西安建筑科技大學環境學院 王登甲,吳純金,劉艷峰,王曉文,王 敏
【摘 要】針對提出的對流型架空地板輻射采暖系統,采用數值模擬的方法研究其地板表面溫度分布及輻射采暖房間熱環境特征,并與實驗結果對比驗證了模型的正確性。結果表明:盤管運行水溫不同時,架空地板表面溫度與熱流的分布規律相似,呈現出在兩盤管中間位置處高,盤管正上方低的規律;在相同工況下,對流型架空地板輻射采暖系統下的室內空氣溫度相比于常規架空地板輻射采暖系統增加1.0℃左右;對流型采暖房間內風速在0.11-0.18m/s之間,滿足工作區人員舒適性要求;對流型架空地板總散熱量中對流散熱量比例與常規架空地板輻射采暖對流比例相比高5%以上。
【關鍵詞】強化對流;數值模擬;熱環境;對流比例
【基金項目】“十三五”國家重點研發計劃項目課題(2016YFC0700402);國家自然科學基金面上項目(51678468)。
0 引言
目前連續運行的建筑中常用的低溫地板輻射采暖多為埋管式結構,其加熱盤管埋于填充層中,蓄熱能力強,熱穩定性好;但在間歇采暖的建筑類型中,則存在預熱階段加熱時間長,可調性差等問題。對于地板輻射采暖系統的研究,在兼顧其優點的同時考慮不同場所的采暖需求、調節更加靈活十分重要?;诖?,提出一種對流型架空地板輻射采暖系統,通過實驗研究[1]的方法研究了該系統的蓄、放熱特性。
國內外諸多學者對地板表面溫度和輻射采暖房間熱環境進行研究。文獻[2-4]給出了不同工況下地板表面溫度及其熱流密度的分布規律;文獻[5-8]給出了地板表面溫度的簡化公式和修正模型;文獻[9-11]根據數值模擬結果和實驗研究得到輻射采暖房間內的溫度分布并分析其舒適性;L. Fontana通過基于尺度模型的實驗研究對地板輻射采暖系統的熱性能進行研究,得出家具對于系統性能的影響關系。地板表面的溫度和熱流是地板輻射采暖系統的重要參數,輻射采暖房間內的熱環境特征也決定了采暖形式的特點以及其舒適性。故針對提出的對流型架空地板輻射采暖系統僅僅研究其蓄、放熱特性是不夠的,其地板表面溫度及熱流分布、輻射采暖房間熱環境的研究也十分重要。
本文針對提出的對流型架空地板輻射采暖系統,在掌握其蓄熱期和間歇期時的蓄、放熱特性的基礎上,采用數值模擬的方法對其穩定狀態運行時地板表面溫度分布和輻射采暖房間熱環境進行研究。
1 對流型架空地板輻射采暖系統結構
本文提出的對流型架空地板輻射采暖結構如圖1所示,盤管下方依次為鋁箔層、絕熱層和樓板層,上方為支架、龍骨、架空地板,其中架空地板上鉆有孔洞,以起到強化對流的作用,支架和龍骨起到支撐的作用。該末端系統與傳統地板輻射采暖系統相比,盤管上方不鋪設填充層,而是將加熱盤管直接放置于在保溫層和地板之間的空氣夾層中且架空地板上有孔洞。
1–孔;2–地板; 3–龍骨;4–支架;5–盤管;6–鋁箔+保溫層;7–樓板
圖1 對流型架空地板輻射采暖系統結構示意圖
2 物理模型及邊界條件
2.1 物理模型
(1)架空地板
根據實驗研究[1]可得,對流型系統在穩定運行時,圓孔對于架空地板表面的溫度影響范圍僅限于圓孔周邊,圓孔面積占整個地板面積較小,在距圓孔較遠處可忽略圓孔對架空地板表面溫度和熱流隨盤管間距和盤管運行水溫的分布規律的影響。
架空地板輻射采暖末端系統物理模型如圖2所示。對架空地板表面溫度和熱流隨盤管間距和盤管運行水溫的分布規律進行模擬計算,水溫沿盤管軸向變化不大,可忽略軸向傳熱,故傳熱過程可視為二維過程。
1–地板;2–龍骨;3–空氣夾層;4–可調支架;5–管盤; 6–鋁箔+保溫層;7–樓板
圖2 架空地板輻射采暖末端系統物理模型
(2)輻射采暖房間
