低温热水地板辐射供暖系统的热性能分析

低温热水地板辐射供暖系统的热性能分析

1辐射采暖技术特点建筑能源消耗占总能耗的约30%。这是能源消耗的主要形式。建筑节能技术已成为现代建筑技术的基本趋势。近几十年来,随着管材工艺和地板供暖技术的发展,低温地板辐射采暖形式在发达国家的住宅中已得到广泛的应用。该系统利用低温热水在埋置于地面以下的高技术新型加热管内循环流动,加热整个地面,而整个地面作为散热面,一方面可以通过对流换热加热周围空气,另一方面还可以与周围的围护结构进行直接的辐射换热。由于其仅用40～60℃的低温水作为热媒,这样就可以最大限度地利用低品位热能(如地热、太阳能或工业废热等等)。故可减少能耗15%左右,而且可以获得较高的舒适效果。同时具有温度梯度小、脚感温度高、房间热稳定性好、舒适卫生等特点。目前国外低温地板辐射采暖技术应用已经较为广泛,国内才刚刚起步,对该系统的热工性能和供暖基本规律的认识尚不完善。在设计、施工及运行管理技术等方面也处于刚刚起步阶段。本文针对以哈尔滨市为代表的寒冷地区地板辐射采暖系统,研究其构造层内传热过程机理,较全面地分析影响地板辐射采暖系统热工性能的各种因素,确定了构造层内温度分布、地板表面温度分布、单位面积散热量等设计指标与管间距、水温、表面材料之间的定量关系。2地板散热量的计算通常采用的地板辐射供暖构造层形式为混凝土内埋管式(如图1),其主要构造为楼板、绝热层、加热管、填充层、找平层和地板表面层。在靠近外墙的地方同时也要加保温层,减少热损失。在底层或首层直接在地面上敷设时,还应加防水层,以免土壤中水分渗入,损坏隔热层,降低采暖功率。加热管4在地板内的布置形式多种多样,常见的有直列型(单蛇行)、往复型(双蛇型)和旋转型(双回型)三种。其中双回型布置方式的热工性能最好,采用该布置时,任一过中心的剖面,埋管都是高温管、低温管间隔布置,易于均化地板温度场,提高室内热舒适性。在地板敷设供暖中上表面是供热面,它以辐射和对流两种形式与室内空气进行热交换。地板的散热量与室内空气温度、非加热表面温度、室内空气流速以及其它表面特性(如发射率等)有关,在此可以近似的认为地板的散热量为对流和辐射两部分热量之和:q=qf+qd(1)式中q—地板的热流密度,W/m2;qf—地板表面的辐射散热量,W/m2;qd—地板表面和室内空气的对流传热量,W/m2。根据文献,可得:qf=4.98[(tp+273100)4-(tr+273100)4](2)qf=4.98[(tp+273100)4−(tr+273100)4](2)qd=2.17(tp-tn)1.31(3)式中tp—地板表面平均温度,℃;tr—室内非加热表面平均温度,℃;tn—室内空气温度,℃。假设除外墙和窗户外,室内其它非加热表面为绝热面,外墙及窗户内壁温度可以从维护结构一维稳态导热过程解出。由公式(2)、(3)可见地板表面温度是确定地板散热量的一个主要参数,而地板表面温度主要受构造层内传热过程控制。构造层内传热过程实际上是一个三维稳态导热过程。为研究方便,假设沿管子纵方向温度变化缓慢,温度梯度很小。这样整个地板内的传热过程可简化为二维传热过程。再考虑到对称性,从加热管中线到两管中间截取控制体ABCDEFGHI如图3所示。假设:1.忽略管壁热阻;2.各层之间紧密接触,接触热阻为零;3.下部绝热层,热阻无限大;4管中心及管间对称中心线为绝热边界;5.温度不随时间变化。这样该单元为二维稳态导热过程,则满足下列微分方程:∂2t∂2x+∂2t∂2y=0(4)∂2t∂2x+∂2t∂2y=0(4)式中t-地板内温度,℃。边界条件:AB面(管壁上)t=tb(5)BCDE(管中心线)、IHGF(管间对称中心线)∂t∂x=0(6)∂t∂x=0(6)AI(底面)∂t∂y=0(7)∂t∂y=0(7)EF(表面)λ∂t∂y=α(t-tn),α=(qf+qd)/(tp-tn)λ∂t∂y=α(t−tn),α=(qf+qd)/(tp−tn)3表面平均温度与热流密度的定量关系在此本文采用有限差分法将控制方程及边界条件离散化,组成线性方程组,进行迭代求解。网格采用均分网格,步长1mm。本文对地板的散热量和地板表面温度分别在以下几种工况参数(水温40℃,45℃,50℃,55℃;埋管间距150mm,200mm,250mm,300mm;地板表面材料:地毯,木板,瓷砖,大理石;埋管管径;16mm,20mm,25mm)下进行数值计算和统计。得到了达到室内温度所需的地面热流密度或表面平均温度与管径、管距、水温、地板表面材料之间的定量关系。表1～3给出了不同埋管管径的地板表面平均温度、热流密度计算结果。根据以上计算结果可以发现地板表面温度和热流密度受地板表面材料、管径、管间距、水温等影响较大。以典型的20mm埋管管径为例,如图4～7所示。地板表面热流密度随着管间距的减小、水温的增加而增加。同时表面材料对热流密度有较大的影响,如大理石的导热系数约为2.93W/(m·℃),木板的导热系数约为0.14W/(m·℃),地毯的导热系数仅有0.036W/(m·℃)。在相同水温、间距和管径的情况下,表面为地毯和大理石的热流密度可以相差2～3倍。此外在水温、管径、室内温度等条件相同条件下,不同表面材料的热流密度随管间距的变化趋势不同。当表面材料导热系数较小时(如地毯、木板等),不同水温下的热流密度与管间距间近似成线性关系,如图4、图5所示;而当表面材料导热系数较大时(如瓷砖、大理石等),不同水温下的热流密度与管间距近似成指数关系。而在水温、管径、室内温度等相同条件下地板表面温度随管间距的变化趋势与热流密度的变化趋势类似。此外从节能方面考虑,在系统设计时表面材料应尽量考虑导热系数大的材料。选用导热系数大的材料的同时,使得地表温度升高,如果地表温度太高(30℃以上),由于脚部过热也会使人感觉不舒服。所以从热舒适性方面来考虑,在选择表面材料的同时应考虑其不能使表面温度太高。4低温热水地板辐射供暖系统的热性能低温热水地板辐射采暖其节能性、舒适性、经济性的特点使其具有很高的研究推广价值。本文根据典型寒冷地区(哈尔滨市)低温热水地板辐射供暖系统的传热特点和铺设方式,建立了构造