（热能工程专业论文）地板采暖运行中的传热问题研究.pdf

大庆石_ i 学院硕士研究生学位论义 地板采暖运行中的传热问题研究 摘要 低温热水地板辐射采暖系统作为一种既节能又舒适的新型采暖方式，正日益广泛的 应用于居住建筑工程之中。国内外的科学家和工程师们地对其采暖机理、节能效果和热 舒适性等方面进行了大量的研究。但多数集中在对地板内部结构及其传热过程的研究， 通过建立地板内部传热模型进行模拟计算，分析覆盖层厚度、管间距、铺设方式等因素 对系统温度分布的影响。而对于地板辐射采暖的调节与控制涉足不多。由于辐射地板覆 盖层具有较强的蓄热放热性能，采用间歇调节更具优越性，十分适宜于民用住宅采用。 多数研究者仍按照传统散热器的调节方式进行粗略的质调节和流量调节，忽略了地板采 暖结构的热惰性，很显然这种调节方式一方面会影响住户居民的舒适程度，另一方面会 造成很大的能源浪费。也有的研究者在建立房间热过程方程时，忽略了室内空气的热容， 导致计算结果与实测结果不相符。由此可见，有必要对地板辐射采暖系统的间歇运行调 节进行深入研究，建立更加符合实际的传热模型，总结温度变化规律，为间歇运行方案 的实施提供理论依据和实践指导。 本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 运用传热学原理，对地板辐射采暖房间建立了动态传热模型。用有限差分法 将数学模型进行离散，应用v is u a lb a s i c 编制了计算程序。利用计算程序对两个典型 实例进行计算，模拟计算结果表明在预热阶段，相同条件下，不同地面层温度变化差 别较大，本次计算中，大理石地面与大理石加毛毯地面预热后的温度相差i o 。c ，且大理 石地面变化更迅速。相同条件下，保温墙体的室温比普通墙体室温提高3 - 5 ，更加 节能将北方供暖期室外温度细划分为几个阶段，通过大量的模拟计算，对每个温度变 化阶段推荐其最佳间歇运行方案。 ( 2 ) 为了验证传热模型及计算结果的可靠性，对实际地板辐射房问温度场进行实 测，分别在地板表面、围护结构内壁面和室内外布置7 4 个热电偶温度测点，共测试5 天，前三天为连续运行阶段，后两天为间歇运行阶段。将计算与测试数据进行对比，结 果表明，在稳态计算中，各部分结果误差在1 5 。c 以内，非稳态计算中，室内温度及地 板表面温度部分误差在1 5 以内，外墙内壁部分误差在2 5 。c 以内，温度变化规律基 本相同。实测结果还证实辐射地板系统房间在高度方向“足暖头凉”，成负温度梯度分 布，接近顶棚处温度稍有升高。间歇运行过程中，室内温度变化很小且趋势平缓，进一 步证实地板辐射采暖系统适宜采用此种运行调节方式。 ( 3 ) 运用p m v - - p p d 指标，在人穿着不同厚度衣服的情况下，分别对地板采暖房问 摘要 和传统散热器采暖房间的热环境作出评价。结果表明，在地板采暖房问穿薄毛衣毛裤感 觉最舒适，只有7 的人感觉不满意。引入炯效率的概念，通过计算可知，低温地板辐射 采暖系统在综合考虑热源“质”和“量”的基础上，与普通散热器采暖系统相比，可节 能7 0 左右。 ( 4 ) 运用费用现值和费用年值指标，对地板采暖和散热器采暖的经济性进行评价 并进行经济分析。结果表明，无论从经济效益上，还是从社会效益方面考虑，地板辐射 采暖都是可行的方案，同传统的散热起采暖系统相比较具有很大优势。 通过本文对地板辐射采暖系统间歇运行的理论研究及现场测试，可为地板辐射采暖 方式的推广及运行调控提供理论依据。使之成为真正节能，舒适的理想采暖系统。具有 一定的学术和应用价值。 关键词：低温：地板辐射供暖：运行控制；间歇运行；预热段；节能 大庆石油学院硕士研究生学位论文 r e s e a r c ha b o u th e a tt r a n s f e rp r o bie mino p e r a tio n so f f i o o rh e a t i n g a b s t r a c t a san e wh e a t i n go fe n e r g y e f f i c i e n ta n dc o m f o r t a b l e ，l o w t e m p e r a t u r eh o tw a t e r h e a t i n gs y s t e mo ff l o o rr a d i a t i o ni si n c r e a s i n g l ya p p l i e dt oaw i d er a n g eo fh o u s i n g c o n s t r u c t i o n d o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i s t sa n de n g i n e e r sc a r r i e do nal a r g en u m b e ro f r e s e a r c h e sa b o u ti t sh e a t i n gm e c h a n i s m s ，t h e r m a lc o m f o r ta n de n e r g y s a v i n ge f f e c ta r e a s b u t m o s tr e s e a r c hf o c u