（热能工程专业论文）低温地板辐射采暖系统的数值模拟与参数优化.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 低温地板辐射供暖系统因其舒适性和节能性被广泛应用于住宅、宾馆客房、商 场、游泳池等建筑中论文采用c f d 模拟技术，研究不同系统特性参数对低温地板 辐射采暖系统的影响，如加热管内水流流速、供水水温、管间距、供暖层厚度、管 径和管型。通过对不同系统特性参数下的温度场的模拟，得出了各种工况下的地面、 地板层和房间内的温度分布，总结出该采暖系统的基本规律。并利用预测平均价 ( p m v ) 和不满意率( p p d ) 舒适度指标对低温地板辐射采暖系统进行了评价。最后 根据由数值模拟的结果总结出的规律，结合人体热舒适性和节能要求，给出相应的 合适的设计参数与建议。 关键词i 低温地板辐射采暖，数值模拟，热舒适性，节能 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sc o m f o r t a b l e n e s sa n de n e r g yc o n s e r v m i o n ，l o w - t e m p e r a t u r e r a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e mi sw i d e l ya p p l i e di nh o u s i n g ，g u e s t h o u s ea n ds oo n c f dm e t h o d sa r eu s e di nt h i sp a p e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts y s t e m p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rt ot h el o w - t e m p e r a t u r er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m ，a st h e c u r r e n tv e l o c i t yi nh e a t i n gp i p e ，t h et e m p e r a t u r eo fs u p p l y - w a t e r , t h ed i s t a n c eo ft h e p i p e s ，t h et h i c k n e s so ft h eh e a t i n g - f l o o r ，p i p ed i a m e t e ra n dt h ep i p es h a p e t h r o u g h t h es i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l du n d e rd i f f e r e n ts y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r , i t o b t a i n st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fg r o u n d ，f l o o ra n dr o o mu n d e re a c hk i n do f c o n d i t i o n s ，t h u ss u m m a r i z e st h eb a s i cr u l eo ft h i sh e a t i n gs y s t e m i tc a r r i e so nt h e t h e r m a lc o m f o r ta p p r a i s a lt ot h el o w - t e m p e r a t u r er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e mu s i n g p m va n dp p d a c c o r d i n gt ot h er u l ew h i c hs u m m a r i z e db yt h ev a l u es i m u l a t i o n r e s u l ta n dt h er e q u e s to fh u m a nt h e r m a lc o m f o r ta n de n e r g yc o n s e r v a t i o n ，i tg i v e s t h ec o r r e s p o n d i n ga p p r o p r i a t ed e s i g na n ds u g g e s t i o n w a n gz h e n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f j i n gy o u y i n k e yw o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r er a