住宅低温地板采暖的数值模拟

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1、r1 1 0 西安制冷 住宅低温地板采暖的数值模拟 杨刚，孑乙帅 长安大学 籀要选用k 一8 两方程模型通过A i r p a k 软件对室内热环境进行数值模拟，将不同设计温度 下的镆拟结果进行比较。针对住宅地板辐尉采暖提出合理的谖计方囊， 关键词数使模拟；绝扳箍麓；温度场；舒适檀 0 引言 地板辐射采暖是以低温热水为热媒，整个地面为散热面，通过对流换热及辐射换热 加热周围空气和围护结构的一种采暖方式。采用地板辐射采暖的房间一般温度梯度较 小，温度分布比较均匀，卫生条件及人体舒适感较高。近几年随着各种新型管材和热源 的开发，以及国家对建筑节能的大力提倡，地板辐射采暖取得了很大的发展。 现行设计

2、中地板辐射采暖耗热量的计算为房间总耗热量乘以D ，9 0 9 5 的修正系 数或将室内设计温度取值降低2 。但这是没有考虑房闯地面遮挡所提出的计算方法 而在实际生活中地面遮挡比例是比较高的，尤其是卧室可能会达到3 0 以上，这对实际 采暧效果的影响非常大的。虽然规范中提到设计时要考虑地面覆盖物对散热量的折减， 但投有做出具体的规定，而耗热量的增加直接影响地板辐射采暖的节能效果，因此选择 适当的设计温度对于整个设计是至关重要的。本文以实际工程中常见户型为例，应用 A i r p a k 软件对地板辐射采暖进行数值模拟，对比分析在不同设计温度下室内温度分布及 供暖效果，从而提出一个较合理的地板辐射

3、采暖设计方案。 l 物理模型和数学模型 1 ，I 物理模型 考虑到数值计算的复杂性，本文根据采暖过程的实际特点，对实际情况进行了简化， 建立接近真实情况的模型。 本文选择西安地区一处住宅的卧室作为模型进行计算。房间的长宽高分别为3 9m 3 m 2 8 m 。供暖室外计算温度：一5 ，供暖室内计算温度：1 5 2 2 “ ( i 。地面层为木 质地板，热阻0 1 ( m 2K ) W ，采暖平均水温5 5 。C 。地面遮挡率为4 0 ，卧室内部结构 如图1 所示。 用A i r p a k 建立模型取z 轴为上，X 轴为北向。北外墙上有一面窗户，尺寸为1 5 0 0 r a m 1 5 0 0

4、 r r , = ( 长高 ；南肉墙设有内门s 溯Y 2 0 0 Q m m ( 长高) 。房阉内设有双人床、 床头柜、立柜等1 3 常家具。 西安制冷 1 2 数学模型 本文所研究的流场属于紊流流动中的自然对流问题，故采 用雷诺时均方程法中k 一8 两方程湍流模型进行计算。在建立 数学模型前对室内气体流动先做了如下假设：( 室内气体引用 B o s s i n e s q 假设，湍流脉动所造成的附加应力也与层流运动应 力那样可以同时均的应变率关联起来；( 室内气体流动形式为 稳态紊流；( 室内空气在房间内壁面上满足无滑移边界条件， 即空气在固体表面上的速度为零。在此假设的基础上，房间内 的空

5、气流动及传热满足以下控制方程： 连续性方程 塑+ 塑+ 业：O a x d y a z 三维直角坐标中k 一8 模型的控制方程 1 ，掣盟垲 一 。J l 秽塌 o o 禽 坦 、隔褥藉 U ， 图1 卧室内部结构图 避粤+ 血皿+ 弛粤：r ( 趣+ 誓+ 粤) + s a x r q 。v a z 一、8 x 2 8 y 2 8 z “ 1 3 边界条件 为使模拟过程接近工程实际，房间的采暖负荷计算使用鸿业负荷计算软件并考虑适 当的冷风渗透，房间围护结构的选取符合国家及西安相关节能设计规范。参数及计算结 果见表1 。 表1 房间采暖负荷 室外计算温度采暖设计温度 外墙传热系数外窗传热系数采

6、暖负荷 一5 1 5 0 9 4 ( W m 2 K )4 。7 ( W m 2 K ) 6 0 8W 一5 1 8 q c 0 9 4 ( W m 2 K ) 4 7 ( W m 2 K ) 6 5 1W 一5 2 0 0 9 4 ( W m 2 K )4 7 ( W m 2 K ) 6 9 5W 一5 2 2 0 9 4 ( W m 2 K )4 7 ( w m 2 K ) 7 3 8W 地板散热量和加热管布置间距等参数的选取参考建筑设备专业技术措施中所附相 关参数，并遵循规范相关规定最大间距不超过3 0 0 m m 。用A i r p a k 软件进行模拟时，围护 结构的边界条件选择第2

7、 类边界条件。具体参数见表2 。 假设东、南、西三面内墙为绝热状态，与周围房间无换热损失。所有热负荷平均分布 在北外墙上，房间内只有地板供暖，无其他热源，并且是稳定采暖过程，房间辐射按一次 计算。 表2围护结构边界条件 设计温度采暖负荷盘管间距地板散热量 1 56 0 83 0 01 2 3 1 86 5 12 5 01 2 3 2 06 9 51 5 01 3 5 2 27 3 85 01 4 1 1 1 2西安制冷 口 圈4 设计温度为2 0 图5设计温度为2 2 2 数值模拟结果与分析 图2 至图5 为卧室地板采暖的模拟结果，从温度垂直分布可以看出来地板辐射采暖 温度分布比较均匀，温度梯