s e do nt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ef l o o r sa n dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，f r o m t h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fh e a tt r a n s f e rm o d e le s t a b l i s h e dt h ei n t e r n a lf l o o r , a n a l y s e sc o v e r t h i c k n e s s ，a n dp i p ed i s t a n c e ，l a y i n gw a ya n do t h e rf a c t o r sf o rt h es y s t e mt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n a sf o rt h er e g u l a t i o na n dc o n t r o lo ft h ef l o o rh e a t i n gr a d i a t i o ni n v o l v e di sl e s s b e c a u s er a d i a t i o nf l o o rc o v e rh a sc a p a b i l i t yo fs t r o n gs t o r eh e a ta n de x o t h e r m i c ，t h eu s eo f i n t e r m i t t e n ta d j u s t m e n ti sm o r es u p e r i o r i t ya n dv e r ys u i t a b l ef o rc i v i l i a nr e s i d e n t i a l m o s t r e s e a r c h e r sa r es t i l lu n d e rw a yo fr o u g hq u a l i t ya n df l o wr e g u l a t i o na c c o r dw i t l lr e g u l a t et h e t r a d i t i o n a lr a d i a t o r , i g n o r e st h es t r u c t u r eo ft h et h e r m a li n e r t i af l o o rh e a t i n g ，i ti sc l e a rt h a t r e g u l a t i o nw a y so nt h eo n eh a n d ，w i l la f f e c tr e s i d e n t sc o m f o r t a b l e ，o nt h eo t h e rh a n dw i l l c a u s eg r e a tw a s t eo fe n e r g y s o m er e s e a r c h e r sn e g l e c tt h e r m a lc a p a c i t yi n d o o ra i ri nt h e f o u n d a t i o np r o c e s s ，a n df i n a l l yl e dt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n c o n s i s t e n t t h u s ，i tn e e df u l l e r s t u d yf o rf l o o rh e a t i n gs y s t e m si n t e r m i t t e n to p e r a t i o nt oe s t a b l i s hm o r er e a l i s t i ch e a tt r a n s f e r m o d e l ，s u m m e du pt h el a wo ft e m p e r a t u r ec h a n g e sa n dp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n d p r a c t i c eg u i d a n c ef o ri n t e r m i t t e n to p e r a t i o n t h em a j o rw o r kd o n eb yt h ep a p e ra st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) b yu s i n gt h eh e a tt r a n s f e rt h e o r y , e s t a b l i s h e dd y n a m i ch e a tt r a n s f e rm o d e lf o r r a d i a t i o t lh e a t i n gr o o m f l