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上一层 电地暖选型 热负荷计算 房间特性参数 耗热量指标计算 发热电缆应用

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低温地板辐射供暖系统房间特性参数的研究

 


   
摘要:建立了低温地板辐射供暖房间各围护结构的热平衡方程式,系统地求解了地板表面温度、热流密度、室内空气温度、围护结构内表面温度。通过实验较全面的测量了地板辐射供暖房间各特性参数,验证了本文所建立的数值计算方法是正确的,为地板辐射供暖系统的推广应用奠定了基础。
   
关键词:低温地板辐射供暖 热平衡 数值计算

    1 引言
    
低温地板辐射供暖系统因其舒适性和节能性,目前被广泛应用在住宅、宾馆客房、商场、游泳池等工程中。因此,研究其地板表面温度、辐射换热量、对流换热量、围护结构内表面温度等特性参数是非常重要的,而当前它们的计算主要以美国ASHRAE手册[1]上的方法为依据。由于建筑业的发展,各类围护结构繁多,特别是大玻璃外窗的广泛采用已经超出了手册规定的使用范围。所以如何根据低温地板辐射供暖房间结构的具体情况合理确定各特性参数是理论上和工程上应考虑的新问题,也是本文要解决的问题。为此,本文编写了计算地板表面温度、围护结构内表面温度、室内空气温度的通用程序,可以方便的用于盘管间距、埋深等变化对地板辐射供暖房间各特性参数的影响,并且用实验验证了本文的模拟程序是正确的。
    2
地板辐射供暖系统各特性参数的计算
    2.1
地板表面与房间的换热量
   
地板辐射供暖房间如图1所示,

 

 


1
是北外墙,25是西、东内墙,3是顶棚,4是地板,6是南外墙,7是北外窗。
    
在辐射供暖条件下,离开地板、墙体的总热量为对流换热量和辐射换热量之和。
    a
辐射换热量与对流换热量的计算公式如下:
(1)
单位面积辐射换热量qr,i


                
i=1,2,3,4,5,6,7                                                                (1)        
    Cb
为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,等于5.67W/m2·K4 ;εik为表面i与表面k之间的系统黑度;k为表面i对表面k的辐射角系数;ti,tk为各表面的内表面温度,℃。
  
为计算方便将上述方程线性化:

 


     
为围护结构内表面ik之间的当量辐射换热系数,W/m2·℃;
    
可以用下列方法近似计算:

 

 

                       (2)


   
可以将Tm近似取某已知温度,例如,令其等于室温Tn,或令其等于上一次迭代的第i和第k内表面的平均温度。
   (2)
单位面积对流换热量

 

                  (3)

                 
     
为各内表面的平均对流换热系数,W/m2·℃;tn为室内空气的平均温度,℃。
   
对流换热系数的计算是一个特别复杂的过程,因为它与流体的温度场、速度场紧密相关,为求解对流换热系数必须先求解出流体内温度场、速度场的分布。求解壁面处综合换热系数可参考文献[2]是对流换热系数与辐射换热系数之和,根据已知的即可求出对流换热系数
   
综上,根据单位面积对流换热量和辐射换热量,可得整个房间的换热量:F4为地板表面面积,m2
    b
实感温度[3]的计算
   
在辐射供暖中,通常以实感温度作为衡量辐射供暖的标准,它标志着在辐射供暖环境中,人或物体感受辐射和对流交换综合作用时,以温度表现出来的实际感觉。
   
实感温度可以由黑球温度计来测量,也可以根据下列经验公式计算得出:

 

                 (4)


  
其中,

 

    ts为室内实感温度,℃;为室内围护结构的平均辐射温度,℃;Fk为各表面的面积,m2
c
热水流量的计算
热水经过盘管后自身焓变化量为

 

                               (5)
 
                     
    G
为热水流量,kg/s c为管内热水比热容,J/kg·℃;△t为供、回水温度差,℃;
   
根据能量守恒Q1=Q2                                                          (6)      
   
