（流体力学专业论文）太阳能与生物质能互补的地板采暖系统中室内热环境研究.pdf

硕士学位论文 摘要 针对建筑生活用能中能源利用率低、能源浪费严重的问题，本文以温度为恒 量室内热舒适度的指标，利用太阳热能与生物质厌氧发酵的互补特点，提出了从 室内热环境分析入手，在定量分析室内热舒适度的基础上剖析建筑节能潜力的研 究新思路。 首先，本课题依据低温地板辐射采暖房中温度特点和热用户的普遍活动规律， 修改了我国现有建筑采暖规范的规定“整个房间的最低温度不低于设计规范要求 的最低温度2 8 9 k 一，提出了新的热舒适度标准，即“如果室内2 m 水平面以下的平 均温度达到了2 8 9 k 就认为整个房间内的温度可以满足用户热舒适性的要求力。新 热舒适度标准的提出是原有建筑采暖规范的定量细化。 接着，本课题以兰州地区气温特点为依据，在抽象物理模型基础上建立了低 温地板辐射采暖房三维数值传热模型，对低温地板辐射采暖房内热环境进行了理 论模拟，并基于室内热舒适新标准分析了低温地板辐射采暖系统的节能性、经济 性及环保性，对比了低温地板辐射采暖与传统散热器采暖的模拟结果，得出了两 种采暖方式在温度场和能耗方面的差异。 最后，本课题在低温地板辐射采暖热环境研究的基础上，按照室内热舒适度 的新标准所得到的低温地板辐射采暖房热负荷，设计出了太阳能和生物质能互补 的低温地板辐射采暖别墅。此太阳能和生物质能互补的低温地板辐射采暖别墅系 统不但实现了太阳能热利用、生物质能高效发酵和低温地板辐射采暖系统的有效 结合，而且有效的解决了太阳能热利用技术中昼夜、季节、气候等因素变化的影 响，从而实现了低成本、高效率供暖。通过计算可知此太阳能别墅的能源利用效 率可达8 2 ，火用效率可达到2 3 3 ，投资回报期为3 4 年。 综上所述，本课题基于一种全新的思路和新的热舒适度标准研究了地板辐射 采暖系统的节能问题并且得到了很多有价值的结论。本课题的研究不仅修改了相 关的采暖规范使整个采暖系统具有更大的节能性，而且具体计算出了兰州地区地 板采暖的节能率，为地板采暖在西北地区的推广和普及奠定了一定的基础，另外 本课题设计出的太阳能别墅供能系统对零能耗建筑的发展有一定的借鉴作用。 硕士学位论文 关键词：建筑节能；低温地板辐射采暖；热舒适度；太阳能；生物质能；能量综 合梯级利用 硕士学位论文 一a b s t r a c t + an e wc o n c e p t ，、沛i c hd e p e n d s o na n a l y z i n gi n d o o rt h 锄a lc o m f o r tp e r c e n t a g et o s t u d ye n e r j g y - 豫v i n gp o t e n t i a lf 硒m 锄a l y z i n gi n d o o rt h e 咖a le n v i r o n m e n t ，i sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h ec h 硪蛾舐s t i co fs o l a re n e f g y 釉db i o m a u s s 锄a e r o b i cf e 门【i l e n t ，a g a i n s t l o w 朗e f g yu t i l i z a t i o i l ，孵v 嘶0 u s 锄e r g yw a s t e 柚dn o ta b o r a le n e 唱y 黟a d ei ni t s 咖l s “i o n 锄dd e t 丽o r a t i v ee n 、，i r o n m e n td u et ot h eu s eo f 南s s i le n e r g ys o u r c e si nc i v i l b u i l d i n g 朗e 哩；) ru s i n g m a x i m u mb u i l d i n ge n e r g y - 鼢v i n gi ss t u d e di nt h ec o n d i t i o no fs a t i s f - y i n gh e a tu s e r s t h e 咖a 1c o m f o r tp e r c e n t a g 岛t h e l lah e a t i n gs y s t e mh e a t e db y 蛐e 略yg e n e r a t e df b m s 0 1 a re n e 唱y 卸db i o e n e 唱yi sd e s i g n e d ，w h i c hta _ k e st h et e i l 叩e 咖r ea st h e r m a lc o m f o n p e r c 朗t a g ei