o o r t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so r es e p a r a t e df o l l o w i n gt h el i m i t e d d i f f e r e n t i a ll a wa n d d e v e l o pc a l c u l a t i o np r o c e d u r e sb y v i s u a lb a s i c a p p l i c a t i o n s c a l c u l a t i o np r o c e d u r e sw o r k i n gf o rt w ot y p i c a le x a m p l e s ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sr e s u l t s h o w st h a t i np r e h e a tp h a s e ，d i f f e r e n tg r o u n df l o o rt e m p e r a t u r ec h a n g e sl a r g e l yu n d e r t h es a n l ec o n d i t i o n s ，i nt h i sc a l c u l a t i o n ，t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea f t e rp r e h e a ti s10 d e g r e e sb e t w e e n m a r b l ea n dm a r b l e - b l a n k e t sg r o u n d ，a n dt h em a r b l es u r f a c ec h a n g e sm o r e q u i c k l y u n d e rt h eh es a m ec o n d i t i o n s ，r o o mt e m p e r a t u r ei nh e a tp r e s e r v a t i o nw a l ii s 3 - 5d e g r e e sm o r et h a no r d i n a r yw a l la n dm o r ee n e r g y e f f i c i e n t t e m p e r a t u r ei nh e a t i n g r o o mo u t d o o ri nn o r t hw i l lb ed i v i d e di n t os e v e r a ls m a l lp h a s e ，t h r o u g hl o t so fs i m u l a t i o n i 摘要 c a l c u l a t i o n ，i tr e c o m m e n d e db e s ti n t e r m i t t e n to p e r a t i o np r o j e c tf o rt h et e m p e r a t u r ec h a n g e f o re a c hs t a g e ( 2 ) i no r d e rt ot e s th e a tt r a n s f e rm o d e l sa n dc a l c u l a t i o n sr e l i a b i l i t y ，m e a s u r e df o ro f t h ea c t u a lf l o o rr a d i a t i o nr o o mt e m p e r a t u r ef i e l d s ，7 4t h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r ep o i n t sw a s d e s i g n e dr e s p e c t i v e l yi nt h ef l o o rs u r f a c e ，w a l ls t r u c t u r ei n s i d es u r f a c ea n di n t e r i o rl a y o u t ， t o t a l l yt e s tf o rf i v ed a y s ，c o n t i n u o u so p e r a t i o np h a s ef o rf o r m e rt h r e ed a y s ，i n t e r m i t t e n t o p e r a t i o n a lp h a s ef o rl a t t e ra f t e rt w od a y s ，c o m p a r e dt h ec a l c u l a t i o nw i t ht h et e s td a t a ，t h e r e s u l t ss h o wt h a ti ns t a b l ec a l c u l a t i o n ，t h er e s u l to fe r r o r si nt h ev a r