對流型輻射采暖房間物理模型如圖3所示,尺寸為3.6m×3.2m×2.6m,房間在X方向上有一面外墻,架空地板高度為200mm,盤管直徑20mm,圓孔直徑為20mm。根據前述分析架空地板輻射采暖系統可簡化為二維模型,但對于對流型架空地板輻射采暖,由于地板上孔的存在不宜簡化,故采用三維模型。同時系統房間模型關于X軸對稱,為加速模擬計算,故得簡化模型。
圖3 對流型架空地板輻射采暖房間模型
2.2 邊界條件
(1)架空地板
對架空地板表面溫度和熱流分布進行數值計算,其定解條件為:
兩相鄰盤管中心線和保溫層上表面邊界,即:
架空地板上表面邊界條件為第三類邊界條件:
盤管表面為溫度邊界:T|p=Tw
初始條件為:Tτ0=14℃
式中:l為盤管間距(m);h為架空地板上表面位置(m);qd為架空地板上表面綜合換熱熱流密度(W/m2); qc 、qr 分別為架空地板上表面對流和輻射熱流密度(W/m2);ac、ar分別為架空地板上表面對流和輻射換熱系數(W/(m2·K));Ts為盤管運行水溫(℃)。
(2)輻射采暖房間
本模型中有一面外墻,設置外墻邊界條件為第一類邊界條件,內壁面溫度取14℃,內墻及樓板邊界條件為第二類邊界條件,為簡化計算假定為絕熱條件。盤管定壁溫,第一類邊界條件。地板為耦合邊界COUPLED,孔設置為INTERIOR。對流型架空地板輻射采暖系統房間簡化模型中,對稱面邊界條件為SYMMTERY。
對于房間的熱環境模擬所選取的工況為:盤管間距100、200、300mm;盤管運行水溫35、45、55℃;無孔(常規架空地板輻射采暖系統)、2排孔、4排孔、6排孔、條形出口(對流型架空地板輻射采暖系統),其中孔的位置如圖4所示。圓孔橫向間間距為600mm,縱向間距為300mm,距左右墻體間距為300mm,上下墻體間距為100mm,其中設置條形出口時,條形出口的大小為400mm×20mm。
圖4 對流型架空地板輻射采暖房間孔的位置
(a–2排;b–4排;c–6排;d–條形出口)
3 模型驗證
對架空地板輻射采暖系統進行蓄放熱特性數值計算,并將其結果與實驗結果進行對比。架空地板輻射采暖系統在穩定狀態運行時架空地板表面溫度和熱流密度計算結果與實驗結果對比如表1所示;預熱期、間歇期時架空地板表面溫度和熱流密度計算結果與實驗結果對比如圖5所示。
圖5 預熱期和間歇期架空地板表面溫度和熱流密度計算結果與實驗結果對比
由表1可得,通過數值計算獲得的架空地板輻射采暖系統在平穩運行狀態時架空地板表面溫度最大值、最小值和平均值與實驗結果相比分別相差1.6%、3.2%和3.3%,熱流密度分別相差2.4%、7.4%和7.5%。數值計算結果均大于實驗結果,主要是由于實驗中樓板上方設置的保溫材料在數值模擬計算中將其簡化為絕熱,忽略了盤管向下的熱損失,引起數值計算結果與實驗結果不一致,但其差異較小,誤差小于8%。
表1 穩定狀態運行時架空地板表面溫度和熱流密度計算結果與實驗結果對比
由圖5可得,在預熱期時架空地板表面溫度的數值計算結果與實驗結果相比平均差異為0.11℃,最大差值為1.49℃;間歇期時平均差異為1.26℃,最大差值為1.69℃。熱流密度在預熱期時平均差異為1.69W/m2,最大差值為2.8W/m2;間歇期時平均差異為1.03W/m2,最大差值為2.8W/m2。預熱期和間歇期時,數值計算結果與實驗結果相比溫度和熱流密度數值相差較小,且誤差均在9%以內。因此數值計算結果與實驗結果吻合較好,模型準確可信。
4 結果與分析
4.1 架空地板表面溫度及熱流分布
盤管間距為200mm、空氣夾層為200mm時,不同盤管運行水溫時架空地板表面溫度及熱流密度分布如圖6所示。