n d e x f i r s t ，t h en a t i o n a lb u i l d i n gh e a t i n gs t 锄d a r dt h a tt h el o w e s tt e m p 觎岫r e0 ft h e i n d 0 0 rc 觚n o tb eb e l o w2 8 9 ki sa n l e n d e di nt h i ss t u d y 牡c 0 r d i n gt 0t h ei n d 0 0 r t 锄p e r 砷j r ec h a r a c t e r i s t i co fr a d i a t ef l o o rh e a t i i 培锄da c t i v i t yr e g u l a r i t yo f h o tu s e ：r s a n dan e wt h e n n a lc o m f o ns t 觚d a r dt h a ti ti sr e g a r d e dt h a tt h e m a lc o m 内r tp e r c 锄t a g e i sa c h i e v e d ，i ft h ea v e r a g et e m p e r a l l l r eo fs p a c cu n d e r2 mr e a c h e s2 8 9 l ( i sp r o p o s e d t l l l en e wt h e r m a lc o m f o r ts t 觚d a r di saq u a l l t i t a t i v er e f i n e m e n to ft h ee x i s t i n gb u i l d i n g h e a t i n gs t 蛐d a r di nw h o l e s e c o n d l y a3 d i m e n s i o n 伽m 丽c a lh e a t 咖l s f 打m o d e li se s t a b l i s h e dd 印e n d i n go n 锄a b s t r a c tp h y s i 喇m o d e lo faf 1 0 0 rh e a t i n g 啪m ，觚d 肌m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h e 肌a l 锄v i r o n m e mi sc 撕e do na c c o r d i n gt ot l l es p e c i a l 哆o fl a n z h o ua r s i n m l a t e st h e t h e n ：i l a le n v i r o n m e n to f 跚c hl o wt e m p 哦曲r er a d i a t en o o r h e a t i n g 啪l l l ，柚a l y z e st h e a b i l 酊o fs a v i n ge n e 嘲a b i l i t yo fe c o n o m ya n da b i l i t yo fe n v 的啪e mp r o t e c tb a o n t h en e wt h e m l a lc o m f o r ts t a i l d a r d a tt l l es a m et i m e ，t l l i sr e s e a r c ha l s 0c o m p a r et h e r e s u ho fs i m u l a t i o nb e t w 喇ll o wt e m p e r 姗er a d i a t en o o rh e a t i n ga n dc o n 、，e n t i o n a l r a d i a t o rh 翩t i n 吕柚de d u c et h ed i 伍e r e n c ei nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 粕de n e 玛y c o n s u m p t i o no ft h e 协dh e a t i n gm o d e f i n a l l y an e wf 1 0 0 rh e a t i n gs y s t e mu s i n gs o l a re n e r g ya n db i o e n e r g yw a sd e s i g n e d d 印e n d i n go nh e a tl o a dc a l c u l a t e d 舶mn e wi n d 0 0 rt h e n n a lc o m f o r ts t 锄d