i o u sp a r t sa r ew i t h i n1 5 d e g r e e s ，i nu n s t a b l ec a l c u l a t i o n ，t h ee r r o ro ft h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea n df l o o rs u r f a c e t e m p e r a t u r ea r ew i t h i n1 5d e g r e e s ，e r r o ri n t e r n a lw a l li sw i t h i n2 5d e g r e e s ，t h et e m p e r a t u r e c h a n g e sl a wa r eb a s i c a l l yt h es a m e m e a s u r e dr e s u l t sa l s oc o n f i r m e dt h a ti ti sa p p e a ro fa ”h e a da n dc o o lf e e tw a r t n ”i nt h er a d i a t i o nr o o mf l o o rs y s t e mi nt h eh i g hd i r e c t i o n ，a sa n e g a t i v et e m p e r a t u r eg r a d i e n td i s t r i b u t i o n ，as l i 【g h tt e m p e r a t u r er i s ec l o s et ot h ec e i l i n g t e m p e r a t u r ec h a n g e sl e s sa n dh a sam o d e r a t et e n d e n c yi ni n t e r m i t t e n to p e r a t i o np r o c e s s ，i t f i a r t h e rc o n f i r m e dt h a ti ti sa p p r o p r i a t et ot h i so p e r a t i o nf o rf l o o rh e a t i n gs y s t e m ( 3 ) u s i n go fp m v p p di n d e x ，w h e np e o p l ew e a r i n gc l o t h e so fd i f f e r e n tt h i c k n e s s ， g i v eh o tr o o me n v i m n m e n te v a l u a t e dr e s p e c t i v e l yt ot h ef l o o rh e a t i n ga n dt h et r a d i t i o n a l r a d i a t o rh e a t i n gr o o m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm a nf o e im o s tc o m f o i t a b l ei nt h ef l o o r h e a t i n gr o o mw h e nh ew e a r i n gt h i ns w e a t e rk n i t t e dw o o lt r o u s e r , a n do n l y7p e r c e n to f t h o s ew h od i s s a t i s f i e d i n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to fe f f i c i e n c y ，w o r k e db yt h ec a l c u l a t i o n ，i t c a nb ek n o w nt h a tl o w - t e m p e r a t u r ef l o o rh e a t i n gs y s t e mi nt h er a d i a t i o no fh e a ti n t e g r a t e d ， o nt h e ”q u a l i t y a n d ”q u a n t i t y ”b a s i s ，c a r lb ec o n s e r v e df o re n e r g ya b o u t7 5p e r c e n tw h e n c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yr a d i a t o rh e a t i n gs y s t e m ( 4 ) u s i n gt h ep r e s e n ta n dy e a r l yc o s ti n d e xf o rt h ee c o n o m i ce v a l u a t i o na n de c o n o m i c a n a l y s i so ff l o o rh e a t