楊 潔,周慧鑫,張 旭,劉 焱,王 軍

(同濟大學機械工程學院,上海 201804)

濕法施工毛細管末端冬季換熱性能實驗研究

楊 潔,周慧鑫,張 旭,劉 焱,王 軍

(同濟大學機械工程學院,上海 201804)

針對采用濕式施工法的毛細管輻射末端,在冬季工況下對其換熱特性進行了實驗研究,并對不同敷設面層厚度及不同管間距的毛細管輻射末端的換熱性能進行了對比實驗分析。研究結果表明,與傳統(tǒng)地板輻射供暖方式相比,地面濕式毛細管末端具有較低供水溫度,并有良好的冬季換熱性能和系統(tǒng)節(jié)能性。建議在實際工程應用中,根據(jù)室內散熱量與人體熱舒適性的要求,并基于供水溫度與面層厚度之間的耦合關系,選擇適宜的施工方法。

毛細管末端;濕式施工法;換熱性能分析;輻射供暖;實驗研究

隨著建筑保溫程度的提高和管材的發(fā)展,近年來水媒質輻射空調系統(tǒng)的使用日益普遍[1]。水媒質輻射空調系統(tǒng)是由輻射末端、冷熱源、水媒質輸送管路系統(tǒng)等組成,并且通常與建筑室內的獨立送風系統(tǒng)相結合。其中,輻射末端的形式與換熱能力是影響其實際應用效果的關鍵因素之一。

與傳統(tǒng)輻射末端方式相比,毛細管輻射末端作為輻射空調系統(tǒng)的一種新型末端方式,具有管徑小(3～5 mm)、管間距小(10～40 mm)且采用網(wǎng)狀結構模塊化鋪設方式,因此單位面積毛細管網(wǎng)換熱表面積大、表面溫度分布均勻,因而總換熱量大[2-3]。此外,根據(jù)冬夏季供冷、供熱的不同需要,該種末端與建筑的結合方式及其施工方式具有靈活性與多樣性;其中,濕法施工方式是其主要施工方式之一,其將毛細管固定于保溫層上,用一定厚度水泥砂漿填充找平,并在其上鋪設不同的面層材料以滿足建筑裝飾的不同要求,該施工方式具有換熱效果好、施工工藝簡單、面層厚度較傳統(tǒng)輻射采暖末端薄等特點[4]。

末端換熱性能和表面溫度響應特性是輻射空調方式普遍關注的問題[5-9],對傳統(tǒng)盤管與輻射板末端的換熱性能已有大量的理論與實驗研究[10-15],關于此方面研究大多是通過分析實際換熱過程,建立相應數(shù)學模型、運用數(shù)值模擬的方式對影響輻射末端換熱的各個因素進行理論分析,并結合一定的實測與實驗室研究確定其換熱能力及換熱影響。但目前針對毛細管輻射末端相關的實驗研究還很少,特別是冬季地面濕法施工方式下,諸如供水溫度、水流量、面層厚度等關鍵影響因素對其換熱性能和表面溫度響應的實測數(shù)據(jù)還較欠缺。此外,實驗中不同施工面層厚度、不同管間距等換熱影響因素的對比和實測對實驗條件要求較高,給相關實驗數(shù)據(jù)的獲取造成一定困難。

基于此,該文針對毛細管末端濕法施工方式冬季換熱工況,借助實驗手段按實際施工方式制作了不同的實驗試塊以解決上述問題,通過實測數(shù)據(jù)分析以上因素對該類末端冬季換熱的影響。

1 毛細管輻射末端冬季換熱性能實驗

1.1 實驗原理

根據(jù)冬季地板輻射供暖設計要求,制備一定溫度的熱水介質,由循環(huán)水泵送入濕法施工方式下的毛細管輻射末端管網(wǎng),再通過管網(wǎng)與毛細管結合的施工結構層之間的熱傳導以及結構層與室內空氣和室內各表面之間的對流與輻射換熱達到室內供暖的目的。在上述過程中,毛細管末端通入熱水經(jīng)過一段時間后,末端結構表面從初始溫度逐漸上升直至達到某一穩(wěn)定值,此時供回水溫差基本恒定,即該施工方式下毛細管輻射末端的換熱量達到穩(wěn)定,其確定方法如下：