a r d t l l i s s y s t e mw i t hs o l a r 朗e 喀y 锄db i o e n e r g yn o to n l ya c h i e v et h ee 硒c i e n c yc o m b i n e do f u t i l i z eo fs o l a rt e c h n o l o g y ，b i o m a s sf e r m e ma 1 1 dl o wt e m p e r a t u r ef a d i a t ef l o o rh e a t i n g 硕士学位论文 s y s t e 氇b u ta l s 0r e s o l v et h ei n f l u e n c eo fd a y 彻dn i g h t ，s e a s o i l ，c l i m a t e 锄ds 0o ni n s o l a r 即e r g yh e a tu t i l i z a t i o na n d 伽sn 邑ws y s t e mc 0 吡l da c h i e v ee m c i e n c yh e a t i n gb y l o wc o s t t h ee 币c i e n c yo fe n e r g yu t i l i z ei s8 2 ，t h e 娟c i e n c ) ，o fe x e r g yi s2 3 3 ，t h e t i m e0 f c 印i t a lr e t u mi s3 4y 髓r0 f t h es o l a rv i l i a i nc o n c l u s i o l l ，n o to n l yt h ep r o b l e mo f b u i l d i n gs a v i n g 锄e 曙yi nan e wt h o u g h tw 觞 脚l v e d ，b u ta l s 0m a n yb a l u a b l ec o n d u s i o n sw e r eg a i n e d t h ef e s e a r c h sm a k e si ts a v e m o r e 印e 略yb y 锄即d i n gt h eo 打g i n a lt h e r m a lc o m 南r ts t 锄d a r d ，觚df i g u r eo i i tt h e 删 r a t eo fs a v i n ge n e 嘲“nl a n z h o u o nt h e0 t h e rh 锄d ，t h i sr e s e a r c hs 甜l e st h eb a s ef o r g e n e r a l i z a t i o n 锄dp o p u l 撕z a t i o no fn 0 0 r h e a t i n gs y s t e mi nn o n h w e s to fc h i n n a ，a n d t h es u p p l ye n e 哟，s y s t e mo fs o l a rv i l l ad e s i g n e db yt h j sr e s e a r c hh 弱t h ee 疏c t0 f u s i n g 内rr e f e r e n c et oz 啪e n e 唱yc o n s u m ea r c h “e c t u r a j k e yw o r d s ：b u i l d i n ge n e r g y s a v i n g ；l o wt 锄p e r a t u r er a d i a t ef l o o rh e a t i n g ；t h e r m a l c o m f 0 心s o k 既e 哟，b i o e n e 吼c a s c a d eu t i l i z a t i o no fe n e 穆y 硕士学位论文 插图索引 图1 1太阳能供暖系统示意图2 图1 2 地板采暖上供下回水系统示意图3 图1 3 连续运行系统示意图3 图1 4 间歇运行系统示意图3 图1 5 地板结构的剖面图4 图1 6 埋管的铺设方式4 图2 1采暖房物理模型1 0 图2 2 采暖房计算区域网格划分1 0 图2 3人可利用空间内的温度场1 6 图2 4y = 2 o m 平面温度场1 7 图2 5x = 2 8 m 平面温度场1 7 图2 6 不同的地板温度时室内温度分布1 8 图3 1 水平面上测量点的分布2 2 图3 2 散热器采暖房室内温度场2 3 图3 3 散热器采暖房x - 1 4 m 温度场2 3 图3 4 散热器采暖房三种典型工况2 4 图3 5 散热器采暖房最佳工况时x = 1 4 m 