i n gr a d i a t o rh e a t i n g ，t h er e s u l t s s h o w e dt h a te i t h e rc o n s i d e ro f e c o n o m i cb e n e f i t s ，o rt h es o c i a lc o n t e x t ，f l o o r sr a d i a t i o nh e a t i n gi sf e a s i b l ep r o j e c ta n dh a s g r e a ta d v a n t a g e si nc o m p a r i s o nw i t ht h er a d i a t o rt r a d i t i o n a lh e a t i n gs y s t e m f r o mt h et h e o r yr e s e a r c ha n do n - s i t et e s t so ft h ef l o o rh e a t i n gs y s t e mr a d i a t i o n i n t e r m i t t e n t l yo p e r a t i o n a li nt h i sp a p e r , i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p e r a t i o nc o n t r o l m a dp o p u l a r i t yo ff l o o rr a d i a t i o nh e a t i n gm e t h o d ，i tw i l lb e c o m et r u l ye n e r g y e f f i c i e n t ， c o m f o r t a b l ei d e a lh e a t i n gs y s t e ma n dh a v eac e r t a i na c a d e m i ca n da p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r eh o tw a t e rf l o o rh e a t i n gr a d i a t i o n ：o p e r a t i o n a lc o n t r o l ； i n t e r m i t t e n to p e r a t i o n ；p r e h e a t ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n 大庆石油学院硕l 研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究的目的和意义 随着全球经济的不断发展，对能源的需求也在成倍地增长，但地球上所能提供的能 源不是取之不尽、用之不竭的，这就要求我们在能源使用时尽可能地提高其利用效率、 节约能源。世界和我国的统计数字均表明，建筑能耗在社会全部总能耗所占的比率在3 0 左右，是能源消耗的一种主要形式，用于暖通空调的能耗又约占8 5 。多年来，随着 我国能源结构的变化，大中城市的大气环境同益恶劣，住宅日益商品化，人们对室内热 环境要求不断提高，传统供热系统和体制面临着重大变革。采暖方式的节能、环保以及 舒适成为现代采暖技术发展的一个基本趋向。低温地板辐射采暖由于其舒适性高、卫生 条件好、便于热计量，能充分利用低品味能源等优点越来越受到人们的关注，是当今较 为先进的一种采暖方式，也是目前国内外公认的最为理想的采暖方式。为了整个供暖期 既满足人们的舒适性要求又尽量节约能源，我们除了需要对该系统的原理进行仔细研 究，还需要对地板辐射采暖系统的运行调节方面进行更加深入的研究。从而推荐出切实 有效的调控方案，来指导该系统的设计和运行管理。本文分别对传统对流供热方式和地 板辐射采暖系统房间进行了热环境评价和技术经济评价。为地板辐射采暖系统在全国范 围内的推广提供理论依据。 1 2 地板辐射采暖技术的发展历史 地板辐射采暖技术有着悠久的发展历程，早在公元前6 0 年的古罗马时代，地板采 暖就以“火地”的形式出现，在我国古代也曾广泛采用这种采暖方式，例如，始建于明 代的北京故宫就在多处采用了大面积地炕，利用烟道从较远处热源输送热烟气来加热地 面。东北地区延用至今的火炕，都是地板辐射的早期形式。 一九零七年，英国的巴克尔教授首先申请了辐射采暖的专利，自此人们对辐射采暖 的研究一直在进行。前苏联是现代辐射采暖应用和研究最早的国家之一，早在二十世纪 初期，b a 亚希莫维奇工程师就在俄国组织完成了十几个辐射采暖系统”1 。 早期的地板辐射采暖系统采用预埋金属管道，虽然地板采暖与常规采暖方式相比具 有卫生、舒适等诸多优点，但由于受手工业生产方式的限制，以及人们担心埋入地扳中 的钢管会产生腐蚀和渗漏等不易解决的问题，使得这种采暖方式没有得到迅速的发展。 二十世纪四十年代中期，人们在受战争损坏的建筑物中发现，埋于混凝土中的钢管比裸 露在空气中的管子保存的更好，消除了对钢管使用寿命的疑虑，使热水地板辐射采暖方 式在世界范围内得到普遍采用，对地板辐射采暖的研究嗣益深入。 