d i a n tf l o o rh e a t i n gs y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h e r m a lc o m f o r t , e n e r g yc o n s e r v a t i o n 声明 本人郑重声明：此处历提交的硕士学位论文低温地板辐射采暖系统的数值模拟与 参数优化，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期闻，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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。 学位论文作者签名： 兰辔 日期：2 丝2 ：丝 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文； 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名；兰辔 日期；2 芝堕三：丝 导师签名： 日期： 咛够 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 当今世界的三大问题是人口、资源和环境问题。资源问题又以能源为首要问题。 能源是能量的源泉，是社会发展的动力二十世纪以来，由于世界经济的发展和不 断追求更高水准的生活，能源消耗的增长越来越快。根据1 9 7 8 年的报导，世界化 石燃料的经济可开采储量约折合7 3 0 0 亿吨标煤，如按现在的开采技术水平，煤可 用约2 0 0 年，石油大约可用3 0 年，天然气可用5 0 余年这充分说明了能源问题的 严重性因而在现代社会中，任何国家都把节能作为一项国策。有人将“节能”称为 在煤、石油、天然气、电能这些常规能源之外的第五大“能源”，是有道理的。 建筑能耗通常是指建筑物使用过程中所消耗的能源，主要包括暖通空调、热水 供应、饮食、家用与办公电器、照明等方面的能耗，其中以采暖空调能耗为主据 2 0 世纪8 0 年代中期的统计，美国、日本等国的建筑能耗大约占社会总能耗的1 3 ， 气候寒冷的北欧国家如瑞典等已达到4 5 ，并以大约每年4 的速度增长。据统计， 我国建筑总能耗约占社会终端能耗的2 0 7 。其中，北方城镇建筑采暖和农村生活 用煤约为1 6 亿吨标煤，年，占我国2 0 0 4 年煤产量的1 1 4 ：建筑用电和其它类型的 建筑用能( 炊事、照明、家电、生活热水等) 折合为电力，总计约为5 5 0 0 亿度，年， 占全国社会终端电耗的2 7 之9 散热器采暖是多年来建筑物内常见的一种采暖形式。随着社会经济不断向前发 展，人们生活水平的不断提高，新材料，新技术日益推广应用，这种传统采暖形式 的弊端日益突出，如热舒适性差、能耗大、耗钢材多不便于按热计量，不能分户 分室控温等等而低温热水地板辐射采暖便是克服这些弊端的一种好的方式。 辐射供暖是指提升围护结构内表面中一个或多个表面的温度，形成热辐射面， 依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热交换进行供暖的技术方法。 同时由于辐射，室内各表面的温度升高，导致它们与空气间的对流加强，使房间空 气温度上升，进一步加强了供暖效果。在暖通空调领域中，通常辐射面温度大于 1 5 0 时，称为高温辐射供暖；辐射面温度小于1 5 0 时，为中、低温辐射供暖。水 媒地板供暖、电热吊顶或电热地板供暖等供暖方式，由于辐射表面温度一般控制在 3 0 以下，都属于低温辐射供暖【1 1 低温辐射采暖系统早在2 0 世纪3 0 年代初，就被西欧发达国家所采用，实践证 明它比普通散热器采暖更舒适但是，由于当时金属管接口多、易腐蚀、膨胀系数 大、易引起龟裂及损坏后无法更换等问题，致使地板辐射采暖技术未能得到广泛的 应用。7 0 年代以来，随着化学工业的发展，抗老化、耐高温、热稳定性好的塑料材 华北电力大学硕士学位论文 质取代了旧的金属管材其成本低、不易漏、不易结垢、膨胀系数小等优点为低温 地板辐射采暖提供了可靠的材料保证随着建筑业的发展和人们生活水平的提高， 特别是独立供暖、分户计量等相关政策的出台，地板辐射采暖显示了其旺盛的生命 力。地板辐射采暖技术已广泛应用于锾饮业、购物中心、体育场馆等公共建筑，并 普及到个人住宅、商业高级住宅，特别是大跨度和矮窗式新型建筑物的采暖需要， 所以它的普及与推广，将是采暖领域一次变革【2 】 低温地板辐射供暖系统因其舒适性和节能性被广泛应用于住宅、宾馆客房、商 场、游泳池等建筑中。因此，研究其地板表面温度、辐射换热量、对流换热量、围护 结构内表面温度等特性参数是很有必要的，而当前它们的计算主要以美国a s h r a e 手册上的方法为依据。由于围护结构种类繁多常：别是很多新型材料的广泛采用。有 些已经超出了手册规定的使用范围，而且我国相应的技术规范的制定和修改也没有 做出相应的调整，所以如何根据低温地板辐射供暖房间围护结构的具体情况合理确 定各特性参数是理论上和工程上应考虑的新问题 1 2 国内外发展与研究动态 1 2 1 国外发展与研究动态 国外早在十九世纪末就有人提出低温地板辐射采暖的思想。