太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板蓄放熱特性的數(shù)值分析

摘 要：本文提出一種擁有特殊內(nèi)部管路（主管+支管）的太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬研究方法，分析在主管支管共同作用下，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)蓄熱地板的蓄放熱特性的影響，為新型太陽(yáng)能熱風(fēng)-地板輻射供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供參考依據(jù)。研究結(jié)果表明，當(dāng)主管支管管徑比為2、風(fēng)道面積比為1時(shí)，隨著熱風(fēng)流量變大（65m3/h、160m3/h、255m3/h），熱風(fēng)向蓄熱地板的傳熱作用和蓄熱地板的蓄放熱能力也越強(qiáng)，也能構(gòu)建更加均勻的室內(nèi)溫度場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱風(fēng)；蓄熱地板；主管支管；蓄放熱特性；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TK 519" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

若能將太陽(yáng)能熱風(fēng)系統(tǒng)收集的熱量直接送入室內(nèi)，利用室內(nèi)蓄熱地板進(jìn)行蓄放熱，以滿足房間熱需求，則可大幅降低供暖能耗。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能熱風(fēng)系統(tǒng)蓄熱地板的蓄放熱特性進(jìn)行了一系列研究，例如KITAGAWA H等[1]提出了一種基于相變材料蓄放熱的新型輻射地板冷卻系統(tǒng)，通過(guò)研究證明相變材料在維持室內(nèi)溫度場(chǎng)穩(wěn)定方面的作用。王闖等[2]提出一種混凝土地板蓄熱系統(tǒng)，并將其用于空氣式太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)，探究了系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，例如集熱器朝向、環(huán)境參數(shù)以及供風(fēng)速度下該地板的蓄放熱特性。既往研究主要集中在單一管路作用下的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如地板厚度、盤(pán)管水溫、管徑、管間距等）以及相變材料對(duì)地板蓄放熱特性的影響，而在主管支管共同作用下，設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)蓄熱地板的蓄放熱特性的影響研究相對(duì)較少?；诖?，本文提出一種擁有特殊內(nèi)部管路（主管+支管）的太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板結(jié)構(gòu)，并針對(duì)主管支管共同作用下，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)（熱風(fēng)流量、風(fēng)道面積比、主管支管管徑比）對(duì)蓄熱地板的蓄放熱特性的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為新型太陽(yáng)能熱風(fēng)-地板輻射供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 蓄熱地板蓄放熱特性數(shù)值模擬

1.1 物理模型

本文利用ICEM CFD建立物理模型（如圖1所示）。為節(jié)約計(jì)算資源，對(duì)物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型外墻尺寸為2000mm×2000mm×450mm（長(zhǎng)×寬×高），混凝土地板尺寸為1500mm×1500mm×250mm（長(zhǎng)×寬×高）。內(nèi)部主管、支管的直徑分別為150mm、100mm，支管數(shù)為9個(gè)。

蓄熱地板選取的材料為水泥砂漿，風(fēng)管材料為不銹鋼管拼接組成，墻體材料與風(fēng)管材料的物性參數(shù)見(jiàn)表1。

蓄熱地板表面與室內(nèi)空間的傳熱方式為對(duì)流換熱與輻射換熱，其他墻體表面均為絕熱；忽略蓄熱地板混凝土層與地板內(nèi)風(fēng)管的接觸熱阻。

1.2 數(shù)學(xué)模型

蓄熱地板內(nèi)部管道空氣流動(dòng)與傳熱控制方程的通用形式如公式（1）所示[3]。

（1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；U為空氣流速，m/s；φ為通用變量，代表空氣流速或溫度；Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；sφ為代表源項(xiàng)。湍流模型構(gòu)建采用Standard k-ε兩方程模型[3]。

1.3 邊界條件及蓄熱地板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

1.3.1 邊界條件設(shè)置

室內(nèi)初始溫度為5℃，外墻溫度Twall=278.15K，蓄熱地板下表面敷設(shè)有隔熱層，視為絕熱壁面，蓄熱地板兩側(cè)表面為絕熱壁面，蓄熱地板上表面與房間發(fā)生熱交換，其熱邊界條件由熱量交換的動(dòng)態(tài)過(guò)程決定（耦合傳熱問(wèn)題），因此不能預(yù)先規(guī)定邊界[4]。將蓄熱地板入口段PIPE-WALL的邊界條件設(shè)置為絕熱壁面，INLET為速度入口邊界條件，OUTLET為壓力出口邊界條件。

