多孔供暖豎板熱性能及室內(nèi)熱環(huán)境研究*

西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安建筑科技大學(xué) 王登甲 劉 園 劉艷峰

0 引言

地面或墻面輻射供暖由于其穩(wěn)定性好、營造的熱環(huán)境舒適度高而被廣泛研究和應(yīng)用。針對低溫輻射供暖系統(tǒng)，國內(nèi)學(xué)者通過對干式地板供暖構(gòu)造傳熱性能的分析、模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測試，論證了這種干式地板構(gòu)造的優(yōu)勢和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性[1-2]；文獻(xiàn)[3-4]研究了干式系統(tǒng)的熱工特性及其熱舒適性；Weitzmann等人提出了一種嵌入式地板的二維仿真模型，可以動態(tài)模擬輻射加熱地板系統(tǒng)的蓄放熱和溫度分布[5]。筆者在干式地板供暖系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了強(qiáng)化對流型架空地板系統(tǒng)[6-7]，該系統(tǒng)具有熱響應(yīng)快、調(diào)節(jié)靈活等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行不同工況下實(shí)驗(yàn)研究得出了該系統(tǒng)的蓄放熱特性及其室內(nèi)空氣溫度分布情況。

針對墻體輻射末端系統(tǒng)，文獻(xiàn)[8]采用數(shù)值模擬分析了墻體供暖鋪設(shè)面積對熱舒適性的影響。文獻(xiàn)[9]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了墻面式輻射供暖時壁面平均溫度對于室內(nèi)熱環(huán)境的影響，研究表明墻面式輻射供暖可以同時滿足人體熱舒適和節(jié)能的要求。此外，文獻(xiàn)[10]將墻面式供暖與相變材料結(jié)合，通過模擬研究了相變墻體的蓄放熱特性。Gingras等人對加拿大魁北克市某住宅樓的天花板和墻體輻射板系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化研究，結(jié)果表明，在輻射供暖系統(tǒng)中，供水溫度是提高舒適性和降低能耗的最重要參數(shù)[11]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，為了提升輻射供暖對間歇運(yùn)行系統(tǒng)的適宜性、克服地面多孔架空系統(tǒng)衛(wèi)生差的問題，本文提出了一種新型多孔供暖豎板結(jié)構(gòu)，搭建了全尺寸性能分析實(shí)驗(yàn)室平臺系統(tǒng)，測試了不同供水溫度、孔口直徑、布孔密度等關(guān)鍵因素影響下的輻射、對流供暖特性及室內(nèi)熱環(huán)境分布規(guī)律。

1 多孔供暖豎板物理結(jié)構(gòu)

多孔供暖豎板結(jié)構(gòu)如圖1所示，依次為建筑墻體、保溫層、鋁箔反射層、加熱盤管、空氣夾層、供暖豎板(面板上開有小孔)。系統(tǒng)運(yùn)行原理：室內(nèi)冷空氣通過面板下側(cè)孔流入夾層中，在夾層中受豎向熱壓作用，冷空氣上升與加熱盤管對流換熱而被提高溫度，進(jìn)而從上部小孔流出豎板，依次循環(huán)達(dá)到對室內(nèi)加熱供暖的目的。

注：Qr1為從面板的外表面到其他內(nèi)墻表面的輻射傳熱量；Qc1為面板外表面與室內(nèi)空氣的對流換熱量；Qc2為夾層空氣進(jìn)入室內(nèi)的對流換熱量。圖1 多孔供暖豎板結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)概況

2.1 實(shí)驗(yàn)室布置

實(shí)驗(yàn)在西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——人工氣候室中開展，人工氣候室內(nèi)部尺寸為3.6 m×3.3 m×2.8 m(長×寬×高)，房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙面4.2 mm厚彩鋼板+100 mm厚聚氨酯板填充，傳熱系數(shù)為0.25 W/(m2·℃)。輻射豎板供暖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由熱源、輻射豎板供暖末端及輸配管道組成。主要設(shè)備：功率6 kW的電熱水鍋爐作為熱源，通過熱水鍋爐調(diào)控供水溫度；厚度10 mm、傳熱系數(shù)為0.1 W/(m2·℃)的木板作為輻射豎板及側(cè)板，圍成的空氣層通道厚度為20 cm；采用功率100 W、揚(yáng)程9 m的管道屏蔽增壓泵為管道熱水循環(huán)提供動力。熱水盤管為公稱外徑20 mm的PE-RT管，布置方式為回折型，熱水盤管間距為200 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

在人工氣候室中，對不同盤管水溫、孔徑、布孔密度的輻射豎板的供暖散熱特性進(jìn)行實(shí)測研究，測量不同工況下夾層溫度、板壁溫度、室內(nèi)空氣溫度、空氣流速等。實(shí)驗(yàn)工況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

