干式地暖與濕式地暖房間熱環(huán)境數(shù)值分析

張大英，鄧書輝，王亞軒

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

干式地暖與濕式地暖房間熱環(huán)境數(shù)值分析

張大英，鄧書輝，王亞軒

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

為了進一步完善干式地暖研究，了解干式地暖房間的熱環(huán)境特點及系統(tǒng)的節(jié)能情況，掌握其熱工特性，以大慶地區(qū)的地暖建筑為模擬對象，建立輻射供暖房間傳熱物理模型，利用Ansys軟件，采用數(shù)值計算與理論分析相結(jié)合的研究方法，將干式地暖與濕式地暖的房間熱環(huán)境進行比較。結(jié)果表明：在相同的進出水溫度及室外計算溫度條件下，干式地暖的室內(nèi)溫度、地板輻射溫度、地板散熱量均高于濕式地暖，且干式地暖比濕式地暖更節(jié)能。

干式地板輻射采暖；數(shù)值模擬；溫度分布；節(jié)能

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳蚱涫孢m、節(jié)能等特點在我國北方得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的地暖形式又稱為濕式地暖。近幾年，隨著技術(shù)的進步，我國從歐洲引入一種新型的節(jié)能地暖，該系統(tǒng)因相對于傳統(tǒng)地暖無混凝土回填，故取名干式地暖．又因其無填充層，相對于普通地暖減少了占用層高，故又名超薄地暖。對于干式地暖與濕式地暖的對比研究，目前國內(nèi)的成果僅限于各自結(jié)構(gòu)層內(nèi)盤管管徑、排管間距、材料層厚度對傳熱量的影響，而對于房間的熱環(huán)境及系統(tǒng)的節(jié)能率等狀態(tài)參數(shù)的比較，目前尚無研究成果出現(xiàn)[1-2]。在前人的研究基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計算方法，對干式地暖與濕式地暖的熱工特性參數(shù)進行對比分析，旨在為今后工程設(shè)計中參數(shù)的選擇及系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供一些借鑒。

1 干式地暖與濕式地暖

低溫?zé)崴匕遢椛洳膳且环N在房間地面下埋設(shè)供暖盤管，通過溫度不超過60℃（民用建筑供水溫度宜采用35～50℃，供回水溫差不宜大于10℃）的低溫?zé)崴疄檩d熱介質(zhì)來加熱地面，再以整個地面作為散熱面，通過輻射為主、對流為輔的換熱形式向室內(nèi)房間傳熱的供暖方式[3]。該系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)層的不同，又分為濕式地暖和干式地暖兩種。

濕式地暖結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)首先在結(jié)構(gòu)層上方鋪設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.05 W·m-1·K-1、厚度不小于20 mm的絕熱材料聚苯乙烯泡沫塑料作為保溫層來阻擋熱量的向下傳遞；之后在保溫層上方加裝反射膜無紡布基鋁箔作為超導(dǎo)層來強化傳熱，反射膜上方鋪設(shè)地?zé)峁芫€，一般為PE-RT、PE-X或PB管，采用石子粒徑不大于10 mm、水泥砂漿體積比不小于1∶3、混凝土強度等級不小于C15的豆石混凝土進行回填；最后在填充層上方進行找平，鋪設(shè)裝飾材料。濕式地暖系統(tǒng)整體占用空間高度約8 cm。

圖1 濕式地板輻射采暖結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of traditional floor heating

干式地暖又稱超薄地暖，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，與濕式地暖相比，干式地暖不設(shè)填充層，保溫層采用預(yù)制的環(huán)保擠塑保溫成型板XPS，加熱管線鑲?cè)腩A(yù)制模塊凹槽內(nèi)，加熱管上方直接鋪設(shè)地表裝飾材料，地暖模塊整體厚度為3.5 cm。該系統(tǒng)無混凝土回填，重量輕，降低了結(jié)構(gòu)層的荷載；且避免了由于熱應(yīng)力引起的地面開裂現(xiàn)象；由于保溫層厚度的增加，減小了熱量的向下傳遞，提高了系統(tǒng)的熱效率；同時該系統(tǒng)還具有安裝維修方便、占用空間小、升溫快、更節(jié)能等優(yōu)點；但由于其沒有混凝土蓄熱回填，故干式地暖的蓄熱能力不及濕式地暖。

