、 地板随时间升温，地板向下热损失等情况； 3 ) 重点研究地板辐射采暖在设计中应解决的问题，包括运行平均水温、管 径和管壁厚度、地面铺设材料和绝热层材料对地板辐射采暖换热性能的影响，为 地板辐射采暖的设计提供具有指导性的参考意见； 4 ) 针对夏热冬冷地区特殊的气候状况，提出针对性的地板辐射采暖间歇运 行方案，并进行数值模拟验证； 5 ) 针对夏热冬冷地区因围护结构导致的热损失不可忽略的情况，建立房间 动态热环境数学物理模型，研究在室外温度逐时变化和不同运行工况的条件下， 室内热环境变化规律，为低温地板辐射供暖在该地区的设计和施工提供指导性的 参考意见。 9 中南人学硕士学位论文 第二章地板辐射采暖板体传热模型 第二章地板辐射采暖板体传热模型 地板辐射采暖的传热过程是一个涉及对流，导热，辐射的非稳念耦合过程。 整个传热过程包括热水与管道内壁对流换热，从管道内壁到地板各层的导热，地 板上表明与室内空气的对流换热，以及地板上表面与其他表面间的辐射换热。传 热过程受地板结构形式、材料、管道的直径、管间距、铺设方式、水温、房问空 气初始温度、房间围护结构传热系数和非辐射面表面初始温度等因素影响，求解 有一定困难。 本章主要的研究对象为地板辐射采暖埋管换热器。埋管换热器是低温辐射采 暖系统中的重要散热部件和组成部分，其表面温度和散热量是此类供暖系统设计 计算的最重要的参数之一。由于地板内部温度和热流分稚较其他散热器复杂，表 面换热必须同时考虑对流和辐射两种换热过程，以往的模型多为二维模型。为了 方便建模以及节省计算时间，这些模型大多做了很多简化与假设。例如，采用二 维建模，在地板边缘处将会产生较大误差1 2 引。采用这样建模的计算结果对实际设 计和施工起不到准确的指导作用，反而有误导的可能。另外，多数模型只考虑热 量沿着径向传递而忽略板体内部的导热。实际上，板体内部的温度分布对设计各 导热层厚度是非常重要的；此外，地板埋管换热器在地板板体中的工作是一个三 维的导热过程，二维模型的模拟结果与实际值之问必定存在一定偏差。 本文拟建立地板埋管换热器三维模型，考虑管内流体沿流动方向上的温度变 化，考虑埋管层、找平层、地板铺设材料以及绝热层对地板上表面温度和地板埋 管换热器换热性能的影响。 2 1 物理模型 研究选取具有代表意义的两相邻埋管模型，其结构如图2 1 所示，地基层为 楼房未铺设任何地面材料时的混凝土地面；绝热层一般采用导热系数很低的聚苯 乙烯等材料，目的是尽量减少地板向下传热：铝箔主要起到防潮和均匀传热的目 的；埋管层材料为豆石混凝土或煤粉灰混凝土，作用为固定、稳定管路，同时还 可以起到获得均匀表面温度和加速传热的作用：找平层的作用是平整表面，以便 铺设地面材料；地面铺设层因需求而异，可以是木地板、瓷砖、大理石等等。 中南人学硕+ 学位论文第二章地板辐射采暖板体传热模巧4 2 2 数学模型 2 2 1 简化和假设条件 地板埋管 图2 - 1 地板辐射采暖构造图 ( 1 ) 地面铺设层是一个多层多介质的复合体，本章认为各层介质问紧密接 触，不考虑因接触热阻。 这一假设很大程度上取决于施工工艺。早期由于地板采暖属新型事物，施 工监管不完善，工程质量不能得到保证；2 0 0 0 年以来，随着各地陆续出台相应 的规范( 例如文献 4 6 1 ) 对施工质量改善起了监督作用，在经培训的专业人员施 工后，可以保证管壁与埋管层、找平层和地面铺设层之间接触良好，使接触热阻 降到最低。 ( 2 ) 各层材料均质恒物性，并认为其分布均匀。 因施工原因和运行年月的累积，地板板体会受到来自外界的热湿影响，本 文假设基于日常维护良好的条件，认为各层材料均质恒物性。 ( 3 ) 管内壁与热水充分接触，管内流动为紊流充分发展段。 一般地板辐射的水流流速为0 2 5 - 0 5 m s 之间，管径从1 6 m m 到2 0 m m 不 等。 因r c ：p v d ：一v d ， y 本文假设水流流速为0 2 5m s 。 1 2 ( 2 - 1 ) 辐埋；鼢删燃 铺层层 屈面平管箔獭 一一蝴一 = 乏 中南大学硕士学位论文第二章地板辐射采暖板体传热模型 所以，r e = 型：堕：焉0 2 5 x 1 6 x 1 0 - 3 ：3 5 0 5 2 3 2 0 。 y 1 1 4 1 l o 。口 流体力学告诉我们，当流体与管壁之间有热交换时，管子壁面上的热边界层 有一个从零开始增长直到汇合于管子中心线的过程。当流动边界层及热边界层汇 合予管子中心线后称流动及换热已经充分发展，此后的换热强度保持不变。从进 口到充分发展段之闯的区域称为入口段。 对于实际的地板辐射来讲，热水在进入地板埋管之前，要先经过一段管路( 包 括各阀门，泵和分水器) ，然后进入地板埋管，此管路一般均大于入口段长度， 所以本文假设管内流动属紊流充分发展流动。 ( 4 ) 埋管间距沿轴向等距。 