绪论 六十年代，随着社会工业化程度的提高，其它采暖设备价格下降、性能提高，各种 采暖形式竞相出现，加之钢管地板采暖系统本身所存在的施工要求严格、出现渗漏现象 不易解决等问题，在一定程度上阻碍了热水地板辐射采暖系统的发展。 七十年代以来，随着人们对室内环境舒适性要求日益提高，对建筑节能问题更加重 视，使得对地板采暖系统优越性得到更深刻的认识，导致了对地板辐射采暖专用材料与 设备的研制。瑞典的w i r b o r u b s 公司首先研制出了适用于地板采暖的交联聚乙烯管，解 决了原有钢管系统接点渗漏、施工复杂等难题，使地板采暖系统又重新焕发了生机。 地板采暖在欧洲的发展十分迅速，一九七五年仅在西德就有三百多家联合公司获得 批准生产地板采暖系统管材与设备。1 ，在德国、英国、奥地利和瑞士等国家有四百多家 承包商经销地板采暖系统。地板采暖管材与设备产品已经成龙配套，每个厂家都有自己 独立的产品体系。例如：德国的p u r m o 公司的产品有每根1 2 0 m 的专用塑料管，3c m 厚 的聚苯乙烯保温板材，以及相应的分水器、膨胀条、保护套管等川。 近些年，地板辐射采暖在欧美以及亚洲等地得到了广泛应用。到1 9 9 4 年为止，法 国约为2 0 ，德国为4 1 ，奥地利为2 5 ，瑞士为4 8 的住宅建筑安装了地板采暖系统“1 ， 而韩国则高达8 5 以上，未设置地板采暖系统的房屋难以出售，在日本地板采暖己被当 成提高人们生活品质的一项举措加以提倡。法国政府制定了有关的优惠政策以促进太阳 能地板采暖系统的应用，近年来，又开始研究和推广低温热水地板辐射采暖系统用于夏 季降温，并取得了一定成效删。目前，全世界在美国成立了辐射板协会( r a d i a n tp a n e l a s s o c i a t i o n ) 以促进辐射采暖的广泛、健康的发展，在此协会有a c r or a d i a n tf 1 0 a r h e a t i n gs y s t e m s n o ，e m b a s s y 等多年从事地板辐射技术研究、生产、销售公司，他 们的产品和技术遍及全世界”，。 在我国，五十年代曾经试用钢管埋入混凝土楼板内通入热水获得热辐射，如北京的 人民大会堂，上海市委礼堂、华侨饭店、沈阳夏宫等0 1 。由于存在钢管腐蚀生锈的问题， 科技人员又研制了一种陶瓷管来代替钢管，但由于陶瓷管承压能力有限等技术问题，使 得此项技术发展缓慢，未能获得大众的认可。但随着塑料工业的发展，适用于地板辐射 采暖的材料越来越多，使地板辐射采暖在我国有了更多的应用。一九八七年七月石家庄 国际大厦从德国引进安装了第一套塑料管地板采暖系统；机械委上海材料研究所成功地 仿制了全套塑料管地板采暖材料，并于一九八七年底在北京市河南饭庄进行了第一个试 点工程”1 。近年来，随着各种新型管材和各种热源的开发，我国低温地板辐射采暖技术 也取得了新的进展，以京津地区为中心的东北、华北、西北地区，地板辐射采暖的应用 方兴未艾，且发展势头很猛。在我国很多重大工程和住宅建筑中取得了成功的应用，如 北京的炎黄艺术馆、北京钓鱼台国宾馆贵宾楼( 会议厅) 、国际会议大厦、中国民兵武器 装备陈列馆、亚运村京九公寓、西安城堡大酒店、曲江花园别墅石家庄石府房地产、公 司办公楼、铁路分局住宅楼、郑州碧波园水上乐园等。1 9 9 9 年该技术被建设部列为科技 成果重点推广项目。目前国内许多单位和地区都在进行地板采暖的研究试用工作，相信 大庆石油学院硕士研究生学位论文 在不久的将来，地板采暖将会得到更多的应用。 13 1 国外研究状况 1 3 国内外研究状况 伴随着低温地板辐射采暖系统在工程中的应用，国内外的科学家和工程师们也在不 断地对其采暖机理、节能效果和热舒适性等诸多方面进行了研究。 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【i ，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，其各自能量消耗有较明显的不同，地板辐射采暖系统可节能l o 4 0 。 1 9 9 4 年，加拿大学者a k a t h i e n i t i c s 【i “，利用非线性有限差分法，对低温地板辐射 采暖系统进行了数值模拟，对低温辐射采暖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：有效的利用太阳辐射 以降低室内热负荷以及将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。同时若室内温度按正弦规律变化而使系统节约的能耗同在夜间降 低室内晟高辐射温度所节约的能耗相同。c a c c a v e l l i 等利用有限元程序模拟地板采暖系 统的三维热传递l l ”，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 规则的地板辐射采暖设计方法【1 。日本的h a r u o 等人做了对地板辐射房间的辐射与对流 热交换的基础研究【l ”。南韩的s u n g h w a n c h o 进行了对地板辐射采暖的温度控制的实验 测试f i ”。通过这些研究和测试，使人们对地板辐射采暖技术有了更多的认识，从而保证 了地板辐射采暖系统的设计与安全可靠的运行。 