式中,Q為毛細管輻射末端換熱量,W為毛細管輻射末端上表面有效換熱量,W;Q2為毛細管輻射末端底面保溫層漏損換熱量,W;為毛細管輻射末端管路散熱量,W。

1.2 實驗系統(tǒng)

毛細管末端換熱實驗在低溫熱水標準試驗臺中完成。實驗房間為4m×4 m×2.8 m的六面體封閉小室,如圖1所示。房間外側空調系統(tǒng)控制封閉小室中的環(huán)境空氣溫度;由水泵、上水箱、下水箱、玻璃示鏡、水溫加熱器、流量測試裝置組成的實驗臺水系統(tǒng)為毛細管末端試塊提供不同溫度的熱水,如圖2;同時,水流量由浮子流量計及稱重法測試,供回水溫度由標準玻璃溫度計測量。

圖1 實驗室與試塊表面測點實測照片

針對不同管間距、不同水泥砂漿面層厚度,實驗采用由實際濕法施工方式制成的毛細管輻射末端試塊進行實驗。試塊表面的尺寸統(tǒng)一為2 000 mm× 600 mm,試塊厚度隨不同施工方式有所不同在30～50mm之間,毛細管管徑為3.4×0.55 mm,試塊底部及四周用20mm厚聚苯板保溫,試塊表面為水泥砂漿面層,如圖3所示。

圖3 實驗試塊示意圖

1.3 實驗內容

實驗以水泥砂漿厚度為20 mm的毛細管末端試塊為標準試塊,針對3種設定室內空氣溫度(18℃、20℃、22℃)和 4種設定供水溫度(30℃、34℃、38℃、42℃)進行不同室內空氣溫度與設定供水溫度組合的12組實驗(工況1—12);在室內溫度為20℃,供水溫度為34℃的條件下針對3種管內水流速(0.15m/s、0.25m/s、0.35m/s)進行實驗(工況5、13、14);同時為了進行實驗對比,對10 mm、20 mm 2種間距試塊(工況5、17)以及20mm、30 mm 2種水泥砂漿厚度試塊(工況5、15)進行實驗。實驗工況表如表1。

表1 實驗工況表

實驗測試參數(shù)包括供水溫度、回水溫度、流量、室內空氣溫度、毛細管末端試塊表面溫度與熱流;其中,試塊上、下表面溫度與熱流測點位置如圖4所示。實驗中測試儀器包括有標準溫度計、稱重電子天平、T型熱電偶、熱流計、秒表等。

圖4 試塊表面測點位置

2 結果分析

2.1 供水溫度與室內空氣溫度對末端換熱性能的影響

針對3種室內空氣溫度(18℃、20℃、22℃),20mm厚標準試塊單位面積散熱量隨供水溫度的變化關系如圖5所示(工況1—12)。從圖5中可以看到在相同的室內空氣溫度條件下,毛細管輻射末端單位面積散熱量隨供水溫度的提高而增大;同時,在給定供水溫度范圍內其單位面積熱指標在73.6～202.6W/m2之間,可以滿足大多數(shù)民用建筑的供熱需要。此外,在供水溫度一定的情況下,室內空氣溫度的降低也會引起毛細管輻射末端單位面積散熱量的增加。由此可見,出現(xiàn)以上特點的原因在于末端換熱溫差的變化,即毛細管輻射末端散熱量隨供回水平均溫度與室內溫度之差的變化而變化。根據(jù)以上特點可知,供水溫度和室內空氣溫度對輻射末端換熱性能具有耦合影響,在選用該施工方式的毛細管末端時應綜合考慮供水溫度和室內設計溫度要求,以滿足室內熱負荷需要。特別是,對于室內設計溫度較為嚴格的場所,當室內發(fā)熱量較大、選取的供水溫度無法滿足消除室內熱負荷要求時,應輔之以其他熱源如電加熱器,或由通風系統(tǒng)承擔部分熱負荷以達到設計要求。