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采暖工程，在1 9 0 7 年获得发明专利【1 2 】，标志着地板 辐射采暖作为一项专门的技术被社会承认早在二十世纪四十年代就有美国的 j r c a r r o l l 对地板辐射采暖形式的自然对流进行了分析【”l 。五十年代s a x t a i n 和 h a r r i s h 】认为地板内的传热应该按照二维计算，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。1 9 7 9 年，h o g a n 1 5 】 用有限容积法求解地板二维稳态传热模型；1 9 7 8 年到1 9 8 0 年问，h a n n a y 和l e b r u n 等美国诸多学者对不同的采暖系统的热舒适性和能量消耗进行了研究，这些研究表 明：当各种不同的采暖系统达到相同的热舒适性时，其各自能量消耗有明显的不同， 地板辐射采暖可节能1 0 - - 4 0 t 1 6 1 。e b a i l e y l l 7 】等一些国外学者对低温热水地板辐射 采暖系统的节能性进行了大量的试验研究和计算机模拟计算；采用低温热水地板辐 射采暖方式的房间可能会因为不对称辐射和辐射板表面温度过高而引起人体的不 舒适感，国外一些学者针对这个闽题，做了大量的相关试验研究，为实际工程设计 提供了宝贵的数据参考由于低温热水地板辐射采暖系统的特点，其设计过程也与 传统对流采暖系统存在差别，l n k a l i s p e r i s 】和m d f l i n g 1 9 】等对低温热水地板辐 射采暖系统设计进行了研究，并根据其特点分别提出了基于平均辐射温度和热舒适 指标的系统设计方法。加拿大阿尔伯达大学的s y h o 、r e h a y e 和r k w o o d 对 2 华北电力大学硕士学位论文 低温热水地板供暖系统的热力学特性进行了模拟【2 。c r m a c c l u e r 等对低温热水地 板辐射采暖系统的控制做了很多的试验研究和计算机数值模拟，并对不同控制方式 做了比较分析【引1 - - 2 3 1 。 1 2 2 国内发展与研究动态 我国自五、六十年代就有一些科研人员开始了地板供暖技术方面的研究工作， 并将该技术应用在人民大会堂、华侨饭店等工程中但由于受到当时的技术条件和 材料工业的限制，低温地板辐射采暖没有得到广泛的应用。随着塑料工业的飞速发 展，新型管材的出现使得低温地板辐射采暖的研究和应用得以广泛开展。9 0 年代末 建设部科技发展促进中心于1 9 9 9 年9 月在乌鲁木齐，2 0 0 0 年9 月在秦皇岛召开了 低温热水地板辐射采暖技术研讨会，在会上大力推广该项技术，使该项技术得到了 支持与发展。随后，低温热水地板辐射采暖技术在北京市、青岛市、上海市、大连 市、山东省等地得到相当规模的应用，有的地区已形成热点，并编制了地区的技术 标准，如北京市、上海市以及山东省。一些高校和企业在不断地引进国外的理论和 成功经验的同时，还针对本国的具体情况，对低温热水地板辐射采暖系统进行了相 关的理论和试验研究，并加以分析，提出了适合我国发展的一些看法，为该项技术 在国内开展创造了有利的社会环境和研究环境，使该项技术的研究迅速在国内发展 起来【3 l 。冉春雨【4 】建立了二维地板传热模型，并用有限元法求解，建立了地板辐射 房间温度场模型，按房间热平衡法建立实验台进行小样实测，实测结果与计算结果 基本一致。唯匿安建筑科技大学的刘艳峰和刘加平i m ；f i 用p h o e n i c 3 3 计算软件对低 温地板辐射供暖房间和散热器供暖房间的温度场进行了仿真模拟。建立供暖房间传 热过程的数值模型，对两种房问进行了编程计算。两个模型计算结果反映了低温地板 辐射供暖房间的室内热环境优于散热器供暖房间。根据各自热环境特点，计算了两种 房间的能耗低温地板辐射供暖房间比散热器供暖房间节能1 0 - 1 2 ，其节能的主 要原因是消除了空气局部高温区，避免了外围护上的附加传热量。天津大学的王英辉 等人对地板辐射供暖系统的热工性能进行了试验研究给出了一个试验性公式 6 1 。中 国科技大学热科学与能源工程系可再生能源与节能研究所的叶宏等人采用一种定 形相变材料作为贮热介质，并对该种地板辐射采暖系统建立了相应的理论模型，做 出了数值模拟【7 1 北京建筑工程学院的邱林针对目前地板采暖热负荷计算的现状，从 符合地板辐射采暖自身热力特点的规律出发，给出一种相对严密的热负荷计算方法， 并与现行方法进行对照，得出地板采暖中辐射供热的份额越大、利用现行对流式热负 荷计算方法所得结果的偏差相对就越大的结论；同时，邱林也对地板辐射式采暖与 散热器对流式采暖进行了对比分析弭1 1 9 1 。上海交通大学制冷与低温工程研究所的孔 祥强等人对列车客车用低温地板辐射采暖进行了传热模拟【1 0 l 。西安建筑科技大学的 3 华北电力大学硕士学位论文 李安桂等人对基于辐射供暖的人体舒适性进行了分析，给出了辐射板在高大建筑空 间的最佳安装位置的建议，同时对人体与热环境辐射换热、辐射板散热及工程设计 方法进行了探讨【1 1 3 论文的主要工作内容 ( 1 ) 阐述低温地板辐射的基本原理、系统形式、人体热舒适的基本知识 ( 2 ) 在华北电力大学中央空调系统的空调小室中搭建电热地板辐射采暖系统实 验台，并对系统温度场进行了实测与数值模拟，通过对实测值与数值模拟结果的比 较，验证了数值模拟的正确性。 ( 3 ) 低温地板辐射方案研究与系统设计，采用c f d 模拟技术，研究低温地板辐 射采暖系统散热量与相关的影响因素( 如供暖层厚度、管间距、管径、管型及供水 温度等) 的关系。 ( 4 ) 采用c f d 模拟技术，研究低温地板辐射采暖系统中的人体热舒适性及其影 响因素 ( 5 ) 通过c f d 模拟结果分析，总结出该采暖系统散热量与相关影响因素的基本 规律，结合人体热舒适性和节能要求，给出相应的合适的设计参数。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章低温辐射采暖换热机理及特点 2 1 低温辐射采暖的换热机理 辐射换热的机理与导热和对流换热不同，它不依靠物体的直接接触或中间介质 进行热量传递，而是靠物体本身发出辐射线向周围空间辐射能量，这种作用称为辐 射热交换。辐射热交换实质是两次能量的转化过程，即物体的一部分内能转化为电 磁波能发射出去，在真空的环境中以光速传播，当此电磁波达到另一个物体表面而 被吸收时，电磁波能又转化为物体的内能，而使物体产生热效应由于热辐射线是 物体内部电予振荡的结果，而电子振荡又取决于物体的温度，当两个物体温度不同 时，高、低温物体都在不停的发射出电磁波，而高温物体辐射给低温物体的能量大 于低温物体辐射给高温物体的能量，结果是高温物体向低温物体传递了能量【2 4 】。 低温地板辐射采暖是通过被埋设在地板内的加热管加热地表面放射出8 - 1 3 1 j m 的远红外线，投射到人体皮肤2 m m 深处的“热点”传感器上，并对它产生刺激，因而使 人感到温暖的采暖型式人体通过皮肤以辐射、对流、蒸发和肺部呼吸等方式向外 散热，当散热量和人体产热量达到平衡时，一般人体体温维持在3 7 左右。人体换热 量中大约有5 0 是以辐射方式进行的，因此，围护结构( 墙、窗、地面等) 内表面温度 的高低直接影响到人体的舒适感和散热效果【2 6 1 。 低温地板辐射采暖与普通散热器采暖的区别在于：普通的散热器采暖是使散热 器周围的空气加热，被加热的空气再将能量传给维护结构，使地板、墙体、顶棚的温 度升高，整个传热过程主要是以对流传热方式进行的，虽然也存在热辐射的作用，但其 效果很小而地板辐射采暖是以整个地板表面作为散热面，在加热地板表面附近空 气进行对流换热的同时，主要以辐射热的形式对四壁、顶板进行加热，从而使周围 的维护结构表面温度升高，进而使整个维护结构内各表面温度有所升高，从而加强 了对人体的热辐射强度1 2 ”。 由于冬季地面温度适当提高可增加舒适性，有利于人体健康，热辐射面在下方 可加大对流传热等原因，且常用水媒辐射采暖均主要采用地板辐射采暖的形式，本 文所研究内容以地板辐射采暖系统为主。 2 2 水媒辐射采暧 2 2 1 水媒辐射采暖系统组成 一个完整的水媒辐射采暖系统包括热源、采暖管路系统、分水器、集水器、水 泵、补水定压装置及阀门、温度计、压力表等。低温地板辐射采暖系统如图2 - 1 所 5 华北电力大学硕士学位论文 示。任何一种安装在地面的辐射采暖系统通常要包括发热体、保温( 防潮) 层、填 料层等部分地板采暖目前常用的发热体是水管，在水管中通入3 0 6 0 c 的热水， 依靠热水的热量向室内供热【1 1 。 图2 - 1 低温地板辐射采暖系统图 2 2 2 水媒辐射采暖构造形式 2 2 2 1 地板层构造 裴雠 图2 - 2 水媒地板辐射采暧系统地板层剖面图 地板采暖因水温低，管路基本不结垢，多采用管路一次性埋设于垫层中的作法 地面结构一般由楼地面、隔热层( 上面敷设加热水管) 、填充层、找平层和装饰层 组成。图2 2 为水媒地板辐射采暖系统地板层剖面图。 找平层是在填充层之上进行抹平的构造层，以便在上面进行室内装修敷设装饰 层隔热层主要用来控制热量传递方向，使热量尽可能多的向上传递。隔热材料应 6 华北电力大学硕士学位论文 尽量选用密度小质轻，有一定承载力，热阻高，吸湿率低，难燃或不燃，不腐不朽 的高效保温材料。热阻大可以减小使用厚度从而减少建筑层高的损失质轻可以降 低地面承重载荷。但绝热材料又必须有一定的强度，能够承受其上的填充层的压力 而不致有大的变形，更不能有破裂。在隔热层上面一般敷设一层铝箔防潮层，这样 做的目的是为了有效减少隔热层与水分的接触，因为当保温材料中存有水分的时 候，其毛细孔内的水分增强了传热而降低了保温作用。当工程允许地面按双向散热 进行设计时，可不设隔热层。涉及分户计量的住宅建筑和与土壤相邻的地面，必须 设隔热层，对于潮湿房间如卫生间等，在填充层上宜设置防水层 。 填充层是用来埋置、保护加热管并使地面温度均匀。基于上面这个目的，填充 层要有一定的强度和刚度，并且尽可能传热、蓄热性能好，同时也要价格便宜，方 便施工蓄热性能往往与热舒适性相关，蓄热性能好的材料热惰性也大，所以填充 层的选用也很重要，一般工程上采用水泥砂浆或碎( 卵) 石混凝土。 2 2 2 2 管路敷设方式 管路的敷设方式有多种，一般要求尽量简单及温度分布均匀。图2 - 3 、图2 - 4 、 图2 5 为几种常见的管路敷设方式，可以根据建筑灵活使用。 