温度场2 5 图3 6 散热器采暖房最佳工况时z = o 4 m 温度场2 5 图3 7 散热器采暖房最佳工况时z = 2 o m 温度场2 6 图3 8 常规工况时室内温度分布2 6 图3 9 新标准工况时室内温度分布2 6 图3 1 0 最佳工况时室内温度分布2 7 图3 1 1 地板辐射采暖时y = 2 0 m 平面温度场2 7 图3 1 2 散热器采暖时y = 2 o m 平面温度场2 8 图4 1太阳能和生物质能互补的地板采暖系统示意图3 l 图4 2 系统能量及其品位的转换过程3 6 v 硕士学位论文 附表索引 表1 1不同管材材质的比较表5 表2 1 模型的几何数据1 l 表3 1散热器采暖特点与地板采暖特点对比2 0 表3 2 不同情况采暖房间能耗2 8 表4 1系统热负荷分配3 2 表4 2 系统设计3 3 表4 - 3系统的投资与收益3 4 表4 4 财务现金流量表3 5 表4 5 系统火用和能量品味3 6 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：车啖魄z 口7 年，2 月t 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。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： 掘吹 移乎 日期：力痧7 年，月，d 日 日期：泓句年，。月l 孕日 硕士学位论文 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：易岔次 日期：叫班l 明。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打。 ) 作者签名：圣彭谈 翮鹕。耱车 j n 1 二叠一 、 日期：劲口年7v 月o 日 日期： 滴年2 月埤日 ， 硕士学位论文 兰州理工大学 太阳能与气体水合物研究中心 工学硕士毕业生研究成果声明 本人郑重声明：本人在攻读工学硕士学位期间所取得的研究成果( 含 学位论文、学术论文、专利等) 是本人在导师的指导下、受兰州理工大学太 阳能与气体水合物研究中心相关经费资助所获得的，因此，所有研究成果归 兰州理工大学太阳能与气体水合物研究中心所有，本人今后申报、发表或出 版的、与上述研究成果直接相关的科研成果的第一署名单位均为兰州理工大 学太阳能与气体水合物研究中心。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 作者躲易益灸日期：训矿，胡，o 日 硕士学伊论文 第l 章地板辐射采暖概论 1 1 课题背景 1 1 1 建筑节能与热舒适度的辩证关系 我国建筑能耗约占社会总能耗的4 5 n 1 ，居能耗首位，其中建筑生活用能占 到3 2 乜3 。而建筑用能中能源利用率低、能源浪费严重、能量利用品位不对口、 建筑生活用能导致环境恶化的问题仍然普遍存在。随着世界能源资源的普遍紧缺 和我国能源进口量不断加大，我国建筑节能刻不容缓。 随着人们生活水平的不断提高，当今建筑采暖的舒适性已逐渐引起人们的重 视，人们已经意识到它对人的心理，生理健康的影响。医学者们呼吁一种能使室 内气温适当、让人体感觉舒适、不危害人体健康的采暖方式。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。 建筑热舒适度与建筑节能是一对矛盾，是对立统一的关系。热舒适度的满足 以耗能为代价，建筑节能必须以满足热舒适度为基础。片面强调节能而忽视热舒 适度或者片面强调热舒适度而浪费能源都是错误的。因此在研究建筑节能闯题的 过程中必须把建筑节能和热用户的热舒适度统一起来考虑，实现在满足用户热舒 适度的基础上的最大建筑节钝。 建筑热舒适度主要由室内温度、风速；相对湿度以及平均辐射温度等指标来 衡量，相对其它指标室内温度是比较容易控制、容易测量的一个指标。因此，本 文研究室内热舒适度时以室内温度为主要指标来衡量室内的热舒适度是否满足 热用户的需要。 当今建筑用能中普遍存在的问题是能源利用率低、能源浪费严重、能源转化 过程品位不对口以及由于建筑生活用能中使用化石能源而导致的环境问题。采用 清洁的太阳能供暖不仅可以有效利用低品位的能源而且可以缓解环境污染问题， 有利于实现可持续发展。 1 1 2 太阳能建筑节能与低温地板采暖 在总能耗中，建筑生活能耗占很大的比例。据统计，日本和美国平均占总能 耗的3 0 ，瑞士占4 5 ，并且平均每年都以4 帖5 的速度递增聆j 7 。在我国约占 3 2 左右嘲，随着近年来人们生活水平的不断提高，建筑生活能耗占总能耗的比 重逐年增加嘲。