圖5 20mm厚試塊單位面積散熱量隨供水溫度的變化關系

在穩(wěn)定換熱條件下,由于供回水平均溫度與室內空氣溫度之間存在溫差Δt,而不同的溫差與不同單位面積散熱量q相對應,如圖6所示;因此可以根據(jù)散熱器原理,將12個實驗工況的數(shù)據(jù)整理為q=aΔtb的形式[16],由曲線回歸得到：

式中,q為單位面積換熱量,W/m2;Δt為毛細管末端供回水平均溫度與室內溫度之差,℃。

圖6 20 mm厚試塊不同溫差與單位面積換熱量擬合曲線

由于目前毛細管輻射末端主要應用在住宅建筑(包括別墅)、辦公建筑以及部分商業(yè)建筑中,而這些建筑的單位面積熱指標約在 45～125 W/m2之間[17];因此,根據(jù)式(3)可知,若室內設計溫度為20℃,則供回水平均溫度應為26.4～33.3℃。另一方面,若應用在食堂、餐廳、禮堂及體育館等單位面積熱指標較高的場所(一般為115～160W/m2),相同條件下供回水平均溫度應為32.5～35.8℃。由此可以看到,該施工方式下毛細管輻射末端的供水溫度相對于傳統(tǒng)地板采暖末端(包括PE-RT、PE-X盤管方式等)而言要求更低[18],從而降低了系統(tǒng)熱源能耗,并為太陽能等新型能源的結合利用提供可能[19-22],因此該類末端具有更好的節(jié)能性。

2.2 不同管內水流速度對末端換熱性能的影響

在室內空氣溫度為20℃,供水實測溫度為34～35℃,試塊初始溫度與室內溫度相同條件下,對于3種管內水流速(0.15 m/s、0.25m/s、0.35 m/s),試塊表面平均溫度隨時間的變化關系如圖7所示(工況5、13、14)。由圖7可以發(fā)現(xiàn),試塊表面溫度從初始值上升至穩(wěn)定值所需的時間隨水流速的增大而減小,原因在于管內水流速的增大強化了毛細管內壁與水之間的對流換熱,從而縮短了表面溫度的熱響應時間。在不同管內水流速下,試塊表面穩(wěn)定溫度存在差異,其數(shù)值大小隨流速的增加而增加。值得指出的是,水流速的增加對毛細管輻射末端試塊表面溫度及溫度響應時間在一定范圍內有較大影響,如流速0.25 m/s與0.15 m/s對比表面穩(wěn)定溫度高出1.7℃,表面溫度穩(wěn)定時間相比降低20 min;但另一方面,當流量繼續(xù)增加后對毛細管輻射末端試塊表面溫度及溫度響應時間影響相對很小,如流速0.35 m/s與 0.25 m/s對比表面溫度相差在0.5℃范圍內,表面溫度響應時間相差較小。

圖7 20 mm厚試塊表面溫度在不同水流速下的時間響應特性

在穩(wěn)定換熱階段,20 mm厚水泥砂漿試塊在3種水流速條件下的換熱量對比如圖8所示。從圖8可以看到,試塊上表面單位面積散熱量隨水流速的增加而增大,且3種條件下的散熱量分別為101.3 W/m2、131.5 W/m2、147.9 W/m2,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于水流速增大引起毛細管管內對流換熱強度增加。另一方面,從3種條件下的總散熱量組成來看,試塊上表面實測單位面積有效散熱量在75～100 W/m2之間,而由保溫層漏損的底面單位面積散熱量均在20 W/m2左右,流速變化對其影響很小。值得注意的是,隨著流速的增加管路漏損熱量明顯增大,3種條件下的管路熱漏損比例分別為1.5%、12.5%和18.1%。由此可知,水流速的增大雖提高了上表面有效散熱量,但增加的幅度有限,而與此同時卻引起管路熱漏損顯著增加。因此,在實際應用過程中,毛細管輻射末端的設計管內水流速應充分考慮供回水管路及由保溫層下方熱漏損量。