图2 - 3 螺旋型( 双回型) 布管方式图2 _ 4 迂回型( 单蛇型) 布管方式 图2 - 5 螺旋迂回型( 双蛇型) 布管方式 7 华北电力大学硕士学位论文 其中。由于螺旋型布管方式通常可以产生均匀的地面温度，并可以通过调整管 间距来满足局部区域特殊的要求，并且采用螺旋型布管时管路只弯曲了9 0 * ，材料 所受弯曲应力较小，因此，在工程上，塑料埋管布管广泛采用螺旋型敷设方式。本 文将着重针对螺旋型敷设方式进行研究。 2 2 2 3 盘管管材 早期的地板辐射采暖均采用金属管材，由于其自身的一些特性，将其用于地板 采暖时出现诸多问题，如埋管接头多，施工难度大且渗透无法彻底解决：管道胀力 大，易胀裂地面；管材寿命短，可靠性低等随着化学工业的发展，经过特殊处理 和加工的新型塑料管材已能满足地板采暖对管材温度、压力和耐老化的要求，而且 管道长度可以按设计要求截取，埋管部分无接头，杜绝了埋地管道的渗漏。另外， 塑料管容易弯曲，易于施工因此，现在地板采暖均采用塑料管材目前地板采暖 经常所采用的塑料管材有以下几种：交联聚乙烯( p e ) ( ) 管、交联铝塑复合( x p a p ) 管、 聚丁烯( p b ) 管和三型聚丙烯( p p r ) 管 表2 - 1 地板辐射采暖的几种塑管材性能对比 项目p e x 管 p p r 管 xp _ a p 管 p b 管 密度( g c m 3 ) 0 9 4 o 8 91 3 0o 9 3 导热系数( w m k ) o 3 50 2 30 4 50 2 2 线性膨胀系数 0 2 0 50 1 8 0 0 2 6o 1 3 ( m m m 蚰 维卡软化点， 1 2 3 1 4 01 2 31 1 3 耐高温性能最高使用温度9 5 0 ，可短期承受11 0 1 21 0 3 以下 低温脆化温度 4 0 1 0 1 2 4 0 - 4 0 低温抗冲击性优 较差 优 优 抗冻性 优 较差一般优 试验压力，m p a 5 o3 56 04 o 易弯曲性能良好不易弯曲一般良好 连接方式机械热熔机械机械或热熔 2 2 2 4 施工程序 ( 1 ) 毛地面抹水泥砂浆找平，并使地面尽量凭证、清洁； ( 2 ) 敷设保温材料； 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 敷设铝箔纸； “) 按设计要求敷设水管，用卡钉固定管材； ( 5 ) 以工作压力的1 5 倍进行水压试验： ( 6 ) 回填细石混凝土，并加入膨胀剂以防龟裂； ( 7 ) 水泥砂浆找平； ( 8 ) 管道敷设完毕，再次进行水压试验； ( 9 ) 管网冲洗干净后，再与分、集水器连接【2 4 1 。 2 2 3 水媒辐射采暖系统的热源 水媒辐射采暖系统常用的热源主要分为三类：集中热源、独立热源和其他热源。 ( 1 ) 集中热源主要有：城市热网、锅炉房、中央空调回水、热泵等； ( 2 ) 独立热源主要有：壁挂式燃气锅炉、家用电热锅炉等； ( 3 ) 其他热源：余热、废热、地热、太阳能等各种能源。 其中家用热水采暖锅炉如壁挂式燃气锅炉、家用电热锅炉一般应具有一些安全 保护措施，确保使用安全。 2 3 电热辐射采暖 电热辐射采暖系统以电力为热源，在同一建筑单元中，根据不同的功能区域及使 用要求，采用发热电缆和低温辐射电热膜作为核心发热体，辅之以配套的隔热材料 和固定材料，集成为供暖系统，通过智能控制，从而达到供暖效果。 2 3 1 电热辐射采暖系统的分类 电热辐射采暖系统一般分为以下三类： ( 1 ) 加热缆线辐射采暖系统，可广泛应用于各种安装区域，一般安装在地板层； ( 2 ) 电热膜辐射采暖系统，电热膜采暖系统通常安装在天棚上，还可安装于墙 壁或地板中； ( 3 ) 电热板辐射采暖系统，一般是作成定型产品，可以顶棚安装、地板安装、 墙壁或墙裙安装、蓄热式地下敷设安装等 2 3 2 电热辐射采暖系统的组成及构造 ( 1 ) 加热电缆线辐射采暖系统：由温控器、地面保温层、铝箔、钢丝网、发热 电缆、感温探头、地板装饰层和填充层等组成，如图2 - 6 所示。 ( 2 ) 电热膜辐射采暖系统：以电热膜为发热体，配合温控器、连接卡、绝缘罩、 导电电路以及表面装饰材料等组成，如图2 - 7 、图2 - 8 所示。 9 华北电力大学硕士学位论文 图2 6 加热电缆线辐射采暖系统图 图2 7 电热膜辐射采暖系统图 图2 8 电热膜结构图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 电热膜：加热器 连接卡：由特殊的合金材料制成安装时用专用工具将连接卡的一端固定在电 热膜的载流条上，然后将另一端压接在导线上。 绝缘罩：起绝缘和保护连接卡的作用由上下两部分组成，使用时内注热熔绝 缘胶 温控器：设定、控制室内温度。通过设定，可以随时调节室内温度，并保持室 温恒定。起到行为节能的作用。 绝热层：用来隔绝热量散失，保证单向传热。 轻钢龙骨：固定电热膜与石膏板。 石膏板：系统的饰面层，起到保护和装饰的作用。 ( 3 ) 电热板辐射采暖系统：由纯电阻电路构成的电热元件与特制的材料所组成 固定的电热板，与温控器组合而成，如图2 9 所示。 图2 - 9 电热板辐射采暖系统图 2 。4 低温辐射采暖的优缺点 2 4 1 低温辐射采暖的优点 ( 1 ) 最舒适的采暖方式 中医认为“热从头生，寒从足入”现代医学也表明，人体的内脏器官只有在适 宜的温度条件下，才能保持正常生理功能。