由于我国能源结构的特点和经济发展水平的限制，供热能源一直 硕 学位论文 以煤炭为主，由燃煤造成的环境污染，如煤的燃烧、运输和储藏过程中产生的粉 尘v 酸雨物质( s 0 2 和氮氧化物) 、致癌物质以及大量的温室气体c 0 2 将进一步加 剧环境的恶化网。因此在暖通空调领域开展节能和可再生能源的开发利用显得尤 为重要。而作为最为丰富和洁净的太阳能因为技术原因仍未能在全球范围内得到 广泛的应用。因此，发展可靠的、有效的大规模利用太阳能的技术成为必需。下 图1 1 为国外某太阳能供暖系统示意图嘲，从图中可以看出此系统以太阳能集热 器为主要热源，以燃气锅炉为辅助热源，不仅满足室内采暖的热需要而且还供给 生活用热水。 图1 1 太阳能供暖系统示意图 我国是一个太阳能资源十分丰富的国家。各地年辐射总量在3 3 5 1 0 8 3 5 1 0 6 k j ( i n 2 a ) 其平均值为5 8 5 l o 蓐础m ? a ) 。太阳能资源较丰富或可利用 的地区，约占全国国土面积的2 3 以上，主要分布在中国西北部地区 我国有组织、有计划地开展太阳能利用的起步较晚，但近年来发展较快。随 着我国政府对太阳能利用重视程度的进一步加强，以及各种新工艺、新材料、新 技术的应用可望进一步扩大太阳能在各个领域的推广和使用 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1 2 为地板采暖上供下回水系统示 意图。 2 硕十学位论文 图1 2 地板采暖上供下回水系统示意图 低温热水地板辐射采暖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3 1 8 k 3 3 3 k ( 4 5 6 0 ) ，供回水温差宣采用5 l o k 埘。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，并且管道要粗一些。 下图1 3 与1 4 是我国关于太阳能地板辐射采暖研究中的两种主要模式。图 1 3 为连续运行模式，此系统白天以太阳能集热器为热源向采暖房间供暖，晚上 依靠电加热器弥补太阳能的不足向采暖房闻供暖。图1 0 为间歇运行模式，此系 统仅在白天运行，并且白天太阳能集热器要产生全天所需要的热水，依靠蓄热水 箱把多余的热水储存起来以保证晚上用热水的需要。 地 援 冉 鑫 彝 图1 3 连续运行系统示意图m 1图1 4 问歇运行系统示意图n 幻 图1 5 为地板结构的剖面图。即在钢筋混凝土楼板上先以水泥砂浆找平为基 础层，再铺设保温绝热层，材料多为聚苯乙烯保温板。板上铺设加热盘管，并以 卡钉将盘管与保温层固定在一起，然后浇注4 0 6 0 l ， i ：m 的豆石混凝土为填充层， 硕士学位论文 再以2 0 1 1 瑚水泥砂浆找平，接着上部铺设地板、地面砖等装饰材料。 图1 5 地板结构的剖面图 1 加热盘管2 仲缩缝3 固定卡子4 地面层 5 找平层6 填充层7 绝热层8 基础层 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1 6 【l 。 其中，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、低温管相间布置，易于造成“均化一效果，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。 变箱双鲢蓥蠛藉设 图1 6 埋管的铺设方式 低温地板辐射采暖系统所用的加热盘管的选材应根据耐用年限要求、使用条 件、热媒温度和工作压力、系统水质要求、材料供应条件和投资费用等因素来选 择。地板辐射供暖系统的应用始于五十年代，当时所用管材多为铜管或钢管，因 而造价较为昂贵，而且在地面下有接口，易渗漏，不易维修，近年来随着塑料工 业的飞速发展，出现了抗老化，耐热，耐压的交联管材和轻质隔热的高效保温材 4 硕士学位论文 料，这无疑为地板辐射供暖技术提供了可靠的材料，而其价格则仅为铜管的四分 表1 ：l 不同管材材质的比较表 项目 p bp e xp p r 密度体g m 3 ) 9 4 09 4 09 0 0 热膨胀系数( 枷) o 1 3 o 2 0 0 1 8 弹性模量( n 3 5 0 0 6 0 0 8 0 0 导热系数( w m ) o 0 0 4 8 o 0 0 4 70 0 0 4 9 最小弯曲半径中 中中 耐温耐压能力 中中中 抗腐蚀能力高高高 耐磨损能力高中低 流动阻力低低低 配管难度低中中 安装难度低中中 之一。目前，可使用的管材有聚丁乙烯管( p b ) ，交联聚乙烯管( p e 均、无规共聚聚 丙烯管( p p r ) 等。表2 1 为不同管材材质的比较。由表中可知聚丁乙烯管( 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。