029低溫輻射地板采暖輻射換熱分析

1、低溫輻射地板采暖輻射換熱分析上海交通大學制冷與低溫工程研究所，宋兆培，翟曉強，王如竹摘要:本文對低溫輻射地板采暖系統(tǒng)中的輻射換熱進行了分析。實測了一個地板采暖系統(tǒng)的冬季運行情況，并建立了低溫輻射地板采暖系統(tǒng)的模型。在模型的基礎(chǔ)上針對一個典型地板采暖工況，分析了輻射對采暖效果的影響，并與常規(guī)的空氣循環(huán)采暖系統(tǒng)進行了對比研究.關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：地板采暖；輻射；模擬1引言引言低溫輻射地板采暖技術(shù)對作為一種新的采暖形式，近年來發(fā)展很快。與普通的熱泵

2、驅(qū)動的空氣循環(huán)式采暖系統(tǒng)相比，低溫輻射地板采暖將地板作為與室內(nèi)空間進行熱交換的媒介，其中有超過50%的換熱是直接通過地板表面的長波輻射進行的。同時，由于這種系統(tǒng)對熱源溫度的要求較低，目前太陽能、地熱能等多種新能源都可以與之有較好的匹配，具有很大節(jié)能潛力。同時，由于輻射熱交換比常規(guī)采暖系統(tǒng)中占主導的對流熱交換更高效、反應(yīng)更快，地板采暖的舒適性也較好。由于地板結(jié)構(gòu)的蓄熱性能，地板采暖系統(tǒng)具有較大的熱慣性，因此對于非連續(xù)運行系統(tǒng)，或者熱源溫度

3、狀況變化較大的系統(tǒng)，比如太陽能，其控制方式也與普通的采暖系統(tǒng)有所區(qū)別。Cho[1]等設(shè)計了一套針對低溫輻射地板采暖的預(yù)測控制方法，能量利用率及采暖效果可以有顯著改善。Badran[2]等則比較了太陽池和太陽能集熱器這兩種不同的熱源形式作為集熱設(shè)備在地板采暖中的應(yīng)用，表明采用太陽能集熱器時效率能比太陽池提高約6%。為了研究地板采暖的換熱特性，王文[3]等對重慶地區(qū)一住宅內(nèi)溫水地板供暖系統(tǒng)進行了測試并與熱泵空調(diào)器采暖系統(tǒng)進行對比，分析了該地

4、板采暖系統(tǒng)的室內(nèi)熱舒適及經(jīng)濟性。Karadag[4]等則針對地板采暖的對流部分進行研究，用圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫度修正了地板與空氣的對流換熱關(guān)聯(lián)式。建筑室內(nèi)環(huán)境是比較復(fù)雜的系統(tǒng)，簡化的集總參數(shù)法并不能完全反應(yīng)地板采暖的運行特性，在理論模型不斷完善的基礎(chǔ)上，計算機模擬技術(shù)在地板采暖的研究應(yīng)用廣泛。Weitzmann等[5]等采用一種二維模型對地板采暖系統(tǒng)進行了建模。Holopainen[6]則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對地板采暖內(nèi)的溫度場進行了分析。周

5、興紅[7]等對低溫地板輻射采暖進行了系統(tǒng)建模并對其性能進行了分析。輻射換熱的是地板采暖區(qū)別于常規(guī)采暖系統(tǒng)的主要特點之一，在輻射占主導的情況下，房間內(nèi)的熱舒適特征以及能量分布情況都有與常規(guī)采暖系統(tǒng)有所不同，但是在這方面尚未有較為系統(tǒng)的分析。本文的主要方向就是用實驗和模型分析地板采暖系統(tǒng)中輻射換熱的效果及其對熱舒適進能耗的影響。2低溫輻射地板采暖系統(tǒng)低溫輻射地板采暖系統(tǒng)該實驗用地板采暖系統(tǒng)位于上海交通大學，低溫輻射地板面積為170m2，在冬

6、季白天為相應(yīng)的辦公空間提供采暖。系統(tǒng)采用96m2帶有CPC的U型管式太陽能集熱器整列作為熱源，并配有一個3m3的蓄熱水箱以及相應(yīng)自控系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)。系統(tǒng)簡圖如圖1所示。地板采暖系統(tǒng)采用濕式結(jié)構(gòu)，PEXa熱水盤管埋于6cm的混凝土層中。熱水盤管間距50cm，采用分區(qū)回形布置方式，地板溫度比較均勻。地板下層鋪設(shè)了厚1.7cm的聚苯乙烯保溫層，其導熱系數(shù)為0.04Wm1K1，基本阻止了地板向下層漏熱的進行。系統(tǒng)水路以及房間內(nèi)部不同節(jié)點上，設(shè)置了

7、PT1000溫度傳感器，采集并記錄實時數(shù)據(jù)。同時，在房間內(nèi)部不同高度處設(shè)置了3個黑球溫度計，用于計算室內(nèi)輻射溫度。系統(tǒng)在2007～2008年冬天地板作為低溫輻射地板采暖系統(tǒng)的熱源，其溫度相對較高，而室內(nèi)其他部分尤其是圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度相對較低，由于溫差的存在上述各表面間存在著以長波輻射形式進行的熱交換，這些通過輻射進行的換熱量并且占據(jù)了室內(nèi)全部換熱量的一大部分，各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間的輻射，可以用輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)法來描述：(1)011??

8、?????ijjiiijiiiiibXAJJAJE??地板采暖相對常規(guī)采暖系統(tǒng)，室內(nèi)空氣擾動較小，溫度較為均一。因此通過圍護結(jié)構(gòu)的換熱，可以按照墻體內(nèi)的一維傳熱模型來考慮：(2)0)()1(1)(1????????ioisiioisaiciiibiTTRhtthEJ??室內(nèi)空氣的吸收率和發(fā)射率幾乎為零，它主要以對流的換熱的形式與各圍護結(jié)構(gòu)進行熱換熱。同時也有一部分室外較冷空氣被人為的作為新風引入，或者通過門窗滲漏進來，空氣能量平衡方程如

9、下：(3)0)()(??????aopiaisicttcmtth由于各圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度不同，房間內(nèi)不同位置處平均輻射溫度也有差異。室內(nèi)不同節(jié)點處的輻射溫度，可以按照等效微球法[8]得到。(4)???iiisiiiissPFTPFPT??)()()(44在ASHRAE熱舒適標準中，室內(nèi)人員的實感溫度是由空氣溫度和輻射溫度共同作用得到的，其方法如下(5)cracrrophhththT???4分析及討論分析及討論對一個簡化的采用低溫輻射地板