圖6 不同盤管運行水溫時架空地板表面溫度及熱流密度分布
由圖6可以看出在盤管運行水溫不同時,架空地板表面溫度與熱流的分布規律相似,主要是由于架空地板表面熱流密度與架空地板表面溫度、室內空氣溫度及地板表面換熱系數有關,在穩態運行時室內空氣溫度基本恒定不變,表面換熱系數變化也很小,架空地板表面的熱流密度主要與架空地板的表面溫度有關,故呈現相同的規律。同時得出架空地板表面溫度和熱流密度呈現出在兩盤管中間位置處高,盤管正上方低的規律,這與傳統埋管式輻射采暖系統地板溫度和熱流呈現中間低兩端高的現象[12]截然不同,主要是由于架空地板輻射采暖存在空氣夾層,在夾層內空氣主要依靠自然對流的作用流動,空氣在夾層內流動存在旋渦區,熱空氣首先流過兩管中間的區域,故呈現出此種規律。盤管運行水溫為35、45、55°C時,地板表面平均溫度和熱流分別為20.7、22.6、24.6℃和24.9、41.0、58.8W/m2,盤管運行水溫增加10℃時,地板表面溫度增加2℃左右,地板表面熱流密度增加約15W/m2。
4.2 架空地板輻射采暖房間溫度分布
架空地板輻射采暖房間在不同工況下(盤管間距、運行水溫)空氣溫度縱向分布如圖7所示。
圖7 架空地板輻射采暖房間在不同工況下空氣溫度縱向分布
由圖7可以看出,在不同的盤管水溫和盤管間距工況下,房間溫度分布都存在分層現象,靠近天花板處溫度高,靠近地板處溫度低,主要是由于空氣處于自然對流狀態,在地板處受熱產生溫度差,從而由于浮升力的作用熱空氣向上運動,形成分層現象。同時得出,在盤管運行水溫分別為35、45、55℃時,室內空氣平均溫度分別為18.9、21.7、24.5℃,盤管運行水溫每增加10°C,室內空氣平均溫度增加2.8℃左右;盤管間距分別為100、200、300mm時,室內空氣平均溫度分別為23.7、21.7、20.0℃,盤管間距每減少100mm,室內空氣平均溫度增加1.8℃左右,可看出盤管運行水溫對室內空氣溫度影響較大。
4. 3 對流型架空地板輻射采暖房間溫度及流速分布
(1)溫度分布
對流型架空地板輻射采暖房間在y=0(房間寬度中點處),x=0.6、1.2、1.8、2.4、3.0m處在不同高度上(z=0.2m-2.4m)的空氣溫度分布如圖8所示。其中x數值越小代表距離外墻越近。
圖8 對流型采暖房間空氣溫度縱向分布
從圖8中可以看出,對流型架空地板輻射采暖系統在運行至穩定階段時,房間內溫度隨高度的增加而增加出現明顯的熱力分層現象,與常規架空地板輻射采暖系統在穩定運行時房間內空氣溫度分布較為相似,是由于前文中實驗顯示,孔洞處空氣流速較小,故對房間內的溫度分布規律影響不大??傮w來說,室內空氣溫度在高度上的分布較為均勻,最大溫差在0.4℃左右。在距外墻同等距離時,室內空氣溫度在高度方向上存在分層,但其差異相對較小。此外,對流型架空地板輻射采暖系統與常規架空地板輻射采暖系統相比,在相同運行工況(盤管間距和盤管運行水溫)下穩定狀態時室內空氣溫度提高了1℃左右。
對流型采暖房間內空氣溫度在不同高度上(z=0.1、1.1、2.0m)隨與外墻距離的溫度變化規律如圖9所示;室內空氣溫度在距外墻同等距離時,隨距圓孔距離(y1為圓孔正上方,y2為兩圓孔中點,y3為兩圓孔1/4處)的溫度變化規律如圖10所示。
圖9 對流型采暖房間隨與外墻距離的溫度變化 | 圖10 對流型采暖房間距圓孔不同距離處空氣溫度變化 |
由圖9可以看出在不同垂直高度上每一水平面上的空氣溫度也存在熱力分層現象,主要是由于外墻這一房間圍護結構溫度較低導致。在距離架空地板0.1m高度處,溫度分層最為明顯,溫度隨著距外墻的距離的增加而增加,最大溫差為1.2℃左右;而在距架空地板1.1m和2.0m處室內空氣溫度雖較高,但分布也更加均勻,主要是由于在房間上部空間內室內空氣流態充分發展為紊流,空氣充分混合。