地板辐射采暖的施工工艺流程一般为： 清理楼板结构层找平敷设保温隔热层敷设采暖管敷设钢丝网 管道试压浇筑混凝土地面一二次管道试压完成地面装修。 1 2 太阳能低温地板辐射采暖系统的研究现状 1 2 1 国内外研究现状 地板采暖是一种有着悠久历史的采暖方式。国外学者已经对其进行了大量 的研究。早在1 9 0 7 年，英国的巴克尔教授向政府当局提出地板辐射采暖专利申 请并获批准，标志着地板辐射采暖作为专门的技术得到社会的承认n 3 叫功。在2 0 世纪初，苏联的b a 亚希莫维奇工程师在俄国组织设计完成了十几个辐射采暖 系统。虽然地板采暖在一开始就显示了卫生、舒适等多方面的优越性，但是，由 于对埋入地板中的钢管抗腐蚀能力的担心，没有得到迅速发展。7 0 年代以来， 5 硕士掌位论文 随着人们舒适性要求的提高和能源危机的出现，人们对地板采暖的意义有了更深 刻的认识。尤其是适用于低温水地板采暖的交联聚乙烯管材的出现，使地板供暖 进入了一个新的发展时期。美国的戴维斯能团率先开发了地板采暖的计算机辅助 设计系统，把计算机科学同地板采暖工程科学结合起来，有力地促进了地板采暖 的发展，随后大量学者开始把计算机辅助设计系统应用于地板辐射采暖系统研究 n 6 2 3 】 美国的c 姗n j r 啪1 在2 0 世纪船年代对地板辐射采暖形式的自然对流进 行了分析，得到了室内自然对流时的速度场，并用实验验证了他模拟结果的正确 性。1 9 9 4 年，加拿大学者o l e s 距嘲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 超标、室内设计温度引起的预热时间的改变以及控制太阳辐射造成过热的具体措 施等问题进行了讨论并最终提出：有效地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时系统节约的能耗与满足夜间热舒适性的条 件下室内最低温度时所节约的能耗相同。a 也i e n i ：t i s 汹1 等利用有限元程序模拟地板 采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 i 培嘲等人研究了 基于热舒适性规则的地板辐射采暖设计方法提出了人体的平均作用温度m r t 学 说。与此同时还有日本的h a r u o 嘲南韩的s u l l g h w 锄c h o 嘲美国的d a n e e p e r 删 m b 硝i 6 和n l u k i 6 【3 订等对太阳能房的传热效果进行了分析。目前，几乎每个 国家都在开展着适合自己情况的太阳能低温地板采暖研究脚伽。 在我国，由于政治和经济等多方面的原因，对地板采暖的研究起步较晚， 自五六十年代起才有一些科研人员开始研究该技术。将太阳能应用于低温地板辐 射采暖则是在新型管材出现后才开始的。郑瑞澄对太阳能低温热水采暖的可行性 进行了分析m 3 ，得出太阳能低温热水地板采暖在我国大部分采暖区是可行的。田 琦对太阳能地板辐射采暖中采暖系统形式、集热器选择、设计参数的确定等进行 了探讨池1 。另外，我国许多学者还将相变储能与地板采暖系统相结合进行了许多 研究纠。 太阳能低温地板辐射采暖系统具有如下优点： ( 1 ) 由于使用了低品位的太阳能，从而节约高品位的化石能源，不仅有利于 6 硕士学位论文 缓解当前的能源危机，而且有利于改善环境污染问题。 一 ( 2 ) 由于采用了低温地板辐射采暖方式，具有地板辐射采暖系统的所有优点， 如热舒适性好、节能、卫生和增加有效使用面积等。 ( 3 ) 针对建筑物不同的负荷特性，可以采用连续和间歇两种供暖方式，对于 特定用户当采用间歇供暖时具有更好的节能性。 ( 4 ) 使用太阳能地板采暖系统可以很好的体现化学能和物理能综合梯级利用 原理和温度对口，能源梯级利用思想。 1 2 2 国内外研究现状的不足及对本课题的启示 综上所述，当前太阳能低温地板辐射采暖系统研究中存在以下不足； 1 ) 目前太阳能低温地板辐射采暖系统的设计思路是依据相关规定，首先粗 略估计采暖房的热负荷，然后设计系统，最后再分析整个采暖系统的节能性和经 济性。显然，这样的研究思路很难实现在满足热用户舒适度基础上的最大建筑节 能： 2 ) 现有设计和研究都是针对整个采暖房间的热舒适度进行由于人们可利 用的室内空间普遍在2 m 以下，所以这样的设计必然造成能量的浪费。 3 ) 传统的利用燃煤、燃气等与地板采暖相结合的供暖方式，存在着明显的 温度不对口与品位不匹配问题，这也必然将导致用能的浪费。 4 ) 煤炭等化石能源在建筑生活用能方面的大量使用导致了环境的恶化。 以上国内外研究现状不足对本课题有如下启示： 1 ) 选择温度、空气相对湿度、风速、平均辐射温度等热舒适度指标中的温 度为衡量室内热舒适度的指标，提出新热舒适度标准。由采暖通风与空气调节设 计规范g b j1 9 8 7 第2 1 1 条知：“民用建筑的主要房间宜采用的温度为 2 8 9 k 2 9 3 k 。