目前大多数的地板埋管采用交联聚乙烯管( p e x ) ，聚丁烯管( p b ) 或耐热 增强聚乙烯管( p e r t ) ，这些管材都具有一定的可弯曲性，加之铺设管路时， 由于人的差异容易造成管问不等距，进而容易发生和加剧热短路现象产生。但通 过每隔一段距离安置塑料卡丁和埋管层的固定，可以保证两管间距沿轴向等距， 这一点在工程中只要规范操作，是很容易做到的。 2 2 2 控制方程 模型的建立考虑两万回：暂内流体时流动和固体介质( 包括地基层、绝热层、 埋管层、找平层、铺设材料) 中的导热过程。 1 ) 流体部分： 管内流动属紊流充分发展流动。 方程包括以下： 连续性方程 丝+ 垒+ 塑：o ，( 2 2 ) 暾 o y 宓 动量守恒方程 妻+ “罢+ y 塑o y + w 謇) - 只一塞+ 伽) ( 窘+ 雾+ 窘 ， c 2 偿+ “塞+ v 考+ w 争c 一考啪鸬佰a 2 v 芬+ 斟 c 2 4 ) 筹+ “罢+ v 茅+ w 暑) = e 一笔+ 似+ 鸬) ( 窘+ 雾+ 窘) ， ( 2 剐 中南人学硕十学位论文第二章地板辐射采暖板体传热模艰 鸬：紊流粘度，麒= 以譬，k ：湍流动能，占：湍动能耗散率， 能量守恒方程 鲁= 一“塑一y 等一w 誓+ 一2 pi f a 苏2 t 2 f - + 矿0 2 t f o x p c + 軎】 c 2 剐 a f 砂 如 pl 苏2却2瑟2l 一一 湍流动能方程k ，和扩散方程s ： 毒( 砌庐毒眦+ 拿筹】+ 瓯+ 瓯一伊， c 2 毒c 舢矿毒 ( + 箦) 筹 + q 暑昙c g + 。瓯，一尸妄， c 2 渤 式中，瓯= 一雨善，g 6 = 鬲j 1 t 考，鸬= 孵等叫为速度矢量；夕 为流体密度；p 为压力；乃为黏性力张量；p g 。为体积力；e 为由热源，污染 源引起的源项；为运动粘度；以为湍流粘度；瓯为平均速度梯度产生的湍流 动能；g 6 由浮力产生的湍流动能；c i f ，c 2 p ，c 3 e ，盯足，以，q 均为常数，取值分别 为1 4 4 ，1 9 2 ，1 ，1 0 ，1 3 ，0 0 9 。 2 ) 固体部分 管壁、地板各层中的导热可以看作热量在多种不同材料中的传导。其导热方 程为： 鲁= 去( 鲁十等+ 鲁) ， ( 2 聊 其中：t s 为固体材料的温度( ) ，k 为固体材料的导热率( w ( m 2 k ) ) ，p s 为 固体材料的密度( k g m 3 ) ；c 芦为固体材料的比热容( k j ( k g k ) ) ；t 为计算时 间( s ) 。 地板最小传热单元如图2 2 所示，下面将具体分析各处边界条件。 1 4 中南人学硕士学位论文 第二章地板辐射采暖板体传热模型 y x 图2 - 2 地板最小传热单元剖视图 ( 1 ) c 彳边界 因两边对称，此处可设为绝热。同理，e f ，a - b 为绝热， 堡a x 一- - 。 ( 2 1 0 ) o ( 2 0 ) ( 2 ) 出p 边界 地板上表面的换热过程包括自然对流传热和辐射换热，过程复杂，这罩将其 处理成一个总的热流，即第二类边界条件和复合换热系数来处理，即： 一七= g = g ，垤= 1 6 f _ ) = 以( f p a u s t ) 扎o p - t o ) 。 ( 2 1 1 ) t ，：热辐射面平均温度( ) a u s t ：热辐射面以外其余围护结构表面的面积加权平均温度( 1 2 ) 、一i 棚卜； i j j - - - i ， 弘m ， ， i z 。i z j 式中，c ：房间内除地板以外其他表面的面积，m 2 ；乃：房间内除地板以外其他 表面的温度，k ；占：房间内除地板以外其他表面的发射率。 ( 3 ) 角边界 处理为第二荚边界条件 一七祟：以纯一厶) ， 按文献1 4 7 1 ，取以= 8 7 。 ( 4 ) k 边界 一七善k 面咄( t f - - t p ) ， 1 5 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 中南人学硕十学位论文 第二二章地板辐射采暖板体传热模礅 其中：驴，t p ：管内流体温度，管内壁温度，；h r ：管内对流换热系数， = 。2 3r e n 8p r “鲁，冷却流体时时n = 。3 。p r = 詈，y ：运动粘性系数，m 2 s , 口：热扩散率，朋2 s ；厂：管道半径，历；0 ：流体导热系数，w ( m k ) 。 缸推导过程： 由2 3 1 推导可知，管内属湍流充分发展流动。 由文献1 4 8 1 得： 管内湍流强制对流换热，迪图斯贝尔特公式： n u 厂= 0 0 2 3 r e 芦op 哆，又m ：了h i ，其中，：d 。，为特征尺度，工程处理采 用以当量直径来代替吐= 等，氏为管道的流动截面积，p 为润湿周长。所以， h ，：0 0 2 3 r e o 8p r 一生。 2 r