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上一层 结构冷暖原理图 投资成本比较 能源消耗比较 独特优势 现场铺设方式 模块铺装方式 辐射温度 毛细管网制冷 辐射制冷技术 地面结露问题 设计问题探讨 案例分析 应用范例

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地板辐射供冷地面结露问题研究

 

山东建筑大学  刘学来 李永安 马玉奇

 

    摘要:本文对地板辐射供冷进行了数学分析,建立了地板层及地板表面温度计算的数学模型。通过数值求解得出了不同空气温度和供水温度下的地板表面温度,给出了在不同室内空气温度和湿度下的露点温度,方便设计人员在设计地板辐射供冷时,采取合理设计措施控制地板温度,以实现不结露的目的。
   
关键词:地板辐射供冷  数学模型  塑料管  地板表面温度   露点 温度  相对湿度

 

    1.概述
   
低温热水地板辐射系统在国外的应用可以追溯到20世纪20年代。到70年代,西方发达国家已经开始广泛应用,近20年塑料管材的性能得到了很大的改善,并得到了广泛的应用,使得这种供暖方式在大型的公共场所,如商场、展览馆、体育场、游泳馆等被广泛应用,在住宅中的应用更加广泛。例如在加拿大西部约有65%的新建住宅,韩国80%以上的新建住宅,德国41%的新建住宅,瑞士48%的新建住宅采用了这种新型的低温地板辐射供暖系统[1][2][3]
   
我国的科研工作人员在20世纪50-60年代就对地板辐射供暖技术进行了研究,并在人民大会堂、华侨饭店等工程中进行了应用[4]。在1987年石家庄会议大厦首次引入了芬兰整套交联聚乙烯管地板供暖设备,但是,直到20世纪与21世纪相交的几年,我国新型塑料管材得到全面发展,开发了相应于地板辐射供暖的PEXPP-RPBXPAP等一系列塑料管材,从而新型塑料管材在我国地板辐射供暖系统中得到了广泛的普及,成为一种重要的供暖型式。
   
与地板辐射供暖相比,地板辐射供冷的应用与研究则大大的滞后,尤其在我国仍处于研究阶段,目前地板辐射供冷还有许多问题需要探讨,本文就地板辐射供冷在确定了管间距及冷负荷的情况下,就最低供水温度进行分析,以期能对设计人员选择地板辐射供冷这种方案提供帮助。
    2.
地板辐射供冷数学模型
   
在地板辐射供冷系统中,地板中的实际传热过程在轴向(管长方向)的温度变化相对于径向(盘管截面)的温度变化非常缓慢;并且房间内持续供冷一段时期后,室内形成一个相对稳定的内环境;因此可以将三维非稳态问题进行简化成二维稳态导热问题。
   
通过微积分理论,在以下合理的假设下:
   (1)
各层材料均是各向同性,恒物性;
   (2)
各层材料是紧密接触,接触热阻为零;
   (3)
楼板层的上部采用保温隔热材料,楼板底层绝热。

 

 

 

1 传热计算单元


   
可以得出如图1所示的传热计算单元。该单元的二维稳态导热过程有如下的微分方程:
   

 1


   
式中t-地板板体内温度,℃
   
由于传热单元温度场的对称性,平行于y轴的外边界面可视为绝热,即:
                  

2


   
地板辐射供冷管管外壁处边界条件为:
 

3


   
式中ts为该计算单元的管外壁温度,℃,取供回水平均温度。
地板辐射供冷系统为减少盘管向下的冷量损失,在楼板层的上部一般使用聚苯乙烯轻型的保温隔热材料,该材料的导热系数很小,为简化计算,假设楼板底层绝热,其边界条件为:
                         

  

 4


   
在地板的上表面,传热过程是对流换热和辐射传热两者的综合作用,地板的总换热量为对流换热量和辐射换热量之和。
                   

 

5


   
式中λ3为地面层导热系数;Qc为自然对流热流密度;Qr为辐射热流密度。
   
由于方程(5)为非线性边界条件,地板上表面的边界条件简化为第三类边界条件,换热系数为采用对流换热和辐射换热的综合换热系数,数学描述如下:
         

6


   
其中:
            

7


   
式中tn为室内计算温度,℃;ac为对流换热系数,W/㎡·℃;tb为地板上表面任一处温度值,℃;ar为辐射换热系数,W/㎡·℃;az为综合换热系数,W/㎡·℃;
   