1 3 2 国内研究现状 国内对地板辐射采暖的研究还处在起步阶段。一些高校引进了国外关于低温地板辐 射采暖技术的先进经验，并加以分析，提出适合在我国发展的些看法，为该技术在国 内开展创造了有利的社会环境和研究环境，使该技术的研究在我国迅速发展起来。天津 地热研究培训中心的王万达和宗立华对均密度螺旋型布置低温热水交联聚乙烯塑料管 地板采暖进行研究，建立了稳态传热模型，并搭建实验台进行试验验证，对换热机理进 行理论分析，提出了设计计算的热性能组合特性曲线【l 7 。1 8 10 哈尔滨建筑大学冉春雨等应 用有限元法对地板塑料管采暖系统进行了研究，并建立了实验台进行小样侧试，证明该 系统作为现有建筑的采暖手段是可行的【i 。湖南大学郭富军对低温地板辐射采暖的控制 绪论 方式进行了探谢2 0 1 。青岛建筑工程学院胡松涛等【2 l l 建立二维地板传热数学模型，以一个 基于有限元法的动态仿真程序得出了不同的供回水温度和管间距下的地板表面最高温 度、室内作用温度、热流密度、预热期等参数。哈尔滨建筑大学孙德兴等【2 2 i 利用有限元 法对非线性边界条件的二维地板传热模型进行计算，给出了地面材质、厚度、管问距、 管径、水温和室温等因素对地板散热量的影响定量关系。王晓彤，郭强【2 驯建立二维稳态 地板传热模型，用有限元法计算结果显示为保证地板表面温度均匀，管间距和管道埋深 应呈二次线性关系。冯晓梅，肖勇全【2 4 i 建立二维非稳态地板传热模型，计算后获得地板 表面温度与管间距、管道埋深以及水温的关系。刘国丹 2 5 1 在2 0 0 1 年测试了一个实际地 板辐射采暖的运行工况和热工性能。测试内容包括室内空气温度分布、地板表面温度分 布、供回水管壁温度、围护结构内表面温度、室外温度、供回水瞬时流量和围护结构热 流量等。亢燕铭等1 2 6 1 利用热舒适理论讨论了地板辐射供暖方式与其他方式在房间内人体 热舒适方面的差异，指出采用地板辐射时，由于m r t 提高，降低室内空气2 。c ，与现 行规范中室温1 8 时的舒适度相同。对综合节能作用进行了定量估计。这些研究成果为 我国地板辐射采暖的发展起到了促进和指导作用。 1 4 低温热水地板辐射采暖简介 地板辐射采暖按照地板下面加热源的不同，可以分为热水式、热空气式和电加热式 地板采暖等类型，本文研究的地板辐射采暖是指低温热水地板辐射采暖，低温热水地板 辐射供暖是把低于6 0 的低温热水通入地板中的管道内加热地板，由地板表面通过对流 与室内空气换热，通过辐射与其他表面换热，从而达到向室内供暖的目的。其辐射换热 量占总换热量的5 0 以上。 1 4 1 低温热水地板辐射采暖系统形式 低温热水地板辐射采暖系统和普通采暖系统形式相差不多，有热源、热媒输送管网 和热量分配装置三个主要部分组成，图l l 为地板采暖上供下回双管系统中的热媒集配 装置图。 低温热水地板辐射采暖系统设计及安装要求低。系统一般采用双管系统，以保证每 组盘管供水温度基本相同。采用分、集水器与管路连接，在分水器前设置热量控制计量 装置，可以实现分户控制和热计量收费。地板表面温度可以通过调整供回水平均温度、 盘管间距和埋管层的厚度来确定。低温热水地板辐射采暖的供水温度宜采用4 5 6 5 ， 供回水温差宜采用5 1 0 。由于温差较小，地板辐射采暖系统流量比普通散热器系统流 量要大，所以管路要比普通的粗一些。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图卜1 地板采暖双管系统中的热媒集配装置图 f i g l i ：t h ec o l l e c t i o n a s s e m b l y f i g o f f l o o r h e a t i n g d o u b l e p i p e ss y s t e m 1 4 2 布管方式 目前，低温地板辐射采暖系统的塑料埋管铺设方式大致分为蛇型和回型两种形状。 蛇型铺设又分为单蛇型铺设、双蛇型铺设和交错型铺设三种方式：回型铺设可分为单回型 铺设、双回型铺设和对开双回型铺设三种方式。六种方式各有不同特点，具体形式见图 l 一2 。 必删鳓 单蛇型铺i 殳段蛇型铺l 殳衰借观蛇型蝻世 厕坷昂 电回里袖诊珏互型镛l ； 图卜2 埋地管道铺设方式图 f i g l 一2t h ep a v i n gw a yf i go f b u r r i d ep i p e 绪论 由于双回型布置方式，经过板面中心点的任何一个剖面，埋管均是高温管与低温管 相间布置易于造成“均化”效果，并且它的铺设弯度大部分为9 0 度，故铺设简单， 也没有埋管相交的问题。因此，在工程上，塑料埋管铺设广泛采用双回型布置方式。本 文将着蕈针对双回型铺设方式进行研究。 1 4 3 地板板体结构 常见的地板结构为混凝土埋管式低温热水辐射地板，它的构造从上到下包括地面 层、找平层、填充层、盘管、铁丝网、防水层、保温层、找平层、防潮层和结构层。本 文为方便对地板进行导热分析对其结构做出合理的简化，由于铁丝网和防水层都很薄， 在地板导热分析中忽略这两层结构。由于找平层、填充层和结构层均为混凝土，热物性 能相似，因此，将填充层上面的找平层归入填充层中，将结构层上的找平层归入结构层 中。保温层多为3 0 4 0 m m 厚的聚苯乙烯板，填充层为4 0 6 0 m m 厚的碎石混凝土，常 用的地面层有1 0 2 0 m m 瓷砖地面，石材面，木质地面，塑料地面，水泥地面等。