另外，室内人体活动空间普遍在2 m 以下，所以本课题认为只要 2 m 水平面以下空间的平均温度不低于2 8 9 k ，那么室内热环境就满足热用户的热 舒适需求，这就是本课题提出的热舒适度标准； 2 ) 全新的地板采暖系统设计思路。依据热舒适度标准，首先对典型采暖房 的热环境进行模拟，由模拟结果得到房间最小的热负荷和最佳地板供水温度，然 后按照此最小热负荷和最佳地板供水温度来定量设计系统。 3 ) 依据本研究得到的最小热负荷和地板供水温度定量设计太阳能地板采暖 7 硕士学位论文 系统，并且供能系统设计时以低品位的太阳能为主，以生物质能弥补太阳能的不 足。另外，系统设计时依照温度对口、能源梯级思想对整个系统定量设计，使系 统能够达到高的能源利用率和火用效率。 1 3 本课题的研究目标、思路、内容和意义 1 3 1 研究目标 在满足采暖房热舒适度的条件下实现太阳能和生物质能互补的低温地板辐射 采暖系统最大节能。 1 3 2 研究思路 在新热舒适度标准指导下，通过室内热环境模拟确定采暖最小负荷，再将传 统散热器采暖与低温地板辐射采暖系统相对比，分析地板采暖的节能效果。然后， 依据新的热舒适度标准和地板采暖房能耗设计新型太阳能和生物质能互补的供 能系统。 1 3 3 研究内容 首先，提出了新的热舒适度标准，即“如果室内2 m 水平面以下的平均温度 达到了2 8 9 k 就认为整个房间内的温度可以满足用户热舒适性的要求胗。新热舒 适度标准的提出是原有建筑采暖规范的整体定量细化。一 接着，针对以兰州地区气温特点为依据，在抽象物理模型基础上建立了传统 地板辐射采暖房三维数值传热模型，对地板辐射采暖房内热环境进行了数值模 拟，确定出地板辐射采暖房的地板最低温度和最佳供水温度，并基于室内热舒适 新标准分析地板辐射采暖系统的节能性、经济性及环保性。 同时，针对兰州地区某一单居室采暖房应用传统散热器和地板辐射采暖两种 采暖方式进行供暖，模拟出此两类采暖方式在相同的维护结构和相同的边界条件 下热环境和能耗的差别，并求出地板辐射采暖相对于传统散热器采暖的节能能 力。 最后，在研究传地板辐射采暖热环境的基础上，按照室内热舒适度的新标准 及地板最低地板温度和最佳供水温度，设计出了太阳能和生物质能互补的地板辐 射采暖系统，并对系统经济性和热力学性能进行分析。 1 3 4 研究意义 综上，本课题研究按照从室内热环境分析入手，在分析室内热舒适基础上剖 8 硕士学位论文 析节能潜力的新思路，基于新的热舒适度标准不仅得出了地板采暖的最低地板温 度舯面且锝出了最魅的地i 扳煞瘫江盆度。同越。还在保征宣肉热环境热舒适度的基 础上，克服了其能耗大，能量利用率不高的缺点，而且从采暖的源头进行了研究， 即利用太阳能和生物质能替代常规的化石燃料作为供暖热媒的原动力这样一方 面实现了建筑节能，另一方面也响应了国家。节约、保护了一次能源，充分利用 可再生能源辨的号召；”本课题研究的结果哥广泛应厣予农村城镇的采暖系统的 改进，所以本课题研究具有巨大的社会、经济效益。 。 1 4 本章小终1 本章从室内热环境分析入手，在分析室内热舒适基础上提出了新的热舒适度 标准，并且基于此新标准和对国内外研究现状的分析提出了“依据热舒适度标准， 首先对典型缝板辐射采暖房白q 热环境进行模投，由模擞结果得到房间最小的热负 荷和最低地板供水温度i 然后按照此结果来定量设诗系统矿的建筑节能研究新思 路。随后指出了本课题的主要研究目标、思路、内容及其研究意义 9 硕士学位论文 第2 章地板辐射采暖热环境模拟与分析 鉴于以上对国内外研究现状的分析和本课题提出了新热舒适标准及全新的 地板辐射采暖系统设计思路，本课题首先在抽象的物理模型基础上，建立了地板 辐射采暖房内热环境的三维数值模型，利用c f d 软件模拟了采暖房内的热环境， 并着重分析了采暖房内人活动区域内的热环境，然后依据模拟结果确定了地板辐 射采暖时的最低地板供暖温度和最佳地板供水温度。 2 1 物理模型 图2 1 采暖房物理模型 图2 2 采暖房计算区域网格划分 采暖房物理模型如图2 1 。x 方向为北方，y 方向为西方。假设南、北两墙 绝热。地板下全部铺设采暖管道。 本文的物理模型外形为2 8 5 5 3 5 ( x y z ) ，房间其他围护结构的尺寸如 表2 1 所示。本模型上层为供暖房间、下层为不供暖房间、南侧为供暖房间、西 侧为走廊、北墙与东墙为外墙。室内采暖设备采用铸铁翼片式散热器。 1 0 坝t ：学位论文 依据此房间的实际建筑材料并参考实用供暖工程设计手册m 1 ，可确定房间维 护结构的传热系数为：房顶为0 2w m 2 k 、地面为0 4 w m 2 k 、南墙和西墙为 o 4 w 岔k 、北墙和东墙为0 8 w l n 2 k 、西窗为1 w 佑1 2 k 、东窗为4 w l n 2 k 、门为 1 ow m 2 k ，亮子为l w m 2 k 。 