采用四通道CENTER309熱電偶測量人工氣候室地板表面、面板表面、墻面和屋頂溫度，測量范圍為-200～200 ℃，精度為±(0.2%讀數(shù)+1 ℃)。人工氣候室室內(nèi)空氣溫度采用DS1922L紐扣式溫度記錄儀測量，測量范圍-40～85 ℃，測量精度均為±0.1 ℃。使用R70B溫度熱通量密度數(shù)據(jù)記錄器測量面板表面和人工氣候室墻壁表面的熱通量密度。豎板孔口處風(fēng)速的測量采用萬向微風(fēng)速探頭SWEMA3000，測量精度為±1%讀數(shù)±0.03 m/s，風(fēng)速測量范圍為0～5.00 m/s，豎板孔口處溫度由WFWZY-1萬向風(fēng)速風(fēng)溫記錄儀測試，溫度測量范圍為-20～80 ℃，各個儀器均設(shè)置5 min自動記錄1次。各測點(diǎn)布置方案如下：

1) 輻射豎板表面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面溫度測點(diǎn)布置。輻射豎板表面布置16個測點(diǎn)，側(cè)板布置12個測點(diǎn)，測點(diǎn)采用均勻分布原則，具體位置見圖2a。

2) 輻射豎板表面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面熱流密度測點(diǎn)布置。輻射豎板表面布置6個熱流密度測點(diǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)墻表面各布置1個測點(diǎn)，測點(diǎn)位置均為正中間，高度約為1.6 m。

3) 輻射豎板孔口處空氣流速測點(diǎn)布置。在輻射豎板沿高度方向布置3個測點(diǎn)，分別位于豎板下部、中部和上部。

4) 氣候室室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)布置。在人工氣候室內(nèi)均勻布置9個測桿，每個測桿上分布5個測點(diǎn)，測點(diǎn)距離地面的高度H分別為0.3、0.8、1.3、1.8、2.3 m，測點(diǎn)的布置位置見圖2b。

5) 輻射豎板孔口布置及其空氣溫度測點(diǎn)布置見圖2c。在輻射豎板孔口處布置3個測點(diǎn)，測點(diǎn)高度分別為0.2、1.1、1.9 m，分別對應(yīng)豎板的上、中、下排孔。

圖2 多孔供暖豎板及室內(nèi)空氣溫度測點(diǎn)

2.4 熱性能指標(biāo)

該多孔供暖豎板熱性能可包括：評價溫差的指標(biāo)和評價溫度上升速度的指標(biāo)，如溫差指數(shù)是基于系統(tǒng)的最大溫差Δtmax和溫升差Δt，溫度上升速度的指標(biāo)為熱時間常數(shù)。

Δtmax=ttop-tbot

(1)

式中 Δtmax為空氣通道中頂部和底部空氣的最大溫差，℃；ttop、tbot分別為空氣通道中頂部和底部空氣溫度，℃。

Δt=tini-tfin

(2)

式中 Δt為輻射板初始和最終狀態(tài)下的溫升差；tini、tfin分別為輻射板的初始表面平均溫度和最終表面平均溫度，℃。

(3)

(4)

式(3)，(4)中α為過余溫度；t為輻射板當(dāng)前時刻的表面平均溫度，℃；τ為時刻；τc為熱時間常數(shù)，其含義為當(dāng)α=80%時所需要的時間，表征豎板對供暖水溫變動響應(yīng)快慢。

除了最大溫差、溫升差和熱時間常數(shù)外，熱壓作用引起的風(fēng)速也是輻射豎板對流加熱性能的重要評價指標(biāo)之一，尤其是頂部或底部對流孔的最大風(fēng)速。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了供水溫度(tw)、孔口直徑(D)、布孔密度(H*)等關(guān)鍵參數(shù)對多孔供暖豎板熱性能的影響，得到了不同工況下空氣夾層、面板和室內(nèi)空氣的熱特性。

3.1 空氣夾層的熱特性

與傳統(tǒng)的輻射墻體系統(tǒng)相比，多孔供暖豎板系統(tǒng)具有空氣通道，在空氣通道中管道、夾層空氣和面板內(nèi)表面之間同時發(fā)生輻射換熱和對流換熱，本節(jié)主要分析空氣夾層的傳熱特性。不同供水溫度和高度下夾層空氣溫度ta如圖3所示。

圖3 不同供水溫度與高度下夾層空氣溫度(D=10 mm，H*=9排)