当外界变冷时，人体机能自动调节，为 了不使体内热量散失，手脚血液会回流以保持内脏器官所需的温度当脚下温度低 时，脚部血管收缩，血液回流受阻，导致全身血液循环不顺畅，这样人的全身都会 感到寒冷所以暖人先要暖脚，只有脚温暖了，全身才会感觉温暖。传统的取暖方 式，房间的顶部大约有3 0 ，而人体所处的位置尤其是脚部仅有1 5 ( 2 甚至更低。 人坐的时间久了就会感觉脚冷腿凉，腿脚受凉会增加寒腿病、关节炎的患病可能。 华北电力大学硕士学位论文 地板辐射散热是最舒适的采暖方式，室内地表温度均匀，室温由下而上随着高 度的增加温度逐步下降，这种温度曲线正好符合人的生理需求，给人以脚暖头凉的 舒适感受。同时，地板采暖可促进居住者足部血液循环，从而改善全身血液循环， 促进新陈代谢，并在一定程度上提高免疫能力。此外，“足热头寒”的环境可以避免 犯困，有利于增强记忆力、提高学习和工作效率。 ( 2 ) 高效、节能、运行费用低 1 ) 可利用余热水、太阳能、地热等各种低温热源： 2 ) 地板辐射供暖方式较对流供暖方式热效率高，热量集中在人体受益的高度 内，室内设定温度即使比对流式采暖方式低2 3 ，也能使人们有同样的温暖感觉， 所以温差传热损失会大大减小； 3 ) 热媒低温传送，在传送过程中热量损失小，热效率高： 4 ) 与其他采暖方式相比，节能幅度约为2 0 ，如采用分区温控装置，节能幅度 可达到4 0 。 ( 3 ) 环保、卫生，健康保健 地板辐射采暖的供暖原理为辐射导热，与空调、暖气等通过强制对流循环热风 供暖相比，空气中灰尘流动要小的多，减少了空气中有害病菌的蔓延，室内环境更 加卫生清洁，有利于支气管炎、呼吸道感染和过敏性症候群的健康；空气对流减弱， 水分散失较少，克服了传统散热器供暖方式造成的室内燥热、口干舌燥等不适，避 免了女性皮肤因失水而过分干燥。 ( 4 ) 不占使用面积，花同样的钱等于买了更大房子 采用地板采暖，室内不再有暖气片及其支管，无形中增加2 3 的室内使用 面积，不仅便于装修和家具布置，对于大城市数千元一平米的房价，无疑是为您节 省了数万元的费用。 ( 5 ) 使用寿命长，免维护，安全性能好，节约维修费用。 由于地板采暖盘管全部暗埋在楼板中，所以在采暖运行中如果不是人为破坏， 几乎不存在维修的问题，使用寿命在5 0 年以上，不腐蚀、不结垢，大大减少了暖 气片跑、冒、滴、漏水和维修给住户带来的烦恼，可节约维修费用。 ( 6 ) 初始建安成本低，可分区控制，计量方便，便于管理。 地板辐射采暖与其它单户式供暖方式相比，不增加建筑成本及运营维护成本， 各房间的温度可根据需要独立调节控制，便于进行分户热计量收费。 减少楼层噪音 目前我国一般选用预制板或现浇板楼板，其隔音效果极差：采用地板采暖增加 了保温层，具有非常好的隔音效果，可降低噪音污染；地板采暖寂静无声，室内环 境清静。 华北电力大学硕士学位论文 2 4 2 低温辐射采暖的缺点 ( 1 ) 地板辐射供暖适合予建筑热下条件较佳的节能住宅。建筑热工况差的住宅 非但不能体现地板供暖的优点，还会导致地板温度过高，甚至还需增加散热器。同 时，室内地面装饰材料、家具摆设的位置、数量都会影响地板采暖的效果，而这些 在设计阶段是难以考虑周全的。 供暖的地面垫层占用一定的建筑净空间。地面垫层包括2 0 m m 的保温层、 2 0 m m 的管道、3 0 m m 的卵石混凝土填充层、l o m m 的地面，总共8 0 m m ，也就是说 占净高的8 0 m m 。因此建筑层高不能低于2 8 m ，并使结构荷载增大约1 2 0 k g m 2 如 果减少地面垫层的厚度，会使温度分布不均匀，造成地面龟裂，影响管道的使用寿 命 ( 3 ) 目前的家庭装修易破坏地板供暖的管道对于毛坯房先不施工地板供暖管 道，而后可与用户的地面装修同步进行；对于精装修的商品房，其地板供暖管道的 敷设与地面装修需同步进行；这样就减少了装修对地板供暖管道的破坏。 “) 热媒温度不能高于6 0 集中供暖的供水温度一般在8 0 c 以上，需要增加 二级换热以降低水温。地板供暖特别适于用热泵、低峰用电锅炉、空调回水、分户 壁挂炉等作为热源 ( 5 ) 泵能耗高。因为地板供暖要求供回水温差不宜大于l o ，又要求热媒管内 流速不应小于0 2 5 m s ，所以循环水量比常规供暖系统大了一倍多，水泵电机能耗高 对于常规集中供暖系统，在进入设有地板供暖的住宅后，必须增加二级换热以降低 水温和减小温差，这就增加了设备投资。 ( 6 ) 材料和施工市场堪忧，施工、调试和验收程序困难。技术原理和设计基础 资料环节，仍处于认识过程中，滞后于应用。 华北电力大学硕士学位论文 3 1c f d 概述 第三章c f d 数值模拟基本理论 c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体力学) 的简称。计算流体 力学( c f d ) 是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大 生命力的边缘科学它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体 力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。 