溫和地區(qū)太陽能地板輻射供暖房間數(shù)值模擬*

李云濤 羅會龍

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

太陽能因其資源豐富、清潔環(huán)保，已被世界各國廣泛利用[1]。云南省具有豐富的太陽能資源，據(jù)相關(guān)資料顯示，云南省可利用的太陽能資源占總儲量的75%以上，因此，如何最大限度地利用太陽能已成為當(dāng)?shù)卦S多學(xué)者的研究熱點[2]。云南大部分地區(qū)屬于溫和地區(qū)，而麗江市屬于溫和地區(qū)中區(qū)，因為地處低緯高原，太陽輻射較強(qiáng)，年日照時長有2 500 h，光照充足，為云南省的最高值區(qū)，所以其太陽能資源最為豐富。雖然麗江處于溫和地區(qū)，但是冬季晝夜溫差較大，在不供暖的情況下，室內(nèi)溫度低，人們普遍感受到冷感，并且隨著人們生活水平的提高，人們對室內(nèi)熱舒適的要求也越來越高，因此地板輻射供暖因其熱舒適性好、節(jié)能環(huán)保、熱媒進(jìn)水溫度不高受到了人們的廣泛青睞。結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，太陽能地板輻射供暖將成為該地區(qū)供暖的主要方式。

低溫地板輻射供暖是以溫度不高于60 ℃的熱水為熱媒，加熱整個地板，然后地板通過輻射和自然對流的方式向室內(nèi)供熱[3]。它因熱媒進(jìn)水溫度低、使用方便，受到了國內(nèi)許多學(xué)者的關(guān)注。趙忠超等[4]利用實驗和數(shù)值模擬的方法，對進(jìn)水溫度分別為45、50、55 ℃的3種不同工況進(jìn)行了地板輻射供暖的熱舒適研究，結(jié)果表明，進(jìn)水溫度為50 ℃時，室內(nèi)溫度最適宜且熱舒適性最佳；王登甲等[5]采用數(shù)值模擬方法研究了強(qiáng)化對流式架空地板輻射供暖的影響因素，并且用實驗驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)地板開孔數(shù)量、位置、形狀會影響地板表面溫度及熱流分布；崔明輝等[6]通過數(shù)值模擬方法研究了房間位置及戶間傳熱對低溫地板輻射供暖的影響，結(jié)果表明房間位置不同，其室內(nèi)采暖效果也不同，戶間傳熱對房間供暖有很大的影響；于瑾等[7]利用CFD軟件對模塊帶腔地板輻射供暖進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且分析了不同供回水溫度和不同盤管間距對地板溫度的影響。

同時，地板輻射供暖也引起了國外學(xué)者的廣泛關(guān)注。CHO J等[8]使用實驗和數(shù)值模擬的方法對采用聚丁烯管和低溫毛細(xì)管的地板熱工性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在相同的供水溫度下，低溫毛細(xì)管保持地板表面溫度的穩(wěn)定性比聚丁烯管好，溫度分布更均勻，熱舒適性更高；ZHENG W K等[9]使用Fluent軟件對輻射-對流供暖末端的結(jié)構(gòu)參數(shù)對供暖性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并且通過實驗數(shù)據(jù)驗證了模擬結(jié)果，研究結(jié)果表明隨著翅片高度和管間距的增大，供暖末端加熱性能先增大后減小，壓降隨翅片間距的增大而增大，隨管距的增大而減小。

為了了解地板輻射供暖室內(nèi)熱環(huán)境情況，為實驗設(shè)計提供依據(jù)，本文以麗江市某公共建筑供暖房間為對象，采用Fluent軟件對地板輻射供暖房間溫度、速度云圖進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對模擬結(jié)果進(jìn)行了分析討論。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

根據(jù)《云南省民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DBJ 53/T-39—2011)[10]，麗江地區(qū)屬于溫和地區(qū)中區(qū)。本文以麗江市某公共建筑為研究對象，用Fluent前處理器SCDM構(gòu)建1個尺寸為6 m×5 m×3 m的坐北朝南的供暖房間，北墻為外墻，傳熱系數(shù)為1.5W/(m2·k)，其余墻體都為內(nèi)墻，傳熱系數(shù)為2.62 W/(m2·k)。其中外墻有一扇1.5 m×1.2 m的外窗，南墻有一扇2 m×0.7 m的木門，傳熱系數(shù)均為4 W/(m2·k)。地暖盤管采用回字形布置方式，管直徑20 mm，管間距200 mm，管材選用PEX管材，其密度為0.94 g/m3，傳熱系數(shù)為0.41 W/(m2·k)。為了簡化模擬，墻壁、門、窗戶均用1個平面表示，房間為空載狀態(tài)，只有1個熱源，如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