由圖3可知，不同工況下夾層空氣最大溫差分別為10.2、8.2、4.7 ℃。供水溫度越高、高度越大，夾層空氣溫度越高，高度與空氣溫度近似呈線性關(guān)系。這主要是由于室內(nèi)空氣進(jìn)入空氣通道后，與熱水盤管進(jìn)行輻射換熱，空氣受熱后由于熱浮力的作用，逐漸向上移動到上層，形成豎直的溫度梯度，上層較暖，下層較冷。在這種情況下，供水溫度越高，溫差越大。

圖4為tw=45 ℃、D=10 mm、H*=9排時夾層空氣瞬態(tài)溫度變化情況。整個過程分為2個階段：快速增長階段和穩(wěn)定階段。在第1階段，空氣夾層溫度在2 h內(nèi)迅速升高，然后在第2階段逐漸趨于穩(wěn)定，供水溫度受電鍋爐控制，溫度保持在設(shè)定溫度±0.5 ℃，夾層空氣溫度出現(xiàn)波動主要受供水水溫的波動控制。從圖4可以看出，夾層空氣和面板內(nèi)表面溫度響應(yīng)迅速，而面板內(nèi)外表面反應(yīng)時間及溫度有差異，這主要是由于夾層通道中傳熱介質(zhì)是空氣，熱阻較小、蓄熱性能差，而豎板具有一定的厚度，存在蓄熱和導(dǎo)熱熱阻。

圖4 夾層空氣瞬態(tài)溫度(tw=45 ℃、D=10 mm、H*=9排)

3.2 豎板的熱特性

供暖豎板熱特性是影響其加熱性能的主要因素之一。實(shí)體供暖豎板表面和孔口氣流兩類溫度分別對室內(nèi)起到輻射加熱和對流加熱作用，鑒于圖3、4已體現(xiàn)夾層空氣溫度和實(shí)體豎板表面溫度情況，圖5給出了豎板表面和孔口氣流平均溫度，總體反映豎板表面溫度情況。

圖5 不同工況下豎板表面平均溫度

圖5a顯示了不同供水溫度下輻射豎板表面溫度的實(shí)測結(jié)果。如圖5a所示，水溫越高，面板的熱響應(yīng)越快。當(dāng)盤管水溫為45、55、65 ℃時，輻射豎板的熱時間常數(shù)分別為2.0、2.5、3.0 h，隨著水溫的升高，熱時間常數(shù)逐漸增加，變化量為0.5 h。隨著供水溫度的升高，輻射豎板的表面溫度也隨之升高。不同水溫下，整個加熱過程的輻射豎板溫升差為9.4～17.3 ℃。在穩(wěn)定狀態(tài)，不同供水溫度下，供暖豎板溫升差相差約5 ℃，說明面板熱性能在很大程度上取決于供水溫度。

圖5b顯示了不同孔徑下輻射豎板表面溫度的實(shí)測結(jié)果。由圖5b可知，孔徑為0、10、20 mm時，整個傳熱過程面板表面溫升差分別為12.5、14.7、16.5 ℃，隨著孔徑的增大，通過孔口流入室內(nèi)的熱量逐漸增大，從而引起豎板表面溫度及室內(nèi)溫度升高。在穩(wěn)定狀態(tài)，不同孔徑下，供暖豎板溫升差相差約2 ℃。因此，孔徑對面板的熱性能有影響。

不同布孔密度下輻射豎板表面溫度的實(shí)測結(jié)果如圖5c所示?？讛?shù)越多，氣流速度和流型分布越均勻，強(qiáng)化對流的效果越明顯。隨著布孔密度的逐漸增大，輻射豎板表面溫度上升速率逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度也越高。但是8排孔與9排孔工況下，輻射豎板表面溫度相差不大，主要是這2種工況下增加的那一排孔位于輻射豎板中和界處，在該位置上沒有空氣流動，因而不存在熱量流出，因此雖然增加了一排孔，但是溫度相差無幾。與前2個因素相比，布孔密度對面板熱性能的影響較小。綜上所述，不同供水溫度下輻射豎板表面溫度影響最大，孔口直徑次之，布孔密度最小。

3.3 室內(nèi)空氣溫度分布

多孔供暖豎板對室內(nèi)空氣溫度分布的影響如圖6所示，為不同高度(H=0.3、0.8、1.3、1.8、2.3 m)和與面板不同距離(d=0.3、1.6、2.9 m)下的室內(nèi)空氣溫度。

圖6 室內(nèi)空氣溫度分布(tw=45 ℃，D=10 mm，H*=9排)