计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线 性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报 流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有 力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出 发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术 中产生巨大的影响。目前比较好的c f d 软件有：f l u e n t 、c f x 、p h o e n i c s 、s t a r - c d ， 除了f l u e n t 是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。 c f d 一般包括下面三个模块：前处理、数值计算、后处理。前处理主要是几何 建模和生成网格；数值计算就是根据前处理生成的网格、选择的数值算法、边界条 件和初始条件等进行迭代计算，并输出计算结果；后处理就是对输出的数值结果进 行可视化处理。 。 近年来，c f d 技术在通风空调领域的应用也正在逐步的得到重视，目前在暖通 空调工程中采用的方法主要有四种；射流公式，z o n a l m o d e l ，c f d 以及模型实验。 射流公式法是最经济简单的室内空气分布预测方法，对于实际空调房间的复杂气流 形式模拟误差很大。z o n a lm o d e l 模拟得到的实际上还是一种相对“精确”的集总结 果，且在机械通风中的应用还存在较多问题模型实验是最可靠的方法，但是搭建 实验模型耗资很大，周期很长，而对于不同的条件，可能还需要多个实验，耗资更 多，周期也长达数月以上。且它对于整个流场的速度、温度分布缺乏全面深刻的了 解，这些都限制了它的推广和使用 c f d 具有模拟设备简单、投资低、计算速度决、计算空间不受限制、完整的资 料获取、并且可以模拟各种工况，是其它三种方法所不具备的。随着经济发展、科 技进步，c f d 技术已成为现代建筑领域一个重要的研究课题。 c f d 主要可用于解决以下几类暖通空调工程的问题： ( 1 ) 通风空调房间气流组织设计 借助c f d 可以预测仿真通风空调空间的气流分布详细情况。气流数值分析能够 考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，因而它能全面地反映室内的气流 1 4 华北电力大学硕士学位论文 分布情况，从而便于发现最优的气流分布方案，进而指导设计使其达到良好的通风 空调效果 ( 2 ) 建筑外环境分析设计 建筑外环境对建筑内部居住者的生活有重要的影响，建筑小区二次风、小区热 环境等问题日益受到人们的关注采用c f d 可以方便地对建筑外环境进行模拟分 析，从而设计出合理的建筑风环境而且，通过模拟建筑外环境的风流动情况，还 可进一步指导建筑内的自然通风设计等。 ( 3 ) 室内空气品质研究 利用c f d 技术研究室内空气品质问题，主要是通过模拟得到室内各个位置的风 速、温度、相对湿度、污染物浓度等参数，从而评价通风换气效率、热舒适和污染 物排除效率等。 “) 建筑设备性能的研究改进 暖通空调工程的许多设备，如风机、蓄冰槽、空调器等，都是通过流体工质而 工作的，流动情况对设备性能有着重要的影响。通过c f d 模拟计算设备内部的流体 流动情况，可以研究设各性能，从而进行改进工作，降低建筑能耗，节省运行费用。 3 2 流动与换热问题的基本控制方程 流动与换热现象广泛存在于自然界及其各个工程领域中，表现形式也是多种多 样的，但都受到三个基本规律的支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒，其数学 表达式为偏微分方程。 ( 1 ) 连续性方程 罢+ 旦( 以) = o ( 3 - 1 ) a xa f、 j7 ( 2 ) 动量方程 委c 雕，+ 考( 明码) = 一玺+ 考卜( 鼍+ 考 一岛& c r 一瓦，c s 国 ( 3 ) 能量方程 丢( 脾r ) + 考( 以巩) = 考( ( 五+ 箦 考 + 唧 c s 哪 以上基本方程可以表示成以下通用形式，如式( 3 4 ) 的通用形式，l i p 警+ 柳( 删) = 加f ，删) + s ( 3 - 4 ) 式中咖一通用变量，可以代表屿v ，w ，t 等求解变量； 华北电力大学硕士学位论文 ，- 广义扩散系数： 一广义源项。 上述“广义”表示处在f 0 与& 位置上的项不必是原来意义上的量，而是数值计 算模型方程中的一种定义，不同求解变量之间的区别除了边界条件与初始条件外， 就在于如与的表达式不同，式( 3 4 ) 中令4 涪1 ，岛= o 即便成为连续性方程。在计 算传热学的一些文献中通常以表格的形式给出所求解变量的而与岛表达式。 将上述湍流控制方程组作时均运算得到通用时均湍流控制方程，即 譬+ 娑：要口婺一砀+ s ( 3 - 5 ) 融 钕i瓠。、瓠。”。 式中孑一的时均值。 