可以求出热水流量G
     2.2
围护结构内表面温度及室内空气温度的计算
     2.2.1
数学模型的建立
   
在本文研究中,建立房间围护结构内表面的热平衡方程式所采用的假设[4]为:(1)窗户在北面,冬季供暖主要应考虑通过围护结构的热损失。(2)对于外墙,围护结构外表面温度用室外空气温度 来代替,计算围护结构的传热系数时把室外空气热阻包括进去。根据以上假设,列出房间6个面(地板表面除外)(i=1,2,3,5,6,7)的热平衡方程式:

 

 

 

(i=1,2,3,5,6,7)    

7                                                                                         
    Ki
为包括室外空气热阻在内的第i面围护结构的传热系数,W/m2·℃;tw为室外空气温度,℃;
   
对于本文采用的是地板辐射供暖系统,在稳态条件下,建立房间空气热平衡时,只考虑空气与各壁面的对流换热量。其数学表示式为:      

 

                (8)
             

    解由(7) (8)组成的方程组,即可得各围护结构内表面温度 及室内空气温度tk。地板表面温度tn的计算参见文献[5]
    2.2.2
求解算法
   
本章用房间热平衡法建立了求解围护结构内表面温度的热平衡方程式,并编写了计算地板表面温度、围护结构内表面温度的耦合程序FXM-Ⅱ。其计算步骤如下:
  
1)假设热水流量G,除地板外的围护结构内表面温度tk,空气温度tn,代入程序FXM-[5](由于篇幅所限,程序FXM-Ⅰ在文献[5]中介绍),求出辐射板表面平均温度t4、热流量q,计算出热水流量G等。
   
2)以t4tk为边界条件,计算室内空气温度场,求出各内表面的对流换热系数。
  
3)根据本文编写的房间热平衡程序FXM-Ⅱ,求出围护结构内表面温度tk、空气温度tn
  
4)把求出的tktn再代入FXM-Ⅰ,重复以上步骤,反复迭代,直到两次求出的热流量qt4、各围护结构内表面温度tk等参数相差不大,迭代结束。此时求出的值tktnt4q即为所求的值。
    2.2.3 
计算结果
   
1计算了室外气象参数 为-7℃、供回水平均温度 为40℃,盘管间距、埋深变化时的各特性参数,计算结果如下:
   
1 盘管间距及埋深同其它特性参数关系表

 



  
    
由表1可以看出,随着盘管间距的增加,地板表面温度、室内空气温度、围护结构内表面温度减小;随着埋深的增加,亦如此。另外,围护结构内表面温度受室外环境影响很大,由此造成了内墙的温度与外墙、外窗的温度有较大的差异。整个围护结构中考虑了窗户的影响(传热系数较大,温度低),致使地板辐射供暖条件下的室内实感温度略低于室内空气温度。
    3
实验条件及装置
   
地板辐射供暖房间选在山东建筑工程学院某一实验机房里。房间大小为8.9×4.7×3.9m(如图2),所选的房间为一层,顶层是学校的报告厅,报告厅采用的是全空气的中央空调系统,间歇运行。东面相邻的是非采暖房间,西面为一内厅,北面是240mm厚的外砖墙,外墙上有一铝合金塑钢外窗,窗的面积为4.8m2,南面相邻的是学生自习室,采用同样的地板供暖系统。

 

 

2  地板辐射供暖房间

 

    地板辐射供暖系统地板层构造参考文献[5],环路布置采用双回形,管材采用的是进口原料制作的交联聚乙烯(PEX),供水温度≤60℃,直径Φ12/16mm,间距200mm,埋管层厚度为120mm。整个供暖房间采用四个相同的双回形环路。
在实验中,所有仪器均经过山东省计量研究所标定过。测量室内空气温度场的地板测点及空间测点布置分别如图34所示,地板测点布置如图5(横向第一行测点距北墙0.39m,最后一行测点距北墙8.39m;纵向第一行测点距西墙0.39m,最后一行测点距西墙4.39m;其它测点距离均为0.5m)所示。对于其它墙面及窗户,也分别布置了许多测点,其布置的方式同地板一样。

