混凝土埋管式輻射冷頂板室內(nèi)非穩(wěn)態(tài)換熱特性研究.pdf

1、輻射冷頂板系統(tǒng)節(jié)能和舒適等優(yōu)點(diǎn)使之近幾年受到人們的廣泛關(guān)注和研究?；炷谅窆苁捷椛淅漤敯灞闶窃撓到y(tǒng)末端的一種形式。其工作原理是降低天花板的內(nèi)表面溫度來(lái)形成冷輻射面，依靠冷輻射面與室內(nèi)其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面及家具、人體表面之間的輻射換熱來(lái)達(dá)到供冷的目的。天花板內(nèi)表面和室內(nèi)其他表面的溫度降低會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣與這些表面之間的對(duì)流換熱加強(qiáng)，使室內(nèi)空氣溫度同時(shí)降低，進(jìn)一步加強(qiáng)供冷效果?；炷谅窆苁捷椛淅漤敯迮c室內(nèi)環(huán)境的主要換熱模式是輻射換熱和自然對(duì)流換

2、熱結(jié)合的綜合換熱模式，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)制對(duì)流換熱模式不同。
　　混凝土埋管式輻射冷頂板的施工方法是將塑料水管或鋼管綁在鋼筋上直接現(xiàn)澆在樓板中，也可以在天花板上固定好水管后再做面層。這種輻射板具備較大熱容量。目前關(guān)于換熱機(jī)理的研究大多集中在輻射板內(nèi)部或整個(gè)供冷系統(tǒng)的換熱過(guò)程，少數(shù)針對(duì)輻射冷頂板與室內(nèi)熱環(huán)境之間輻射換熱機(jī)理的研究也基本討論的是穩(wěn)態(tài)工況下的輻射換熱。
　　實(shí)際情況中，室內(nèi)的熱輻射環(huán)境常處于非穩(wěn)態(tài)工況。例

3、如，各種外擾的變化會(huì)使傳入室內(nèi)的得熱量改變，從而改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度;輻射冷頂板系統(tǒng)的啟動(dòng)、關(guān)閉或運(yùn)行間隔，人員的進(jìn)出以及熱源的開(kāi)閉等都會(huì)造成室內(nèi)熱輻射環(huán)境的改變。目前對(duì)非穩(wěn)態(tài)工況下室內(nèi)熱輻射環(huán)境的換熱機(jī)理和熱響應(yīng)特性還缺乏理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。本文針對(duì)以上問(wèn)題，將理論研究、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬相結(jié)合，開(kāi)展了相關(guān)研究。
　　文中改進(jìn)了輻射換熱計(jì)算的杰勃哈特法，針對(duì)輻射冷頂板房間內(nèi)有熱源參與的熱輻射環(huán)境建立了矩陣方程形式的非穩(wěn)態(tài)換熱模

4、型，使之能夠?qū)⒄麄€(gè)時(shí)間內(nèi)所有表面上凈輻射換熱量的計(jì)算轉(zhuǎn)化為矩陣運(yùn)算。有效避免了傳統(tǒng)方法在解決非穩(wěn)態(tài)輻射換熱時(shí)對(duì)方程組的多次求解，為計(jì)算機(jī)編程提供了便利。對(duì)有窗戶的非封閉空間提出了輻射換熱的求解辦法。
　　將輻射冷頂板房間內(nèi)復(fù)雜的換熱問(wèn)題抽象為三維封閉方腔中非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、輻射與自然對(duì)流的耦合換熱問(wèn)題，并給出了該問(wèn)題的數(shù)值實(shí)施方法和具體的理論推導(dǎo)過(guò)程。采用附加源項(xiàng)法處理能量守恒方程的邊界條件以及固體表面的輻射換熱部分，并推導(dǎo)出相應(yīng)的附加

5、源項(xiàng)以及未知界面溫度的計(jì)算表達(dá)式。
　　搭建熱工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬混凝土埋管式輻射頂板系統(tǒng)在夏季供冷時(shí)封閉空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)過(guò)程，并驗(yàn)證了封閉空間內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)輻射換熱模型以及非穩(wěn)態(tài)耦合換熱數(shù)值模型。設(shè)計(jì)了不同非穩(wěn)態(tài)工況（包括輻射冷頂板系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉、供水溫度突然提高和下降、室內(nèi)負(fù)荷突然提高和下降、供水溫度周期性波動(dòng)等）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)詳細(xì)分析實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)混凝土埋管式輻射頂板系統(tǒng)開(kāi)始及停止供冷時(shí)的各項(xiàng)溫變曲線進(jìn)行一階指數(shù)函數(shù)擬

6、合。為保證工作時(shí)間內(nèi)室內(nèi)熱環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定，選定至少提前8個(gè)小時(shí)開(kāi)啟混凝土埋管式輻射冷頂板系統(tǒng)。得到了系統(tǒng)停止供冷后前8小時(shí)內(nèi)每個(gè)小時(shí)的溫度增長(zhǎng)速率，以快速估算輻射冷頂板系統(tǒng)停止運(yùn)行后的溫度變化量。另外，冷水供水溫度及室內(nèi)負(fù)荷突然變化或冷水供水溫度波動(dòng)時(shí)，各項(xiàng)溫度值的變化幅度及變化速率非常小。
　　分析非穩(wěn)態(tài)耦合換熱數(shù)值模型內(nèi)的溫度場(chǎng)、空氣流場(chǎng)以及輻射熱流密度場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)，空間中的溫度分布大致均勻;自然對(duì)流并不劇烈，空氣的流線以向上浮升

7、為主;微元表面上的輻射熱流密度受到其他所有微元表面溫度以及相對(duì)位置的綜合影響。在輻射冷項(xiàng)板逐漸加載冷量的過(guò)程中，熱源周圍的渦流是逐漸形成的。
　　本文的創(chuàng)新性工作主要有:
　　(1)建立了混凝土埋管式輻射冷頂板房間內(nèi)有熱源參與的非穩(wěn)態(tài)輻射換熱模型;
　　(2)建立了混凝土埋管式輻射冷頂板房間內(nèi)非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、輻射與自然對(duì)流的耦合換熱數(shù)值模型并予以求解;
　　(3)對(duì)混凝土埋管式輻射頂板系統(tǒng)在夏季供冷時(shí)封閉空間內(nèi)的動(dòng)態(tài)