3 3 湍流模型 湍流模型就是把湍流粘性系数与湍流时均参数联系起来的关系式，任何一种湍 流模型都是建立在一定假设近似的基础上的，都有其应用范围，某一模型它可能适 用于某一环境，但是对另外的环境却不一定适用，因此很难泛泛说明哪一种模型更 有优越性。 湍流模型有很多种，依据确定粘性系数的微分方程个数的多少，又有所谓的零 方程模型、一方程模型、两方程模型。 ( 1 ) 零方程模型 零方程模型是指不需要微分方程而用代数关系式把紊流粘性系数与时均值联 系起来的模型。它包括两类，一类是由b o u s s i n e s q 提出的湍流粘性理论，另一类是 p r a n d t l 提出的混合长度理论。他们是用平均速度场的局部速度梯度来表示局部雷诺 应力，使雷诺方程式中的六个雷诺应力分量都变成平均速度场的量，从而达到封闭 湍流运动微分方程组的目的。这种方法简单，它不增加附加的方程，故称为零方程 湍流模型。虽然零方程模型存在不少缺点，但对一些简单的工程实际问题，仍是可 以应用的。计算简单是该模型的最大优点 ( 2 ) 一方程模型 在零方程模型中，湍动黏度和混合长度都把雷诺应力和当地平均速度梯度相联 系，是一种局部平衡的概念，忽略了对流和扩散的影响。为了弥补混合长假设的局 限性，人们建议在雷诺方程和连续性方程的基础上，再建立一个湍流动能k 的方程 来使方程组封闭，这种模型称为一方程模型在这种模型中麒表示成k 的函数，由 k o l m o g o r o v - p r a n d t l 表达式有：i l 。= p c 。k l ，其中l 为紊流脉动长度标尺，目前l 1 6 竺韭皇查查堂堡主堂垡丝奎 的确定仍为不易解决的问题，因此一方程应用难以推广 ( 3 ) 双方程模型 虽然单方程模型中引进了一个湍流脉动动能方程，但仍没有使湍流运动微分方 程组真正封闭，它还需要引用p r a n d t l 混合长度概念，才能使方程组完全封闭。但是 在一些复杂的有回流区的湍流运动中，特征长度的数值很难由实验确定。所以，研 究者们在单方程模型的基础上，提出了再增加一个方程式( 即k 和l 的组合量) 来 使方程组得以完全封闭，这种模型即称为双方程模型。双方程模型有几种不同的形 式，标准的后一占模型( s t a n d a r d l c - s m o d e l ) 、重振化j i 一占模型( r n g k 一占m o d e l ) 、可 实现性七一占模型( r e a l i z a b l ek sm o d e l ) 。 3 3 1 标准七一占模型 标准七一占模型是目前应用最广泛的工程湍流模型，它的基本思想是设 仉= c p 席2 居，分别建立湍流动能七和湍流动能耗散率占的方程。关于湍流动能七的 定义前面已经介绍，湍流动能耗散率占即各向同性的小尺度涡的机械能转化为热能 的速率，定义为式( 3 6 ) 占= l ，圆圆 ( 3 6 ) 式中v - - 流体分子粘性，重复的下表表示求和。 引入式( 3 - 7 ) ， s = c o k 掣2 1 ( 3 - 7 ) 式中c d 为经验常数。 七方程： 昙( 纠告( 咖) = 考( ( + 期刳+ q 4 - 讣p c ,p s ， 占方程。 昙( ) 4 - 毒( 唧) = 考( ( + 等 考 + m q + g 卜乞胪 c s 四 表3 - 1 七一占模型中的系数 c l 砚 白 0 k“ 即 1 4 4 1 9 2o 0 91 o1 30 9 1 0 1 7 华北电力大学硕士学位论文 采用k 一占模型来求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量 方程、能量方程及七、占方程这里引入三个系数( e l ，c 2 ，o ) 和三个常数( o k ，以，帕 近期发表的文献中这6 个经验常数的取值已经比较一致，如表3 - 1 七一占模型中各 控制方程及其k 、占方程的源项具体表达式可参阅文献 2 7 1 。 对于壁面近处的换热，与速度边界层内速度的分布取决于壁面切应力一样，温 度边界层内温度的分布取决于壁面热流密度知定义“切应力温度”n 为； 霉2 南( 3 - 1 0 ) 式中 u , - - “切应力速度”，埤= 石万； 无量纲温度，为： 。 r ；彳t , , - t ( 3 - 1 1 ) 死为壁面温度 。 采用壁面函数法，在近壁处的粘性支层内不布置任何节点，把与壁面相邻的第 一个节点布置在旺盛湍流区域内在旺盛湍流区域内无量纲速度服从对数分布规 律，即 矿刮k = 亡l n 广+ c ( 3 - 1 2 ) 式中l 【v 为v o nk a r n a o n 常数，k v = 0 4 - - 0 4 2sc 为经验常数，c = 4 9 - 5 6 ；y + 为局部 且p 数，y + = u y l o 。 旺盛湍流区域内无量纲温度亦服从对数分布规律，即 r = 丑l n 广+ 听( c + d ( 3 1 3 ) k 式中 瓦为v o e tk a r m o n 常数( 换热) ，毛= 0 4 4 ；p 是关于层流p r 数与湍流p r 数 的函数 p ：9 ( o l 1 ) ( ! b 删( 3 1 4 ) a - r口r 联立式( 3 - l o ) 与式( 3 - 1 3 ) ，得 靠= 9 c p u , 亿一d u r i n y + + 听( c + p ) 】 ( 3 1 5 ) 应用壁面函数法，壁面上的热流密度仍