圖8 20mm厚標準試塊在不同水流量下的換熱量對比

2.3 毛細管管間距對末端換熱性能的影響

在室內空氣溫度為20℃、供水溫度為34℃且水流速一定的情況下,2種管間距(10 mm和20 mm)毛細管試塊表面平均溫度隨時間的變化關系如圖9所示(工況5、16)。從圖9可以發(fā)現(xiàn),10 mm管間距毛細管試塊表面穩(wěn)定溫度為30.5℃,高于20mm間距試塊1.3℃左右,可見一定管內流速下,隨著管間距的減小毛細管網(wǎng)柵換熱面積增加,換熱量增加,因而試塊表面穩(wěn)定溫度增加。另一方面,毛細管試塊表面溫度的穩(wěn)定時間隨管間距的增大而增加,由此表明毛細管試塊的管間距變化會改變其內部溫度梯度在非穩(wěn)態(tài)階段的分布狀況,從而使熱流密度不斷發(fā)生變化,并進一步改變表面溫度的上升快慢。

圖9 20mm厚標準試塊表面溫度在不同管間距下隨時間的響應特性

2種管間距毛細管輻射末端試塊的換熱量對比如圖10所示。從圖10可以看到,10 mm管間距與20 mm管間距的標準試塊總換熱量分別為151.8 W/m2、101.3W/m2。由于毛細管輻射末端管路為并聯(lián)方式排布,管間距的減小增大了毛細管末端的換熱面積,因而使換熱量顯著增大。此外,2種不同管間距試塊實測上表面散熱量分別為101.2 W/m2和79.6W/m2。由此表明,在相同供水溫度、水流量以及室內空氣溫度條件下,10mm管間距毛細管末端具有更好的換熱效果,而對于熱負荷較低(＜80 W/m2)的建筑,20mm管間距毛細管末端即可滿足要求且具有較好的經(jīng)濟性。

圖10 2種管間距換熱量對比

2.4 施工面層厚度對末端換熱性能的影響

在供水溫度34℃、室內空氣溫度20℃條件下,2種水泥砂漿施工厚度(20 mm和30 mm)毛細管試塊表面平均溫度隨時間的變化關系如圖11所示(工況5、15)。由圖11可以發(fā)現(xiàn),20 mm厚試塊與30 mm厚試塊表面平均溫度的穩(wěn)定值分別為29.2℃和27.2℃,這表明水泥砂漿面層厚度對試塊表面平均溫度有顯著影響。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于濕法施工面層厚度的增加加大了毛細管管壁與室內環(huán)境之間的換熱熱阻,從而使末端換熱表面平均溫度下降。另一方面,水泥砂漿面層厚度的減小會加快試塊表面平均溫度的穩(wěn)定,即換熱熱阻的降低提高了試塊的熱響應性能。

圖11 2種施工厚度換熱性能對比

需要指出的是,實驗中標準工況(工況5)試塊表面平均溫度超過了人員經(jīng)常停留區(qū)地板表面平均溫度28℃的限值[23],若應用于住宅(包括別墅)、辦公建筑等人員經(jīng)常逗留區(qū)域時會造成較差的舒適性。為達到熱舒適要求,試驗中通過降低供水溫度進行了工況2和標準工況的實驗對比,測得20 mm厚試塊在30℃供水溫度下(工況2)換熱表面平均溫度為26.7℃,相應供熱量為86.4W/m2。此時換熱表面溫度低于熱舒適限值但供熱量有所降低,故對于水泥砂漿層厚度較薄的毛細管輻射末端,可通過適當降低供水溫度同時對換熱量進行校核的方式使表面溫度在舒適性區(qū)域內。此外,在保證換熱量的前提下,還可結合室內地面裝飾使用架空地板、輕質地毯等熱阻較大面層材料來降低表面溫度,以達到舒適要求。

3 結 論

通過實驗研究濕法施工水泥砂漿毛細管末端在冬季工況下的換熱性能可以得到以下結論：

1)濕式施工方式下毛細管輻射末端在給定供水溫度范圍30～42℃,換熱效果良好,其換熱量可以滿足多數(shù)公用及民用居住建筑冬季供熱需求。

2)在相同的室內空氣溫度條件下,毛細管輻射末端單位面積散熱量隨供水溫度的增大而增大;同時,與傳統(tǒng)PE-RT、PE-X盤管等地板供暖方式相比具有更低的供水溫度要求,提高了系統(tǒng)的節(jié)能性。