圖2 干式地板輻射采暖結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of dry model radiant floor heating

2 傳熱模型

2.1 物理模型

以大慶地區(qū)的采暖住宅為分析對象，房間尺寸為5 000 mm×3 000 mm。其外墻采用復(fù)合節(jié)能外保溫結(jié)構(gòu)墻體，即20 mm水泥砂漿加370 mm普通磚加10 mm水泥砂漿加50 mm聚苯乙烯泡沫塑料板加20 mm水泥砂漿[4]。傳熱邊界為第三類邊界條件，傳熱系數(shù)23.26 W·m-2·K-1，內(nèi)表面發(fā)射率0.9。其材料物性見表1。

表1 圍護結(jié)構(gòu)材料物性計算參數(shù)表[5]Table 1 Calculation parameters of envelope material properties

2.2 求解控制參數(shù)的設(shè)定

選用流動方程，能量方程，輻射方程[6]。離散格式采用PRESTO!、QUICK及二階迎風(fēng)格式，欠松弛系數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)值，求解格式采用AMG格式，循環(huán)類型壓力為V型，動量、流動、能量、DO均為FLex型。

2.3 控制方程

流體流動遵循物理守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。這些基本定律對應(yīng)的控制方程如下[7]：

連續(xù)性方程

動量方程

能量方程

3 計算結(jié)果

數(shù)值計算過程中，兩種供暖方式采用相同的初始條件及邊界條件，即供暖進水溫度50℃、回水溫度40℃，大慶冬季室外計算溫度-26℃[8]；除地?zé)峁芫€外，無其他內(nèi)熱源，忽略門窗滲透風(fēng)及人員活動對流場的擾動，其計算結(jié)果如下。

3.1 室內(nèi)溫度及氣流矢量分布

通過數(shù)值計算，得出房間內(nèi)的溫度分布及速度矢量分布，其結(jié)果如圖3～圖8所示。

圖3 濕式地板輻射采暖房間溫度分布云圖/℃Fig.3 Temperature contour map of traditional floor heating

圖4 濕式地板輻射采暖房間溫度分布等值線圖/℃Fig.4 Temperature contour line of traditional floor heating

圖5 干式地板輻射采暖房間溫度分布云圖/℃Fig.5 Temperature contour map of dry model radiant floor heating

圖6 干式地板輻射采暖房間溫度分布等值線圖/℃Fig.6 Temperature contour line of dry model radiant floor heating

圖7 濕式地板輻射采暖房間速度分布矢量圖/m/sFig.7 Vectors map of traditional floor heating

圖8 干式地板輻射采暖房間速度分布矢量圖/m/sFig.8 Vectors map of dry model radiant floor heating

3.2 豎向空氣溫度分布

房間凈高3 m，其豎向空氣溫度分布如圖9所示。

圖9 濕式及干式地暖房間豎向溫度分布Fig.9 Comparison of vertical temperature distribution between traditional floor heating and dry model radiant floor heating

3.3 室內(nèi)平均溫度、地板平均輻射溫度及地板散熱量

房間內(nèi)的空氣平均溫度，地板表面平均輻射溫度及地板總散熱量如表2所示。

表2 室內(nèi)溫度、地板輻射溫度及散熱量匯總Table 2 Indoor temperature，radiant floor radiation temperature，radiant floor heat transfer rate