1.3.2 蓄熱地板結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置

將太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板內(nèi)部管道中的主管管徑與支管管徑的比值定義為主管支管管徑比，將太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板中混凝土的散熱面積與風(fēng)管側(cè)面積的比值定義為風(fēng)道面積比。本研究針對(duì)不同的主管支管管徑比、支管數(shù)、風(fēng)道面積比，設(shè)置了9種不同工況的太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表2。9種工況下熱風(fēng)風(fēng)速均為3m/s。風(fēng)管入口風(fēng)量如公式（2）所示。

Qin=900πDpi2?Vin （2）

式中： Qin為風(fēng)管入口風(fēng)量，m3/h；Dpi為風(fēng)管入口直徑，m；Vin為入口風(fēng)速，m/s。

1.4 求解器及網(wǎng)格劃分

本研究基于有限容積法FLUENT軟件對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算，采用SIMPLE算法求解蓄熱地板與熱空氣、室內(nèi)空氣的耦合傳熱。壓力、動(dòng)量、湍流動(dòng)能、能量、湍流耗散率的離散方式均采用二階迎風(fēng)差分格式，求解控制方程時(shí)的松弛因子均采用默認(rèn)數(shù)值。采用ICEM CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行建模、分塊及網(wǎng)格劃分。蓄熱地板網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)物理模型的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果表明，在滿足計(jì)算精度、節(jié)約計(jì)算資源的前提下，采用的最小網(wǎng)格數(shù)量為2337646個(gè)[5]。

1.6 數(shù)值模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在熱風(fēng)流量為190m3/h、試驗(yàn)與模擬用蓄熱地板入口溫度相同時(shí)，將蓄熱地板出口溫度的試驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如圖3所示。

圖3表明，在相同的運(yùn)行工況下，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合度較高，說(shuō)明所建立的數(shù)值模型能很好地預(yù)測(cè)地板的蓄放熱特性。

2 太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板蓄放熱特性數(shù)值分析

本文主要研究關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)（熱風(fēng)流量、風(fēng)道面積比、主管支管管徑比）對(duì)太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板蓄放熱特性的影響。

2.1 熱風(fēng)流量對(duì)太陽(yáng)能熱風(fēng)蓄熱地板蓄放熱特性的影響

表2中9個(gè)工況的數(shù)值模擬結(jié)果及分析可參照文獻(xiàn)[5]。本文研究當(dāng)主管支管管徑比2.0、風(fēng)道面積比1.0時(shí)，熱風(fēng)流量對(duì)蓄熱地板蓄放熱特性的影響，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到不同熱風(fēng)流量下的蓄熱地板在Z為125mm平面溫度分布云圖，如圖4所示。由圖4可知，在太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱器產(chǎn)熱充足的情況下，隨著熱風(fēng)流量不斷增加（65m3/h、160m3/h、255m3/h），蓄熱地板內(nèi)部熱風(fēng)管道的溫度升高，均勻性均逐漸提高，熱風(fēng)流量越大，越能強(qiáng)化熱風(fēng)向蓄熱地板的傳熱作用，蓄熱地板的蓄放熱能力也越強(qiáng)，能構(gòu)建更加均勻的臥室溫度場(chǎng)。但是在太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱器產(chǎn)熱不足的情況下，隨著熱風(fēng)流量變大，熱風(fēng)流量與蓄熱地板的換熱時(shí)間會(huì)越短，且熱風(fēng)本身溫度也會(huì)降低，不利于蓄熱地板蓄熱。