8、度较小，并产生随着高度增大温度略有下降的特殊现象。由 于传热温差小，使室内气流的自然对流换热减弱从而导致上升气流减弱，室内空气流动 缓慢。而这种特殊的温度梯度能使人产生“脚暖头凉”的感觉，更好地满足人体的热舒 适性要求。 水平方向，在靠近北外墙的下部出现较低的温度，这是由于靠近北外墙的空气受冷 沿壁面下降，到达地面后又受热上升从而在下部形成涡旋所造成的。而床上部空间温度 也稍有下降，这是由于床的遮挡，使上部空间无法受到地板辐射所造成的。但总体来说 同一平面的空气温度分布比较均匀，人在这一区域内活动不会产生不适。 由图2 、图3 、图4 、图5 可以看出来，模拟结果要比设计温度有l 左右的提高，

9、这与 设计手册中提到的计算负荷时可将设计温度降低2 有较大的差距。图2 由于设计温度 较低，使整个人体活动区域保持在1 6 左右，不太满足人的舒适要求。图3 设计温度 1 8 0 c ，而整个活动区域保持在1 9 以上，2 m 以上的空间温度为1 7 a c 1 8 c c ，且地板敷设 盘管间距适中，是比较理想的设计方案。图4 和图5 虽然室内温度更加舒适，但由于设 计温度的提高，带来热负荷的加大和地板传热温差的减小，需要大幅度减小地热盘管的 间距才能达到设计要求。这不仅增大了投资还增加了施工难度。并且由于盘管布置较 密，使地板表面平均温度较高，图4 、图5 中都已经达到了3 0 以上的高温

10、，对人的长时间 停留造成了影响，对装饰用的地面材料也会产生影响。 3 结论 模拟及分析表明，地板辐射采暖的室内平均空气温度要比设计温度高l 左右，有较 好的节能效果。但也应该看出地板辐射采暖对设计要求较高，设计温度的影响要比普通 散热器采暖复杂的多，1 8 是个较为适中的温度，温度过低无法保证热( 下转第1 4 4 页】 1 4 4 西安制冷 4 太阳能空调技术开发与应用的关键 ( 1 ) 由于受太阳能集热器的影响，太阳能空调普遍存在着效率低、价格高的问题。太 阳能空调中的太阳能集热器可以与太阳能热水器通用。随着太阳能热水器技术的发展， 太阳能集热器的效率会逐渐提高。对于原来有太阳能热水器的用

11、户可以进行改造，先制 冷再用余热洗澡，使其具有更好的经济性。 ( 2 ) 集热温度、冷水温度及冷却水温度应各为多少，才能建立一个最为经济合理的太 阳能空调系统，也是尚待解决的课题。只要有了合适的集热器和制冷机，才能建立经济 合理的太阳能空调系统。 ( 3 ) 由于太阳能的收集存在时效问题，蓄热技术也必须得到很好地解决。现存的蓄 热方法主要采用增加热水容量，增强保温效果。要通过蓄热技术和蓄热载体的研究开 发，来实现太阳能空调系统应用的随意性和连续性。 ( 4 ) 对于居住相对集中的楼房，集热器的安装受到很大的限制，这主要是因为太阳能 空调的安装不普遍，楼房的设计没有考虑到太阳能空调。要通过太阳能

12、应用与建筑一体 化设计来解决这个问题。 ( 5 ) 目前，还没有太阳能空调系统的计算机设计软件、控制芯片、技术标准、统一的配 套设备和零部件，这是科技与市场结合的问题。解决这一问题需要太阳能空调形成一定 的规模，占领一定的市场，还需要政府和科技部门给予支持。 5 结束语 随着地球环境日益恶化，臭氧层的破坏、温室效应的增加，特别是近几年在我国乃至 全球出现的S A R S 、禽流感、流脑等病毒，以及日益减少的自然能源，使人们更加意识到环 保和节能的重要。开发新能源和可再生能源已经成为许多发达国家和发展中国家2 l 世 纪能源发展战略的基本选择；我国政府明确表示，在新的世纪要高度重视绿色环保事业，

13、 并将其作为我国二十一世纪可持续发展战略的重要内容太阳能作为一种可再生清 洁能源，长期以来一直受到科学家的研究和重视。在太阳能的利用中太阳能制冷具有以 下几个优点：首先是节能，据统计，国际上用于民用空调所耗电能约占民用总耗电的 5 0 。而太阳能是取之不尽，用之不竭的，太阳能制冷空调是一个极具发展前景的领域， 也是当前制冷技术研究中的热点。其次是环保。太阳能制冷一般采用非氟氯烃物质作 为制冷剂，D O P ( 臭氧层破坏系数) 和G W P ( 温室效应系数) 均为零，适合当前环保要求， 同时可以减少燃烧石化能源发电带来的环境污染。 夺争“ 4 - 争夺辛争争夺辛夺争夺t 夺夺- 6 - t 争夺夺 夺争t 争争夺争争4 - + ( 上接第1 1 2 页) 舒适性，温度较高则会带来较大的投资和施工难度。并且房间的布置也对地板辐射采暖 有较大的影响，由于地板辐射的管线为地面满布，像卧室这样地面遮挡较大的房间实际 散热面积很小，这就造成盘管间距适当缩短并产生大量的无效盘管。地板辐射采暖要对 温度，房间功能做全面考虑，才能做出既节能又能满足人热舒适性的设计。