3)在供水溫度和室內設定溫度一定的條件下,水流量在0.15～0.25 m/s范圍內變化時對毛細管輻射末端表面溫度及溫度穩(wěn)定時間具有顯著影響,當流量繼續(xù)增大在0.25～0.35 m/s范圍內對換熱穩(wěn)定后的表面溫度及溫度穩(wěn)定時間影響較小。

4)在保持毛細管網(wǎng)管內一定流速下,10mm管間距毛細管輻射末端相對于20 mm管間距在濕法施工方式下表面溫度更高、表面溫度穩(wěn)定時間更快,具有更大的換熱量,可在不改變施工方式及供水溫度下應用于熱負荷較高的場所。

5)濕式地面施工方式毛細管輻射末端地板表面平均溫度隨水泥砂漿厚度的增加而降低,在實際應用時應綜合考慮地板換熱量與熱舒適性,采用較低的供水溫度并合理選取地面面層材料。

[1]王子介.低溫輻射供暖與輻射供冷[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004.

[2]閆振華,黃翔,宣永梅.關于毛細管輻射供冷空調系統(tǒng)應用的初探[J].制冷,2008,27(1)：65-68.

YAN ZHEN-HUA,HUANG XIANG,XUAN YONGMEI.Application research on air-conditioning system of radiative coo ling by capillary tube[J].Refrigeration, 2008,27(1)：65-68.

[3]陶紅霞,翁文兵,劉峰.毛細管輻射空調系統(tǒng)簡介及設計要點分析[J].建筑節(jié)能,2009,37(9)：29-31.

TAO HONG-XIA,WENG W EN-BING,LIU FENG. Brief introduction and design analysis of capillary radiation air-conditioning system[J].Construction Energy Conservation,2009,37(9)：29-31.

[4]傅允準,蔡穎玲,李晶,等.毛細管輻射采暖熱源方案技術經(jīng)濟分析[J].流體機械,2010,38(1)：81-85.

FU YUN-ZHUN,CAI Y ING-LING,LI JING,et al. Technical and econom ic analysis of heat source schemes of radiant heating system of capillary tube[J].Fluid Machinery,2010,38(1)：81-85.

[5]W EITZMANN P,KRAGH J,ROOTS P,et a l. Modelling floor heating systems using a validated tw o dimensional ground-coup led numerical model[J]. Building and Environment,2005,40(2)：153-163.

[6]SATTARIS,FARHANIEH B.A parametric study on radiant floor heating system performance [J]. Renew ab le Energy,2006,39(8)：1617-1626.

[7]BOZK IR O,CANBAZOGLU S.Unsteady thermal performance analysis of a room w ith serial and parallel duct radiant floor heating system using hotairflow[J]. Energy and Buildings,2004,36(6)：579-586.

[8]HO S Y,H AYESRE,et al.Simu lation of the dynam ic behavior of a hydronic floor heating system[J].Heat Recovery System&CHP,1995,15(6)：505-519.

[9]崔新陽,李永安,尹綱領.毛細管平面空調熱工參數(shù)的探討[J].山東建筑大學學報,2009,24(6)：581-586.

CU IXIN-YANG,LI YONG-AN,YIN GANG-LING. Discussion of thermal parameter design of capillary airconditioning systems[J].Journal of Shandong Jianzhu University,2009,24(6)：581-586.

[10]馮曉梅,肖永全.低溫地板輻射供暖特性參數(shù)的研究[J].暖通空調,2004,34(1)：1-4.

FENG XIAO-MEI,XIAO YONG-QUAN.Research on the characteristic parameters of low temperature radiant floor heating system[J].H eating Ventilating&Air Conditioning,2004,34(1)：1-4.

[11]邱林,王文海,游旻昱.地板輻射供暖熱力特點及影響因素分析[J].煤氣與熱力,2003,23(8)：481-484.