由圖10可以看出,在距地板0.1m處,圓孔上方的空氣溫度明顯高于兩孔中間和1/4處,這主要是由于夾層空氣高于室內空氣,在經圓孔剛流出時與室內空氣混合不完全。而隨著高度的增加空氣混合充分,距圓孔不同距離處的空氣溫度也基本相同。
(2)流速分布
對流型架空地板輻射采暖系統在穩定運行時的風速分布如圖11所示。
圖11 對流型采暖房間風速分布
由圖11可以看出,室內風速在靠近地板和天花板處數值較大,房間中間區域風速較小,主要是由于室內風速主要為自然對流引起,而自然對流產生是由于溫差決定,地板與室內溫差較大,故在地板處風速較大,同時室內空氣在天花板處的流態充分發展為紊流。室內最大風速分布在地板和外墻連接處,數值為0.18m/s左右。室內風速在0.11~0.18m/s之間,總體風速較小,符合人體在房間內沒有吹風感,規定風速小于0.25m/s的要求,滿足工作區人員舒適性要求。
4.4 不同工況下模擬結果匯總
對流型架空地板輻射采暖在不同盤管間距、盤管水溫和孔的面積等工況下的室內空氣溫度、地板表面熱流密度及對流所占比例如表2所示。
表2 不同工況下空氣溫度、地板表面熱流密度及對流所占比例
由表2可以看出在不同盤管間距、不同盤管運行水溫、有無孔、不同圓孔密度和不同孔的形式下的室內空氣溫度、地板表面熱流密度、對流所占比例。在沒有孔時即常規架空地板輻射采暖室內空氣溫度為21.7°C,在總散熱量中對流所占比例為31%,而在盤管運行水溫和盤管間距相同工況下的對流型架空地板,圓孔數為4排時室內空氣溫度達到了22.6℃,室內空氣溫度明顯升高,同時地板表面熱流密度也增加了9.3W/m2,其中對流散熱所占的比例增加至37%。對于對流型架空地板輻射采暖系統,盤管運行水溫對于室內空氣的溫度影響較大,盤管間距次之,圓形孔的密度最小,在這三種因素變化時,總散熱量中對流散熱所占的比例基本相同均在37%左右,這與前一章中的實驗結果相吻合,圓形孔在一定數量范圍內,其數量的變化對于架空地板的溫度影響較小。而當孔為條形形狀時,相同工況下總散熱量中對流所占的比例明顯增加至41%,室內空氣溫度雖也有增加,但增加的溫度較小,僅為0.2℃,可見架空地板上開孔面積不宜過大。
5 結論
針對提出的對流型架空地板輻射采暖系統對其地板表面溫度分布和輻射采暖房間室內熱環境進行數值模擬研究,得出以下主要結論:
(1)盤管運行水溫不同時,架空地板表面溫度與熱流的分布規律相似,呈現出在兩盤管中間位置處高,盤管正上方低的規律,這與傳統埋管式輻射采暖系統地板溫度和熱流呈現中間低兩端高的現象截然不同;
(2)在相同工況下,對流型架空地板輻射采暖系統比常規架空地板輻射采暖系統下的室內空氣溫度增加1℃左右;兩種系統下室內溫度分布規律相似,高度方向上均存在分層現象;
(3)對流型采暖房間內風速在靠近地板和天花板處數值較大,房間中間區域風速較??;風速在0.11~0.18m/s之間,滿足工作區人員舒適性要求;
(4)對流型架空地板總散熱量中對流散熱量比例與常規架空地板輻射采暖對流比例相比高5%以上。
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注:本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期《2017全國供暖技術年會論文集》中。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。