地板辐射供暖系统的热性能分析
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摘要：低温地板辐射供暖设备―地盘管散热器，是目前民用建筑采暖系统中的一项新技术。该文根据室内地面热传导的实际情况，对地板辐射供暖系统建立数值计算的数学模型，运用fluent软件进行模拟的分析方法得出随着供、回水温度变化及护结构传热系数的改变，对室内温度及人体舒适度的影响。分析结果可为地板辐射供暖系统的设计、施工及运行提供参考依据。
中图分类号：TU767+.4 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
低温热水地板辐射供暖系统(以下简称地板辐射供暖)是一种利用建筑物内部地面进行供暖的系统。地板通过对流换热加热周围空气，同时还与四周的围护结构进行辐射换热，从而使围护结构表面温度升高，其辐射换热量约占总换热量的50%。地板辐射供暖系统既能高效地利用各种低品位能源，节能效果好，又具有室温均匀，温度梯度小，脚感温度高，热舒适性好，卫生条件好，安全可靠，蓄热性能好及不占用室内使用面积等优点，是一种降低建筑能耗、提高热舒适性的理想供暖系统。
1 地板辐射供暖的简介
1.1 地板辐射供暖的发展
低温热水地板辐射供暖技术于上世纪三十年代运用于发达国家，由于它具有经济、节能、舒适等一系列优越性，很快被人们接受并广泛使用，从而得到了迅速地推广。在北美、北欧已十分普及，到1994年，法国约有20％、德国40％、奥地利25％、瑞士48％、加拿大65％的住宅建筑采用了地板辐射供暖系统。六十年代初，我国开始对地板辐射供暖系统进行研究，八十年代得到了大面积的推广。目前，许多省市已经制定了这一技术的工程标准。介于地板辐射供暖系统成本低、安全、舒适、易施工等优点，近几年新建的住宅小区大多数都采用地板辐射供暖系统来进行供暖，占到了我国地暖市场的90%以上。
1.2 地板辐射供暖结构型式
地板辐射供暖结构型式种类很多。现以目前通常采用的混凝土内埋管式为研究对象，主要结构为基本结构层、复合保温层、管上豆石混凝土层、找平层、地面层。混凝土内埋管式地板辐射供暖的结构及各层尺寸，如图1所示。
图1地板辐射供暖结构图
在建筑地面基层做好以后，首先敷设高效保温和隔热材料，然后将塑料埋管按一定的间距固定在保温材料上，最后回填豆石混凝土。在找平层施工完毕后再做地面层。由于管径的变化随管子埋深的增大对地板表面温度的影响愈来愈小，当埋管较深时，这种影响可忽略不计。在实际工程中，塑料埋管的管径一般都为De20x2.0这种规格。
1.3 地板辐射供暖中加热管的布置方式
地板辐射供暖以温度不高于60℃的热水为热媒，供暖埋管的材质一般为钢、铜、聚乙烯(PE-RT)和聚丙烯。由于近几年来塑料工业发展迅速，塑料加工制作和使用寿命等问题得到了较好的解决。所以目前国内外大都采用塑料管作为地板辐射供暖中的加热管。
图2塑料埋管的铺设型式
地板辐射供暖系统中，塑料埋管的铺设型式大致分为回折型、平行型和双平行型三种。具体铺设型式如图2所示。三种铺设型式各有不同特点，而其中，由于回折型铺设型式，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”效果，并且它的铺设弯度大部分为90度，铺设简单，没有埋管相交的问题[1]。因此，在工程上，铺设塑料埋管广泛采用回折型铺设型式。该文将主要针对回折型塑料埋管铺设型式进行研究。
2 室内温度场的数值模拟与分析
2.1 建立数值计算的模型
用传热学的基本原理对地板辐射供暖系统地板层内的传热进行简化假设，建立数学模型。通过模拟的结果，对地板层内、地板表面及室内空间温度场的分布及其影响因素进行分析。