把幾何模型導(dǎo)入Fluent自帶的Meshing模塊中，先定義各邊界條件，由于房間模型比較規(guī)則，本文模擬劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)。網(wǎng)格的劃分關(guān)系到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，是非常重要的一步，網(wǎng)格太密容易造成計算時間太長、計算機(jī)卡頓，網(wǎng)格過分稀疏容易使模擬結(jié)果不準(zhǔn)確或者數(shù)據(jù)未完全出現(xiàn)。本文基于計算機(jī)配置及多次運算結(jié)果比較，綜合選擇劃分155 520個網(wǎng)格，正交網(wǎng)格質(zhì)量平均在0.98以上，網(wǎng)格質(zhì)量很好，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件

根據(jù)《全國民用建筑供暖通風(fēng)與空調(diào)室外氣象參數(shù)》(GB 50736—2012)[11]，麗江市冬季室內(nèi)采暖設(shè)計溫度為18 ℃，冬季采暖室外溫度設(shè)置為3 ℃，房間各墻壁邊界條件設(shè)置第三類邊界條件，具體參數(shù)見表1，地板設(shè)置第二類邊界條件。

表1 邊界條件

1.4 求解設(shè)置

本文模擬對象是在1個封閉房間內(nèi)，因此輻射模型選用S2S輻射模型[12]，為了簡化分析，需要做一些基本假設(shè)：①室內(nèi)空氣看作不可壓縮氣體；②由于房間氣體流速很小，因此氣體流動當(dāng)做穩(wěn)態(tài)層流；③房間封閉忽略冷風(fēng)滲透影響及忽略室外太陽輻射影響；④考慮重力加速度影響；⑤房間散熱為對流換熱和輻射換熱；⑥室內(nèi)各表面看作漫射灰表面，空氣不參與輻射換熱；⑦房間熱源只有1個熱源，忽略人員、家具等影響。

計算模型選擇壓力與速度耦合方程，計算方法采用Couple算法，壓力選擇Body Force Weighted，動量選擇二階迎風(fēng)格式。

2 結(jié)果與分析

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，地板表面溫度分布有明顯的分層現(xiàn)象，由于外墻溫度受室外溫度的影響，因此靠近外墻處溫度最低，大概為21 ℃，然后沿著室內(nèi)水平向溫度增加，但是增加幅度不大，最后達(dá)到最大值約24.6 ℃，靠近內(nèi)墻位置溫度幾乎相同，地板表面平均溫度在22.7 ℃左右，這完全能滿足人體熱舒適要求。

圖3 地板表面溫度分布云圖

由于房間有1面外墻，3面內(nèi)墻，內(nèi)墻溫度分布相似，這里就以西墻為例代表內(nèi)墻溫度分布云圖(見圖4)。從圖4可以看出，內(nèi)墻溫度分布也有明顯的分層現(xiàn)象，靠近地板處溫度最高，為18.6 ℃，中間處溫度分布比較均勻，整體平均溫度在17.3 ℃左右。從整體上看，左側(cè)溫度高于右側(cè)，因為內(nèi)墻溫度高于外墻溫度，這也是人們普遍喜歡遠(yuǎn)離外墻活動的原因。從豎直方向上看，隨房間高度增加，溫度在下降，因為熱源從地面散發(fā)，空氣受熱向上流動發(fā)生熱交換減少熱量損失，從而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

圖4 內(nèi)墻溫度分布云圖

由于外墻有1扇外窗，這里就沒有顯示窗戶的分布云圖。根據(jù)外墻溫度分布云圖(見圖5)，可以看出外墻溫度明顯低于內(nèi)墻溫度，因為外墻受到室外溫度的影響，且溫度分布形式與內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全不同，溫度呈現(xiàn)左右對稱及上下分層分布，最大相差1.5 ℃。同樣的靠近地板處溫度最高，約為10.3 ℃，然后隨著外墻高度增加溫度逐漸下降，靠近屋頂處溫度又最低，約8.8 ℃，中間處溫度在9.8 ℃左右，靠近內(nèi)墻處溫度幾乎相同。