 

 

          3 空间测点平面图                         4 空间测点布置图

 

 

5 地板测点布置图


    
实验从上午1000到晚上1000,全天室外平均温度为1.0℃,顶层报告厅一天中未有开会的,室内空气平均温度为11.6℃,西墙外大厅空气平均温度为15.4℃,与东墙相邻的房间室内空气温度为10.7℃。地板辐射供暖房间的热源采用锅炉水,经换热器换热后,供水温度为52.9℃,回水温度为46.7℃,流量为515kg/h
    4
实验测试结果
    
按照测点,测量了地板表面温度及各围护结构内表面温度,因为篇幅的限制,测点温度不能一一列出,在此只列出其平均值。                   
    
从表2可以看出,围护结构的内表面温度除了外墙、外窗外,其它面的温度都比较高。这样,不仅可以使冷辐射引起的人体散热量大大降低,而且提高了室内围护结构的温度。从而提高人体的热舒适性。另外,由表2可以看出本文算法与实验值的最大误差在3.574%,说明本文建立的仿真程序FXM-Ⅱ是正确的。

 

2  地板辐射供暖系统个特性参数

 


     4.3 
室内空气温度分布
    
由于低温地板辐射供暖系统和其它供暖系统的供暖机理不同,必然会产生沿房间高度方向上不同的空气温度分布。由于实验条件的限制,本文只测量了测点布置如图34所示的室内空气温度分布。

 

 

6 竖直方向上室内空气温度分布图


    
由图6可见,在竖直方向上,室内空气温度分布比较均匀,温度梯度小,并且出现特殊的“负温度梯度”,这是由于低温地板辐射供暖系统在传热过程中热流主要向上传递。地板辐射供暖的这种特有现象不仅使散热更加均匀而高效(与对流散热方式相比,一方面,使房间顶部不会过热,减少了围护结构的无效耗热量;另一方面,由于传热温差小,使室内气流的自然对流换热减弱,室内产生的上升气流减少,室内空气流动缓慢,使室内的卫生条件得以改善),而且能使人产生“脚暖头凉”的感觉,更好的满足人体的热舒适性。
    5
结论
  
1)本文通过耦合程序求解了围护结构内表面温度等参数,由表1可见外墙、外窗、内墙之间的温度有较大的差异,这种差异性,势必影响房间的热舒适。
 
2)地板辐射供暖系统室内热环境的舒适性是通过室内实感温度体现出来的,本文由于考虑到外窗的影响,使得室内实感温度略低于室内空气温度。而对于无外窗的房间适当降低供热量仍可保证室内一定的舒适度。
 
3)室内空气温度并不是衡量室内热环境舒适性的唯一标准,室内热环境的舒适性还受很多因素的影响,其中,围护结构内表面温度是一个很重要的参数,而它又与地板层的结构(盘管间距、埋深)、热媒温度、室外环境温度,围护结构材料等多种因素有关。
 
4)如图6所示,在地板辐射供暖房间的竖直方向上,室内空气温度分布出现特殊的“负温度梯度”,使得房间顶部不会过热,减少了围护结构的无效热损失。
 
5)本文在表1中用耦合程序FXM-Ⅱ非常方便的计算了当盘管间距、埋深变化时室内各特性参数的变化,因此可有效地用于地板辐射供暖系统工程预测和设计。

 

参考文献
[1] PANEL HEATING AND COOLING. 2000 ASHRAE System and Equipment Handbook.6.1-6.4.
[2] 
章熙民,任泽霈,梅飞鸣. 传热学. 北京:中国建筑工业出版社,1993.101.
[3] 
陆耀庆.供暖通风设计手册. 北京:中国建筑工业出版社,1987.262-274.
[4] 
彦启森,赵庆珠,陈在康. 建筑热过程.北京:中国建筑工业出版社,1986.115-121.
[5] 
冯晓梅,肖勇全. 低温地板辐射供暖的动态仿真.建筑热能通风空调2001.20(6):15-18.

 

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