通常的模型都建立在一定假设基础上，地板辐射采暖系统由于各种复杂因素的影响，难以求解。为了使问题简化，将物理模型抽象成数学模型，使其易于求解分析，又不失指导意义。故作以下几条合理假设：
(1) 对于以热水为热源的低温地板辐射采暖系统，水在塑料管中流动，不断将热量传到室内空间。热量在空间三个方向传导，该传热过程是一个三维传热过程。但由于回折型铺设方式特有的均化作用，除了最边缘的管子外，其它各管间的分布基本相同，又以管中心剖面对称，故可忽略管间的传热，认为该传热问题是二维传热过程。
(2) 假设从加热开始到稳态期间，加热热源温度恒定，热水流量为定值，房间内无内热源。塑料管的弯管部分，实际的传热过程较为复杂，但所占的比例较小，所以将其简化为直管段。
(3) 假设保温材料导热系数很小，在盘管底层周围铺设一定厚度的保温材料，向外的散热量可忽略不计，视为绝热。
(4) 假设热管与埋管层材料接触良好，各覆盖层之间接触良好，忽略接触热阻。
(5) 假设各层材料均质恒物性。
(6) 假设管内热水流动为稳定流动。
地板辐射换热过程可分为三个阶段。第一阶段，盘管内热水与管壁的换热；第二阶段，管壁通过填充层、找平层、地板层的换热；第三阶段，地板表面与房间的换热。[1]
2.2 实际模拟的对象及物性参数
在实际中，对于典型房间（如图3），房间尺寸(长×宽×高)为5m×4m×3m，东、西、南、北面各有一面外墙，外墙墙体为370厚的页岩多孔砖，传热系数K=1.3W/( m2・K)。其中南面外墙上有面积为2.1m2的塑钢窗，玻璃为中空玻璃，空气层厚度为12mm，传热系数K=3.5W/( m2・K)。北外墙有一塑钢门，传热系数K=3.9W/( m2・K)。室内设计温度为18℃。室外温度为-5℃。管间距为300mm。具体物性参数见表1。
表1物性参数表
2.3 室内空间温度场数值模拟与结果分析
在其它条件都相同，仅改变供水温度和回水温度时，地板以下及室内空间温度场的分布情况如下。
图4为供水温度328K(即55℃)、回水温度318K(即45℃)的室内温度场模拟图。
图5为供水温度313K(即40℃)、回水温度303K(即30℃)的室内温度场模拟图。
图4室内温度场分布图图5室内温度场分布图
以上两图对比结果表明在其他条件都相同时，随着供、回水温度的降低，室内温度也有所下降。
在其它条件都相同，仅改变护结构的传热系数时，地板以下及室内空间温度场的分布情况如下。
图6为外墙传热系数为1.3[W/(・K)]的室内温度场模拟图。
图7为外墙传热系数为2.6[W/(・K)]的室内温度场模拟图。
图6室内温度场分布图 图7室内温度场分布图
以上两图对比结果表明在其他条件都相同时，当护结构传热系数变大时，室内温度降低。
3 结论
(1)地板辐射供暖系统中随着供、回水温度变化，地板散热量、室内及地板表面的温度分布也相应变化。水温是影响地板辐射供暖系统的主要因素之一。地板辐射采暖系统若想保证舒适，就必须有效控制供回水平均温度。
(2)外墙围护结构传热系数不同，室内温度变化也不同。所以为了减少建筑能耗及保持室内温度的舒适性，应在外墙上添加保温板。
(3)将地板辐射供暖系统进一步加以利用，冬季时盘管内通低温热水加热地板，向室内供热；夏季时又可在盘管内通入冷水，向室内供冷。降低建筑能耗，提高室内舒适性。
参考文献
[1] 周兴红．低温地板辐射采暖数值模拟及其性能分析[D]．南京理工大学硕士学位论文， 2004．
[2] 叶张波，李琦芬，韩晨光等．低温地板辐射采暖系统传热分析与数值模拟[J]．华北电力大学学报（自然科学板），2008，35(104)．
[3] 杨巍，张于峰，王荣光．低温地板辐射供暖的传热模拟[J]．暖通空调，2001，31(1)73-75．
[4] 贾力，方肇洪．高等传热学[M]．北京：高等教育出版社，2008．
[5] 韩占忠，王敬，兰小平．FLUENT―流体工程仿真计算实例与应用[M]．北京理工大学出版社，2008．