4 結(jié)果分析

通過對干式地暖及濕式地暖的數(shù)值計算，得出以下結(jié)論：

（1）從溫度云圖及等值線圖可以看出，無論濕式地暖還是干式地暖，室內(nèi)溫度分布都較均勻，靠近輻射源（地面）處空氣溫度較高，外墻、地板、頂棚附近處等溫線比較密集，空氣溫度梯度相對較大；房間中心位置溫度高，氣流在中間處上升，遇冷壁面下降，房間的氣流速度不高于0.02 m·s-1。在相同的供回水溫度下，干式地暖房間比濕式地暖房間溫度更高。

（2）傳統(tǒng)的采暖方式，房間的頂部溫度大約是30℃，而人體所處的位置尤其是腳部僅有15℃甚至更低，房間的溫度分布特點是上熱下冷。濕式地板輻射采暖的腳部溫度為25.3℃，頭部溫度為21.4℃，溫差大約4℃；干式地板輻射采暖的腳部溫度為30.2℃，頭部溫度為26.3℃，溫差大約6℃。地板輻射采暖的房間溫度分布是下熱上冷，即腳熱頭冷，符合人體的舒適性要求。

（3）地板輻射采暖房間的豎向溫度分布較均勻；臨近地面0.2 m以內(nèi)，溫度梯度較大，濕式地暖溫度波動范圍是21～25℃，干式地暖溫度波動范圍是26～30℃，原因是地板溫度相對較高，空氣的對流換熱系數(shù)較大，熱流密度較高；在穩(wěn)態(tài)傳熱時，人員活動區(qū)域溫度梯度較小，溫度變化范圍在0.05～0.1℃之間，溫度較高（兩種采暖方式溫度均在20℃以上），符合人體的舒適度及供暖要求（國標(biāo)規(guī)定冬季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為18～22℃）。

（4）在相同的供回水溫度下，干式地暖房間內(nèi)的空氣平均溫度比濕式地暖房間高出4.9℃，地板平均輻射溫度干式地暖比濕式地暖高出5.1℃，干式地暖地板散熱量比濕式地暖高出19.93 W?？梢?，干式地暖比濕式地暖更具有節(jié)能優(yōu)勢，且其節(jié)能率較傳統(tǒng)濕式地暖高出11.6%。

［1］ 黎天標(biāo)，秦紅.地板輻射采暖系統(tǒng)的研究進展［J］.建筑節(jié)能，2016，44（4）：15-18.

［2］ 夏燚，張小松，汪峰.干式地板輻射供暖系統(tǒng)特性的試驗研究［J］.流體機械，2015，43（8）：59-63.

［3］ 丁傳煒.基于Web-IOU的大型企業(yè)網(wǎng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.長春大學(xué)學(xué)報，2015（8）：32-37.

［4］ Zhang Daying，Zhuang Weidong，Gong Keqin.Simulaton study on the radiant tube installation height for the Gasinfrared heated system［J］.Advanced Materials Research，2013，614（1）：239-244.

［5］ GB50736-2012.民用建筑采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［6］ 楊忠國，郭勝杰，郭志龍.混合通風(fēng)與置換通風(fēng)數(shù)值模擬的對比研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2015，27（3）：84-87.

［7］ 朱紅鈞，林元華，謝龍漢.流體分析及仿真實用教程［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［8］ 陸耀慶.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Numerical Analysis of Dry and Wet Model Radiant Floor Heating Thermal Environment

Zhang Daying，Deng Shuhui，Wang Yaxuan
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to study the thermal environment characteristics and energy-saving situation of the dry model radiant floor heating，Physical model of floor heating building was established in Daqing.An analysis software was used to compare the thermal environment between wet radiant floor heating and dry model radiant floor heating.The results showed that the indoor temperature，floor radiation temperature and floor heat radiation of dry model radiant floor heating were higher than those of wet radiant floor heating under the same inlet and outlet water temperature and outdoor temperature，and dry model radiant floor heating was more energysaving than wet radiant floor heating.

dry model radiant floor heating；numerical simulation；temperature distribution；energy-saving

TU-023

A

1002-2090（2017）02-0093-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.02.018

2016-08-02

張大英（1980-），女，講師，東北石油大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)主要從事供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程的教學(xué)與研究工作。