综上所述,由式(1)~(7)就构成了地板辐射供冷系统的完整数学模型。
    3.
求解结果
   
采用有限元法对给出的数学模型进行求解,可以得出如图2-7所示的地板表面温度分布。

 

1 不同室内设计温度和不同相对湿度下的状态点的露点温度表 

 

 

    选取山东济南地区的气象资料,夏季室内空调温度22℃~28℃,济南地区相对湿度一般在50%75%。使用焓湿图软件绘制了济南地区4种不同温度和不同相对湿度下的空气参数状态点,共计24个点,这24个状态点的露点温度值可以通过焓湿图软件直接得到(见表1)。
计算中地板盘管采用交联聚乙烯管(PE-X)盘管, 细石混凝土填充层(细石粒径£10mm),抹水泥砂浆找平层,最上表面铺设地面装饰层。采用无量纲数f体现填充层厚度与管间距对地板表面温度和热流密度的影响,其中f=d/s。将图2-7中的地板表面温度与表1中的露点温度进行比较即可判断地面的结露情况。从而帮助设计人员设计地板辐射供冷的供水温度、管径、地面饰材及厚度、管间距等相关设计参数。

 

 


2 辐射供冷地板表面温度分布图  

 


3 地板表面温度与水温的关系
s=200mmd=20mmd=60mm,地面木质地板)

 


4 地板表面温度值与管间距之间的关系
d=60mmts=7℃,tn=26℃,瓷砖地面)

 


5供冷条件下f对地板温度的关系
s=200mmd=20mmtn=26℃,地面为木质地板)

 


    4.
研究结论
   
根据以上计算结果绘制的各种关系图以及表1,可得出以下几点研究结论:
 
1)在任何地板构造的低温热水地板辐射供冷系统中,地板表面温度随着离管中心的水平距离的增大而升高,温度变化幅度相对较小。
 
2)低温热水地板辐射供冷系统在填充层、管径和管间距一定的情况下,降低夏季工况的供水温度可以得到较低的地板表面温度。且在以上前提下,保持供水温度一定时,随着室内设计温度的升高,地板表面温度也随着升高。

 

 

6 地板表面温度与管径之间的关系
s=150mmd1=60mmtn=26℃,地面层为瓷砖)

 

 

7 地板表面温度与填充层之间的关系
s=150mmd=20mmtp7℃,tn=26℃)


   
3)在其他影响因素一定时,地面层厚度,特别是导热系数是影响地板表面温度的重要因素;表面层的导热系数越大,地板表面温度越低,增加地面层厚度则得到相反的结果。填充层厚度一定的情况下,常见地面层构造的地板表面温度由低到高排序为:大理石地面→瓷砖地面→木质地板→塑料地板→化纤地毯。
 
4)在供水温度一定时,减少管间距,则可以得到较低的地板温度,比较容易满足舒适性要求。过分增加管间距,抑或填充层过厚,可能导致夏季工况由于供水温度的限制无法达到室内所要求的供冷能力;在管间距一定的情况下,采用较大管径的盘管供冷,可以得到较低的地板表面温度。
 
5)地面层为木质地板,填充层60mm时,当管间距在100250mm之间,供回水平均温度在710℃左右,可以满足供冷房间所要求的面积冷指标,并且地板表面温度都在18℃以上,基本上可以达到防结露的目的。
 
6)为了达到所要求的面积冷指标,可以适当减小管间距,一般可取s=100250mm左右,管径d320mm;如果要考虑地板辐射冬季供暖夏季供冷的两联供系统,满足夏季冷负荷要求的设计标准,在冬季采暖时很可能高于所要求的采暖热负荷。因此地板辐射供冷系统采用管间距200mm、管径20mm,地面层材料的导热系数数量级在10-1左右,夏季采用8℃~10℃左右的冷冻水供冷,同时在地板表面附近每隔一段距离设置通风装置,避免结露,维持良好的室内热湿环境。
   
参考文献
    [1]
山东省标准.低温热水地板辐射采暖应用技术规程(DBJ14BT14-2002
    [2]
李清清.地板辐射供供暖供冷中地板换热性能的研究.《山东建筑工程学院硕士毕业论文》 2003
    [3]
孙德兴等.低温热水地板辐射采暖地面散热量的分析与计算.清华3E暖通空调网.学术研究 2002
    [4]
陆耀庆,供热通风设计手册,北京:中国建筑工业出版社,1987
    [5]
刘学来,李永安,地板辐射供暖设计施工中几个问题的探讨. 建筑技术 2005.10

 

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