2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)蓄熱地板蓄放熱特性的綜合影響

本文研究當(dāng)熱風(fēng)流量（65m3/h、160m3/h、255m3/h）不同時(shí)，在風(fēng)道面積比與主管支管管徑比的共同作用下，熱風(fēng)蓄熱地板蓄放熱特性的變化情況。蓄熱地板溫度如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)主管支管管徑比為2時(shí)，隨著風(fēng)道面積比由0.89（支管數(shù)7）增至1.02（支管數(shù)9），地板表面的平均溫度分別由45.4℃升至45.6℃（熱風(fēng)流量65m3/h），54.4℃升至54.6℃（熱風(fēng)流量160m3/h），57.5升至57.9℃（熱風(fēng)流量255m3/h）。研究表明，隨著熱風(fēng)流量增加，地板表面的平均溫度上升約10℃，不同熱風(fēng)流量下，隨著面積比由0.89增至1.02，蓄熱地板平均溫度分別升高約0.2℃（熱風(fēng)流量65m3/h）、0.4℃（熱風(fēng)流量160m3/h）、0.4℃（熱風(fēng)流量255m3/h），隨著風(fēng)道面積比增加，熱風(fēng)與蓄熱地板的換熱面積增加，因此蓄熱地板表面的平均溫度也隨之增加。

但是隨著風(fēng)道面積比增至1.24（支管數(shù)12），地板表面平均溫度反而降低了約0.2℃，隨著支管數(shù)增加，熱風(fēng)管道內(nèi)局部阻力也增加，熱風(fēng)不能充分流入每個(gè)支管，且隨著風(fēng)道面積比增加，地板內(nèi)部風(fēng)管所占空間越大，地板蓄熱材料占比減少，此時(shí)地板的蓄熱量也會(huì)減少，因此會(huì)降低地板對(duì)熱需求房間溫度的調(diào)節(jié)能力。

在不同的熱風(fēng)流量（65m3/h、160m3/h、255m3/h）下，主管支管管徑比為2時(shí)，不同風(fēng)道面積比下的蓄熱地板表面熱流密度對(duì)比如圖6所示。

由圖5、圖6可知，當(dāng)主管支管管徑比為2時(shí)，風(fēng)道面積比在1以上，當(dāng)繼續(xù)增加時(shí)，地板表面平均溫度增量在1℃以內(nèi)，但地板表面熱流密度卻下降了15W/m2，除了受局部阻力系數(shù)的影響，隨著風(fēng)道面積比變大，地板內(nèi)部風(fēng)管所占空間也變大，地板蓄熱材料占比減少，此時(shí)地板的蓄熱能力也會(huì)降低，因此會(huì)降低地板對(duì)熱需求房間溫度的調(diào)節(jié)能力。

3 結(jié)論

當(dāng)主管支管管徑比為2，風(fēng)道面積比為1時(shí)，熱風(fēng)蓄熱地板的蓄放熱性能最好。當(dāng)主管支管管徑比為2、風(fēng)道面積比為1時(shí)，隨著熱風(fēng)流量不斷變大（65m3/h、160m3/h、255m3/h），越能強(qiáng)化熱風(fēng)向蓄熱地板的傳熱作用，蓄熱地板的蓄放熱能力也越強(qiáng)，越能構(gòu)建更加均勻的臥室溫度場(chǎng)。但是隨著熱風(fēng)流量增加，蓄熱地板對(duì)溫度的平抑作用將變小、客廳的送風(fēng)溫度波動(dòng)會(huì)變大、送風(fēng)速度也會(huì)提升，這會(huì)影響客廳熱需求房間的熱舒適性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在保證太陽(yáng)能熱風(fēng)集熱器產(chǎn)熱被充分利用、滿足熱需求房間的熱舒適性情況下，盡可能使系統(tǒng)的熱風(fēng)流量變小。

參考文獻(xiàn)

[1]KITAGAWA H， ASAWA T， KUBOTA T ，et al. Thermal"storage effect of radiant floor cooling system using phase change materials"in the hot and humid climate of Indonesia[J]. Building and Environment，"2022，207（1）：1-13.

[2] 王闖， 趙金玲， 陳濱. 太陽(yáng)能空氣集熱耦合地板蓄熱系統(tǒng)熱特性試驗(yàn)研究[J]. 制冷與空調(diào)（四川）， 2014， 28（2）： 112-115，121.

[3] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社， 2001.

[4] 王斌. 集熱蓄熱墻傳熱過(guò)程及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)， 2012.

[5] 郭星辰. 太陽(yáng)能熱風(fēng)-地板輻射兩級(jí)晝夜差異化供暖系統(tǒng)運(yùn)行特性及設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)， 2024.

通信作者：朱常琳（1969—），女，湖南雙峰人，副教授，主要研究方向?yàn)榻ㄖ岘h(huán)境模擬與調(diào)控技術(shù)。電子郵箱：93050688@qq.com。