表2 1 模型的几何数据( 神 中 心 ( o 5 ，5 5 ，1 o )( o 5 ，5 5 ，2 4 5 )( 2 1 ，5 5 ，2 4 5 )( 1 4 ，0 ，1 o )( 1 4 ，o 3 3 ，o 4 8 ) 坐 标 2 2 数学模型 针对本文前述的物理模型，首先依照传热学的相关知识对本课题的物理模型 进行简化。 本课题对物理模型的简化如下： ( 1 ) 地板层厚度均匀，导热系数一致，地板表面温度一致，温度梯度为零。 ( 2 ) 供暖系统运行时，加热管内壁温度等于热媒平均温度；供暖系统停止运 行时，加热管内壁近似为绝热边界条件。 ( 3 ) 加热管在垂直于轴线的平面内均匀排列。 ( 由于地板底部敷设保温层，底部边界近似为绝热边界条件。 根据低温地板辐射采暖系统的特点，与室内围护结构各表面和室内空气进行 热量交换是以辐射和对流这两种形式，因此，热交换的综合传热量近似的通过将 辐射和对流两部分传热量相加而得出。 2 2 1 地板表面的对流传热 地板表面的对流换热，若忽略人员、设备对空气的扰动，一般认为属于自 然对流换热。它受地板表面的温度、房间的形状、人的活动、冷风渗透等很多因 素的影响汹峭。工程设计中可近似地认为对流传热仅仅与板面温度和室内空气温 度有关。由于地板表面各点的温度不同，其换热系数也不相同。但对流换热系数 主要取决于加热表面的整体换热条件。对于地板辐射采暖来说则地板表面的平均 温度是决定性因素。虽然地板表面上各点的温度不尽相同，但该系统地板温度具 有良好的均化效果，其值对对流换热系数的影响比较小。因此，本文近似认为地 板采暖表面各处的对流换热系数基本相等。地板采暖表面对流换热系数具有下列 准则计算方程式嘲1 。 玑= o 11 ( g ，e 弦 式中：m ，g ，p ，皆为无因次准则数，具体定义详见文献泓1 。 m 一努赛尔数，帆= 掣； 一 g ，一格拉晓夫数，g ，= 量竽 p 一普朗特数，e = 旦 整理可得地板表面换热系数的表达式： 玩= 1 1 8 ( 乙一瓦) 3 另外，考虑室内各种影响因素，地板表面换热系数修正后的计算式如下匦秘1 ： 吃= 2 1 7 ( 瓦一瓦) 0 3 1 对流传热量可由下式计算嘲1 ： 锄= 2 1 7 眈一乙) l 3 1 式中： 吼一对流传热量，w m 2 ： 乙一辐射板表面的平均温度，k ； 瓦一室内温度，k 。 2 2 2 地板表面的辐射传热 辐射传热量的计算公式如下沏1 ： 旷5 m 鹳脚俐 1 2 硕士学位论文 式中： 以一辐射换热量，w m 2 ； 乃一辐射板表面的平均温度， 弓一非加热面表面的平均温度，k ； e 一构形系数： 乃一辐射系数； 5 7 2 一斯蒂芬玻尔兹曼常数。 式中，由于室内各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巧，即 铲7 3 + 嚣 式中： 一室内诸非加热面的表面温度，： a 一室内诸非加热面的表面积，m ? 。 根据文献瞄力，t 。可由下式来确定： 气：一譬也一o ) 定 式中： 一室内空气温度，； 0 一室外空气温度，； k _ 内墙的传热系数，形肌z 七； k 一外墙的传热系数，形明：七。 k 可由下式求得： 1 3 硕七学位论文 妊互毛 五 五4如心 其中： 磊，盈，磊一分别为内抹灰层，墙体，外抹灰层的厚度，m ； 丑，五，五一分别为内抹灰层，墙体，外抹灰层的导热系数，形历z 七。 地板辐射采暖系统可以说是具有均匀加热的盒形房间，当其它表面处于另一 温度且都是理想的辐射面时，则可以用h o t t e l 方程酬来计算复合系数： 耻鹏2 瓢一 式中： 兄一构形与辐射的复合系数； 仍：一地板表面与非加热表面之间的辐射换热角系数，取为l ； e l ，e 2 一表面辐射系数； a l ，a 2 一表面积，m 2 。 在实际工程中，对于常用的建筑材料，如石灰、水泥、瓷砖、木头等可视为 非反射性表面，它们的辐射系数大约为o 9 左右，代入上式，可得复合系数约为 0 8 7 ，由此得： 旷4 粥阿矧 a s h r a e 经过长期的研究和测试一致证明，通常实际建筑物内的诸表面不 一定很规则，温度也不会很均匀，材料的辐射系数也不会完全相同，但实际传热 量与上式的计算结果相比，误差不会超过1 0 ，所以一般认为对于供暖设计来 说是完全可以应用的5 7 1 。 2 2 3 综合传热量 由板面到室内的综合传热，即为辐射传热和对流传热之和，即将上述的对流 传热和辐射传热相加。可得： 1 4 俐 嘞一黼一4 + 2 1 7 烀咿1 式中： q - 综合传热量，w m 2 。 本文采用鬈一s 三维紊流模型方程描述单居室地板辐射采暖房内热环境。为了 简化问题，作如下假设： 1 ) 室内空气为不可压