地板采暖傳熱的數(shù)值模擬

地板采暖傳熱的數(shù)值模擬

1地板采暖系統(tǒng)的熱舒適性地板供暖是一種將熱絲管插入地板層的供暖方式。與傳統(tǒng)的供暖方式或送風(fēng)加熱方式相比，它具有加熱交換溫度低、人體舒適度好等優(yōu)點。同時,由于散熱由底向上,在相同的熱媒溫度下,熱舒適性明顯好于常規(guī)采暖技術(shù),熱量有效性大為提高。歐美國家采用地板采暖,已有幾十年的歷史。近幾年來,在節(jié)能呼聲的需求下,國內(nèi)也有采用地板輻射采暖的安裝報道和較多的傳熱研究分析報道,但較為詳細(xì)的傳熱研究報道較少。由于地板采暖加熱管置于地板中,不可避免地會出現(xiàn)熱量向上下兩個方向傳遞的熱量分配問題。本文分析計算地板采暖中埋管間距、各層材料厚度和物性對傳熱效果的影響,同時,通過分析得到了埋管散熱的傳熱系數(shù),為熱媒水溫度降估計,提供方便。2地面地板傳熱的模型簡化地板采暖熱媒盤管的布置有直線回折式、回字式和雙管逆向布置等多種方式。無論哪種方式,最終都?xì)w結(jié)到管與管之間的地板內(nèi)溫度分布和地板表面與空氣的傳熱上。地板采暖常用多層材料,以減少向下傳熱,因此,地板傳熱分析的模型簡化為兩個管在復(fù)合層中的傳熱問題。取兩個管中心線之間區(qū)域作為計算對象,按照二維導(dǎo)熱處理。式中由于地板采暖的表面?zhèn)鳠嵋暂椛浞绞綖橹?故綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨溫度的變化不容忽視,h0,h1都是溫度的函數(shù)。傳熱的物理模型和計算網(wǎng)格見圖1。雖有很多文獻(xiàn)介紹了地板輻射采暖的理論和工程設(shè)計思想,但較少分析地板熱量向上、向下傳遞分配情況,且多介紹地板層的具體設(shè)計結(jié)構(gòu),較少給出樓板層內(nèi)溫度分布情況和埋管傳熱傳熱系數(shù)的計算方式。為了分析傳熱分配情況,按照混一結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)分別計算向上向下的熱量分配。3計算方法和結(jié)果3.1節(jié)點間容積控制采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分求解區(qū)域,根據(jù)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格導(dǎo)熱方程的離散方法離散方程(1),邊界條件按照附加源項法處理,控制容積的離散方程為:anb為節(jié)點間的總傳導(dǎo)系數(shù),其詳細(xì)推導(dǎo)見文獻(xiàn),限于篇幅,不再贅述。遍歷所有控制容積,得到描述地板內(nèi)溫度分布的線性代數(shù)方程組,利用迭代法可以求解,得到地板內(nèi)溫度分布。3.2地板采暖層厚度對熱傳散的影響假設(shè)整個樓板層均勻,并在不同層采用不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料,針對四種不同結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計算。計算時取盤管內(nèi)水溫tω=50℃,室內(nèi)空氣溫度tn=22℃,室內(nèi)墻壁輻射溫度tfp=18℃,管間距300mm,埋管直徑20mm,總樓板層厚度290mm。地板層、抹平層、混凝土層、保溫層和樓板層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為:0.14、0.94、1.53、0.047、1.53W(m·K)-1。四種結(jié)構(gòu)可以通過改變各層的厚度實現(xiàn)。在上述條件下,計算結(jié)果如表1所示。表1的結(jié)果表明,整個樓板層若全用混凝土構(gòu)成,埋設(shè)熱媒管地板采暖,則向下傳熱量相當(dāng)可觀,在計算結(jié)構(gòu)下幾乎占總散熱量的42%。在管下方鋪設(shè)一層40mm的保溫層,向下傳熱大為減少,所占比例將到14%。若抹平層厚度為40mm,則向下傳熱占15%。若抹平層降為20mm,其上布置20mm的地板層,則向下傳熱增大,其比例約為22%。這說明采用地板輻射采暖,地板層的結(jié)構(gòu)和材料影響很大,保溫層是必須的。表1還表明,布置地板層不僅影響熱量分配,還會影響埋管散熱速率。因此,為了使地板輻射采暖有效,房屋裝修與樓板層設(shè)計應(yīng)統(tǒng)籌考慮,否則,用戶鋪上一層地毯或木地板,就會大大影響采暖效果。3.3地表溫度分布地板采暖的另一個指標(biāo)是地板表面溫度分布和樓板內(nèi)溫度分布。圖2給出了四種結(jié)構(gòu)的兩管之間的地表溫度分布,圖3為樓板層內(nèi)溫度等值線。圖2和圖3表明,溫度在埋管附近較高,兩管之間的最低,但具體的數(shù)值與樓板結(jié)構(gòu)有關(guān)。3.4埋管熱媒溫度沿程分布由于地板內(nèi)各層材料導(dǎo)熱系數(shù)不同,使得埋管與空氣的傳熱系數(shù)難于計算,利用數(shù)值解結(jié)果,可以得到埋管的傳熱系數(shù)。計算中假定樓板上下房間條件相同。則傳熱系數(shù)可以按照下式計算:式中,ql為計算得到的單位管長的散熱,W/m;K為以長度為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù),W/(m·K),T為熱媒溫度,Tn為室內(nèi)空氣溫度,該式考慮了上下兩個方向的傳熱。由于熱媒在流動過程中散熱,溫度逐漸降低,導(dǎo)致地板表面溫度變化,也會影響傳熱系數(shù)的變化。經(jīng)過計算表明,雖然改變熱媒溫度會改變傳熱系數(shù),但變化很小。這樣,在選定樓板層結(jié)構(gòu)和埋管布置方式后,就可利用數(shù)值方法估算出傳熱系數(shù),進(jìn)一步計算熱媒溫度分布。得到熱媒溫度沿程分布:利用式(5)可以計算出熱媒溫度沿程分布,進(jìn)一步估算出給定地板采暖結(jié)構(gòu)時單程埋管的最大長度。利用式(5)還可以估計給定管長的情況下,計算需要的熱媒初溫或需要的熱媒流量等。4分析熱媒在埋管的溫度分布以及埋管間距以及埋管間距以及估計熱