对于 底层辐射房间，在辐射地板与围护结构接触处加设约2 0 m m 厚聚苯乙烯边界保温层并且 外面还应设防潮层，对于非底层辐射房间，地板边缘只加设保温层没有防潮层，地板板 体结构如图1 3 所示。 地面层 填充层 埋管 保温层 结构层 图1 - 3 混凝土埋管辐射地板结构 f i g l 一3c o n c r e t ef l o o rs t r u c t u r eo f b u r i e dp i p er a d i a t i o n 1 4 4 加热盘管管材 由于地板辐射采暖的埋管长时间埋在地板中，因此必须选择良好的材质，才能保证 长期的稳定性能。地板辐射采暖系统对管材有耐用年限要求，一般应保证不低于5 0 年 大庆石油学院硕士研究生学位论文 的使用寿命。一般管材要求能够在7 0 。c 温度下长期工作。在北方寒冷地区，管材的低 温脆化温度应低于当地冬季可能出现的最低气温。在保证定水质的前提下，管材应对 热媒具有良好的化学稳定性。选择管材时还应考虑其供应条件、旎工技术条件和投资费 用等因素。表1 1 为不同材质管材性能比较。由表中可以看出聚丁乙烯管( p b ) 、交联 聚乙烯管( p e x ) 都具有良好的物理性能，是目前该系统中广泛使用的两种管材，而交联 聚乙烯管是发达国家冷热供水及采暖系统替代镀锌钢管和普通暖气片系统的主要产品， 占据了国际市场的主流。 表1 - 1 不同材质管材性能比较表 t a b e l l 一1c o m p a r a t i v et a b l eo f p e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tm a t e r i a l sp i p e s 项目 p bp e xp prp v c cs t e e lc u 密度( 培m 3 ) 9 4 09 4 09 0 01 5 5 07 8 3 08 7 8 0 热膨胀系数 o 1 30 20 1 800 8o 0 1 20 0 1 8 ( 肌州肌k ) 弹性膜量 3 5 0 06 0 08 0 03 5 0 02 1 0 0 0 01 2 0 0 0 ( n ，”，”) 导热系数 0 0 0 螺0 0 0 4 70 0 0 4 90 0 0 4 84 5 31 5 0 ( w m k ) 最小弯曲半径中中 中低 高 中 耐温耐压能力中中低低高高 抗腐蚀能力高高高高低 中 耐磨损能力高中低 由 流动阻力低低 低低 中 低 配管难度低中中中高 高 安装难度 低中 由 低高高 注：p b 一一聚丁烯管；p e x 一一交联聚乙烯管；p p r 一一无规共聚聚丙烯管 p v c c 一一氯化聚氯乙烯管；s t e e l 一一钢管；c u 一一铜管 1 4 5 低温热水地板辐射的特点 低温地板辐射采暖是当今较为先进的一种采暖方式与传统的散热器相比，低温地 板辐射采暖系统具有以下特点。 ( 1 ) 室内温度分布均匀、舒适性好 采用地板辐射供暖时，符合设计标准的室内垂直温度分布如图l 一4 所示【”1 ，根据 图中的温度分布曲线分析，地板表面温度不高于3 0 。c ，地面上空气温度则迅速降低达 绪论 到设计温度( 一般为1 8 - 2 0 。c ) ，地面5 0 c m 以上垂直方向的温度基本保持不变；即室 内空间各水平面的温度基本相同。因此，采用地板辐射供暖时，使人们有“足热头寒” 的舒适感。 采用以对流为主的散热器供暖时，符合设计标准的室内垂直温度分布如图1 5 所 示，由于这种供暖是以对流散热为主，靠近散热器的空气被加热后密度变小，热空气上 升，形成空气对流，因此室内垂直面的温度变化很大，人体下部处于采暖的低温区，而 头部处于较高的温区，且室内空间垂直向的温度分布十分不均。相比之下，采用地板辐 射采暖时，室内空气温暖柔和，湿度适宜，因此其舒适性明显好于以对流为主的散热器 采暖方式。 图1 - 4 地板辐射采暖图卜5 以对流换热为主的散热器供暖 f i g l 一4f l o o rr a d i a t i o nh e a t i n g f i g l 5r a d i a t o rh e a t i n gm a j o ri nc o n v e c t i o n ( 2 ) 降低室内设计温度节约能源 通过有关资料论述和工程实测得知，当建筑构造相同时，同样舒适条件下，低温热 水地板辐射采暖的室内设计温度比对流散热器采暖的室内设计温度低2 3 。这就说明 地板辐射这种采暖形式的热感强，使用地板辐射采暖系统可以利用相对少的热量，使人 感受舒适，节省了采暖能耗。 地板辐射采暖热量主要集中在人体活动区内，室内温度分布均匀，地面的有效温度 高，上部的空气温度低，室温比较稳定，无效热损失少，节省了采暖能耗。 由于地板辐射采暖系统中各房间环路相互独立，人们可以根据自己的实际需要而去 调节室温( 由于热惰性的问题室温改变的速度缓慢) ，为采暖系统充分有效的节能和安全 可靠的运行提供保障，达到尽量减少不必要能耗的节能效果。 世界范围内的能源危机促进了太阳能、地热能、工业余热等的开发利用，而地板辐 射采暖所需的供水温度比较低( 一般为3 5 。c 5 5 ) ，恰与这些低焓热能相适应，因而， 它为这些能源的直接利用开辟了广阔的市场：另外