圖5 外墻溫度分布云圖

由于屋頂與外界環(huán)境相接觸，所以溫度也低，從屋頂溫度分布云圖(見圖6)可以明顯看出屋頂溫度分布與外墻溫度分布明顯不同，呈圓狀形分布，從中間向外擴(kuò)散且溫度下降，最里面溫度約為11.4 ℃，靠近外墻處溫度分布密集且溫度最低，約為9.1 ℃，在內(nèi)墻附近溫度幾乎相同，約為10.2 ℃。出現(xiàn)這種原因可能是靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣溫度相對較低，與周圍空氣產(chǎn)生密度差，從而造成自然對流運動，地板散發(fā)熱量加熱地板附近空氣，熱空氣密度減小向上流動，上部冷空氣向下流動，造成上下回流，從而出現(xiàn)環(huán)狀分布。

圖6 屋頂溫度分布云圖

圖7為房間中間截面溫度云圖，其中圖7(a)是垂直于地面、沿著門向室內(nèi)方向截取的，圖7(b)垂直房間各壁面，從這2個圖中可以看到沿房間高度方向溫度有明顯的分層現(xiàn)象，靠近地板處溫度普遍在22.2 ℃左右，然后隨著房間高度增加，溫度逐漸下降，下降程度比較均勻，約為0.3 ℃；但是在靠近屋頂處，由于受到室外溫度的影響，在屋頂處溫度變化較明顯，最大相差1.9 ℃。從整體上看，人體活動區(qū)域溫度在22 ℃左右，不會讓人感到下暖上涼。圖7(c)截取的是室內(nèi)水平高度Y=1.5 m處的位置。從該圖可以發(fā)現(xiàn)同一高度截面溫度幾乎沒有明顯差別，在不同區(qū)域處溫度都變化不大，人體幾乎感受不到差別，說明該方式供暖溫度分布均勻，不會造成局部溫差大。

(a)YX平面，Z=2.5 m溫度云圖

圖8所有截面都位于室內(nèi)中間位置，只是方向不同。首先觀察速度大小，從圖8可以看出，房間靠近墻壁處速度分層比較明顯，平均風(fēng)速在0.12 m/s左右，原因是受到壁面邊界條件的影響，流體貼附運動造成速度分層，室內(nèi)中間區(qū)域速度較小，普遍在0.06 m/s左右，原因是氣體的自然對流，地板散發(fā)熱量，地板附近空氣溫度升高，氣體向溫度低的方向流動，由于房間封閉，冷熱氣體發(fā)生循環(huán)流動，從而使得四周速度大，中間速度小。人員主要在室內(nèi)中間位置活動，室內(nèi)空氣流速不會對人體造成吹風(fēng)感。觀察速度方向，發(fā)現(xiàn)每個平面幾乎在中間位置就有冷熱氣體的來回流動，這種現(xiàn)象保證了室內(nèi)溫度的均勻分布，不會造成局部地區(qū)溫度過低。

(a)ZY平面，X=3 m速度矢量圖

3 結(jié)論

通過Fluent數(shù)值模擬溫和地區(qū)地板輻射供暖房間的溫度場、速度場，可以快速方便地得到室內(nèi)環(huán)境的分布情況，對實際地板輻射供暖房間的優(yōu)化有很大的幫助。本文在進(jìn)水溫度為35 ℃、回水溫度為30 ℃的工況下，對供暖房間的溫度及速度云圖進(jìn)行了數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論：

(1)地板區(qū)域最高溫度達(dá)到了24.6 ℃，最低溫度在21 ℃左右，平均溫度在22.7 ℃左右，隨房間高度增加，溫度在逐漸下降，在靠近屋頂處，溫度變化差距較大，在人體經(jīng)?；顒拥膮^(qū)域，溫度普通在22 ℃左右，不會造成人體不舒適感；在同一高度截面，各區(qū)域溫度相差不大，溫度分布均勻。

(2)室內(nèi)空氣流速最大在0.2 m/s左右，但這只是在地板附近，在人體活動區(qū)域氣流速度普遍在0.06 m/s左右，且速度分布滿足自然對流運動，不會使人體感到吹風(fēng)感。

(3)為了更好地在溫和地區(qū)應(yīng)用太陽能地板輻射供暖，今后可以從既能降低進(jìn)水溫度，又能滿足室內(nèi)熱舒適要求，且能提高太陽能集熱器的集熱效率的方向研究，以獲得更加充分的地板輻射供暖室內(nèi)熱環(huán)境分布，為工程設(shè)計提供更好的指導(dǎo)方向。