從圖6可知，在豎直方向上，溫度變化遵循冪函數(shù)，溫度梯度約為0.65 ℃/m。水平溫度分布(即相同高度)，隨著與面板的距離增大，室內(nèi)溫度下降的速度約為0.15 ℃/m。2個方向的總體溫差均在2.0 ℃以內(nèi)，說明該系統(tǒng)室內(nèi)熱環(huán)境較為均勻，主要是由于輻射豎板上空氣流動孔的影響，室內(nèi)空氣對流換熱量增大，空氣形成了循環(huán)流動，進(jìn)一步減小了室內(nèi)水平方向上的溫差。

3.4 孔口的氣流分析

與傳統(tǒng)豎板不同，多孔供暖豎板形成的空氣層內(nèi)熱壓作用下流動特征比較顯著，圖7顯示了豎板不同高度處孔口的空氣流速。

圖7 輻射豎板不同高度處的孔口空氣流速

圖7中散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測得的孔口實(shí)際風(fēng)速，將孔口流速進(jìn)行數(shù)值擬合后形成冪函數(shù)曲線，可以看出，孔口風(fēng)速在系統(tǒng)運(yùn)行1 h內(nèi)迅速上升，之后處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。由于熱空氣和冷空氣的密度不同，室內(nèi)冷空氣通過豎板下側(cè)孔進(jìn)入夾層，并通過自然對流和輻射換熱被盤管加熱，在浮升力作用下，熱空氣向上流動，從豎板的上側(cè)孔流出，室內(nèi)空氣和夾層中的空氣形成“下進(jìn)上出”的自然循環(huán)，整個空氣循環(huán)過程中不需要外加動力裝置。穩(wěn)定狀態(tài)通過上孔、中孔和下孔的流速分別約為0.12、0.11、0 m/s，孔口處空氣流速最大約為0.12 m/s，隨著空氣的擴(kuò)散，流速逐漸降低，到達(dá)人體居住區(qū)域時風(fēng)速降為0，符合人體在房間內(nèi)沒有吹風(fēng)感的最小風(fēng)速要求，滿足工作區(qū)人員舒適性要求。

4 討論和分析

對流熱流密度和輻射熱流密度占總熱流密度的比例是多孔供暖豎板的另一重要參數(shù)。總熱流密度中對流部分的比例定義為η。

(5)

式中Qc1、Qr1分別為通過面板的對流熱流密度和輻射熱流密度，W/m2；Qd為通過面板的導(dǎo)熱熱流密度，在實(shí)驗(yàn)中直接測量得到，W/m2；Qc2為通過孔口的對流熱流密度，W/m2。

Qc2=mcp(ta-tn)

(6)

式中cp為空氣的比定壓熱容，J/(kg·K)；tn為室內(nèi)空氣溫度，℃；m為通過孔口的質(zhì)量流量，kg/s。

m=Avρa(bǔ)

(7)

式中v為孔口風(fēng)速，m/s；ρa(bǔ)為夾層空氣密度，kg/m3；A為孔的截面積，m2。

根據(jù)上述方程和測量參數(shù)(通道空氣溫度、室內(nèi)空氣溫度、風(fēng)速等)，詳細(xì)計(jì)算了不同工況下孔板熱流密度及熱流比。不同工況下的面板和孔口熱流密度如圖8所示。

從圖8可以看出，供水溫度對熱流密度有顯著影響。隨著供水溫度的升高，空氣層內(nèi)的空氣吸收更多的熱量，導(dǎo)致板內(nèi)表面溫度升高，對流換熱和孔口熱流密度增加?？讖綄卓跓崃髅芏扔绊戄^大，孔徑20 mm熱流密度約為孔徑10 mm的3.8倍。

圖8 不同工況下面板和孔口的熱流密度

不同工況下孔板熱流比如圖9所示。隨著孔徑和布孔密度的增大，孔口熱流密度和面板熱流密度逐漸增大。當(dāng)供水水溫為55 ℃，有9排孔時，孔徑由10 mm變?yōu)?0 mm時，熱流比由12.45%提高到32.76%。隨著孔徑的增大，對流換熱比例逐漸增大。

綜上所述，供水溫度對于熱流比影響最小，孔徑和布孔密度影響明顯，隨著熱流比例的增大，輻射板的對流換熱性能增強(qiáng)，形成的室內(nèi)環(huán)境較好。

圖9 不同工況下孔板熱流比

5 結(jié)論

1) 不同供水溫度對豎板表面溫度影響最大，孔徑次之，布孔密度最小。

2) 對于增強(qiáng)型對流輻射壁面供暖系統(tǒng)，在熱壓作用下，夾層空氣與室內(nèi)空氣形成的自然循環(huán)風(fēng)速可達(dá)0.12 m/s。

3) 室內(nèi)空氣在豎直方向上的溫度梯度約為0.65 ℃/m，水平方向上的溫度梯度為0.15 ℃/m，總體來說，室內(nèi)空氣分布均勻。