QIU LIN,WANG WEN-HAI,YOU MIN-YU.Thermal characteristics and influence factors of floor radiant heating [J].Gas&Heat,2003,23(8)：481-484.

[12]劉艷峰,劉加平.低溫熱水輻射地板傳熱測試研究[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版,2004,36(2)：176-178.

LIU YAN-FENG,LIU JIA-PING.Measurement and study on the heat transfer of embedded heat floor[J]. Xi'an Univ.of A rch.&Tech.：Natural Science Edition,2004,36(2)：176-178.

[13]趙玉新,由世俊,王海霞,等.板式地板輻射供暖系統(tǒng)的熱工性能研究[J].煤氣與熱力,2006,26(5)：71-74.

ZHAO YU-X IN,YOU SH I-JUN,WANG HA I-XIA, et al.Study on therma l performance of panel radiant floor heating system[J].GAS&HEA T,2006,26(5)：71-74.

[14]王子介,夏學鷹.地板輻射供冷/暖的簡化動態(tài)模型及其應用[J].南京師范大學學報：工程技術版,2004,4 (1)：1-4.

WANG ZI-JIE X IA XUE-YING.One-dimensional dynam icmodels for radiant f loor heating/cooling[J]. Journal of Nan jing Normal University：Engineering and Technology,2004,4(1)：1-4.

[15]劉曉燕,張?zhí)m雙,徐穎.新型低溫熱水地板輻射供暖結構層傳熱數(shù)學模型[J].暖通空調,2009,39(2)：19-22. LIU XIAO-YAN,ZHANG LAN-SHUANG,XU

YING.Heat transfermodel for floor structure layer of the low-temperature w ater floor panel heating system [J].HV&AC,2009,39(2)：19-22.

[16]賀平,孫剛.供熱工程[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1993：36-39.

[17]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007：316-317.

[18]丁有虎.低溫熱水地板輻射供暖傳熱的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院,2007.

[19]ZH AI X Q,WANG R Z,DA I Y J,et al.Solar integrated energy system for a green building[J]. Energy and Buildings,2007,39(8)：985-993.

[20]REN JIANBO,ZHU LI,WANG YIPING,et al.Very low temperature radiant heating/cooling indoor end system for efficientuse of renew able energies[J].Solar Energy,2010,84(6)：1072-1073.

[21]KAYGUSUZ K,AYHAN T.Experimental and theoretical investigation of combined solar heat pum p system for residential heating[J].Energy Conversion and Management,1999,40(13)：1377-1396.

[22]周恩澤,董華,涂愛民,等.太陽能熱泵地板輻射供暖系統(tǒng)的實驗研究[J].流體機械,2006,4：57-62.

ZHOU EN-ZE,DONG HUA,TU A I-MIN,et al. Experimental study on the solar assisted heat pump source radiant floor heating system[J].Fluid Machinery,2006,4：57-62.

[23]JGJ 142-2004地面輻射供暖技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

(編輯 胡英奎)

Heat Transfer Performance of Capillary Mats UsingWet Construction in W inter

YANGJie,ZHOUHui-xin,ZHANGXu,LIUYan,WANGJun

(College of Mechanical Engineering,Tong ji University,Shanghai201804,P.R.China)

For the capillary mats using wet construction,a w inter experiment designed to investigate the heat transfer performance was described,and the heat transfer performance analysis which contains the com parisonsbetween different pipe space and different thicknessof cementmortar surfacewas carried out. As a result,com pared w ith that of the traditional radiant heating pipes,the capillary mats of wet construction require supp ly waterw ith low er tem perature,and it show sgood heat transferperformance and system energy efficiency as well.According to the demand of indoor heat dissipation and human com fort as well as the coupling relationship between the tem perature of supp ly water and surface construction thickness,it is suggested that the proper construction method should be com prehensively considered in practicalapp lications.

capillary mats;wet construction;heat transfer analysis;radiant heating;experimental studies

TU832.1

A

1674-4764(2011)02-0080-06

2010-09-15

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BA J01B05、2006BAJ01A 05)

楊潔(1965-),女,副教授,主要從事綠色建筑與空調系統(tǒng)節(jié)能技術,(E-mail)jyang@mail.#edu.cn。