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        不同敷設(shè)位置的毛細(xì)管網(wǎng)席對蒙古包內(nèi)熱環(huán)境的影響

        2020-02-04 01:56:52王文新秦超凡楊大偉
        科學(xué)技術(shù)與工程 2020年36期
        關(guān)鍵詞:蒙古包毛細(xì)管溫差

        梁 雨, 王文新,2*, 秦超凡, 楊大偉

        (1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 呼和浩特 010051; 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室, 呼和浩特 010051)

        隨著社會的發(fā)展,牧民的生活方式由游牧向定居轉(zhuǎn)變,造成蒙古包逐漸被固定的民居所取代的現(xiàn)象。蒙古包是蒙古族民族文化的象征,在草原上逐漸減少,所以保持蒙古包的活力已成為一個至關(guān)重要的問題。蒙古包逐漸減少的原因之一是冬季采暖無法滿足居住要求。而毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)是一種具有舒適度高、節(jié)能、蓄熱能力強和節(jié)省空間等特點的新型低溫輻射供暖形式,因此無論是從系統(tǒng)的舒適性還是節(jié)能上考慮,毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)都有巨大的潛力應(yīng)用于蒙古包[1]。Zhao等[2]通過實驗表明,毛細(xì)管輻射加熱可以采用較低的水溫去創(chuàng)造良好的熱舒適環(huán)境。許登科等[3]主要研究在中國中部淮南地區(qū)的冬季太陽能毛細(xì)管低溫供暖系統(tǒng)的適用性,并對其進行了試驗研究和理論分析。陳金華等[4-5]針對重慶地區(qū)冬季供暖問題,研究了毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)在35 ℃供水工況下毛細(xì)管網(wǎng)頂棚、墻面、地面3種敷設(shè)方式的室內(nèi)空氣溫度、圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度等參數(shù),并以空氣源熱泵+毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射供暖系統(tǒng)為對象建立實驗系統(tǒng),研究不同供水工況毛細(xì)管網(wǎng)地板輻射供暖。Li等[6]研究了一種集太陽能、毛細(xì)管網(wǎng)和相變儲能技術(shù)于一體的綜合供熱系統(tǒng),可以提供更好的熱舒適性。Liu等[7]建立了太陽能采暖系統(tǒng)(太陽能平板集熱器+蓄熱罐+毛細(xì)管輻射地板),通過對毛細(xì)輻射地板綜合采暖能力和蓄熱能力的理論分析,揭示了動態(tài)熱環(huán)境的形成機理。馮國會等[8]通過實驗得出毛細(xì)管網(wǎng)輻射供暖系統(tǒng)與太陽能相結(jié)合經(jīng)濟成本節(jié)約9%。傅允準(zhǔn)等[9]通過研究得出毛細(xì)管輻射板供熱能力較強、毛細(xì)管輻射采暖時室內(nèi)溫度相應(yīng)較快、室內(nèi)溫度場分布均勻性較好的結(jié)論。Liu等[10]采用數(shù)值模擬的方法,研究了地鐵隧道毛細(xì)管的傳熱特性,同時通過實驗測試驗證了模擬值的正確性。閆亞鑫等[11]提出相變蓄熱型Trombe墻應(yīng)用于寒冷地區(qū)氣候條件下的冬季輔助供熱系統(tǒng),對其供熱性能開展了實驗測試研究。李明等[12]通過研究表明基于毛細(xì)管網(wǎng)的日光溫室的集放熱性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)保溫蓄熱后墻。王文新等[13]研究了室外空氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向和太陽輻射耦合作用對供暖期傳統(tǒng)蒙古包建筑外表面對流換熱的影響。以上研究大多數(shù)是毛細(xì)管網(wǎng)應(yīng)用于針對混凝土壁面進行實驗與模擬的研究,對于蒙古包建筑的研究暫未見相關(guān)報道。

        以呼和浩特市某傳統(tǒng)蒙古包為實驗對象,首先對有熱源和無熱源兩種狀況下蒙古包內(nèi)熱環(huán)境進行測試,得到傳統(tǒng)供暖方式下蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀;然后采用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模擬不同敷設(shè)位置的毛細(xì)管網(wǎng)席(以毛細(xì)管網(wǎng)為散熱末端的熱水采暖系統(tǒng))對蒙古包內(nèi)熱環(huán)境的影響,找到幾種敷設(shè)工況下最適于傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席的位置,以改善傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀的不足。繼而結(jié)合草原牧區(qū)豐富的風(fēng)資源或太陽能資源,不僅在環(huán)境保護、節(jié)能還是降低牧民支出上都具有實際性意義。

        1 傳統(tǒng)蒙古包的實測分析

        研究蒙古包(結(jié)合牧區(qū)常見的傳統(tǒng)蒙古包形式以及常用的建筑材料建造,如圍護結(jié)構(gòu)為兩層毛氈、毛氈的外層覆蓋著防水帆布。)位于呼和浩特市某空曠草地上,周邊環(huán)境與牧區(qū)實際傳統(tǒng)蒙古包環(huán)境接近。蒙古包建筑面積約為19.625 m2,坐北朝南,建筑高度為2.75 m,直徑為2.5 m。對傳統(tǒng)蒙古包冬季室內(nèi)熱環(huán)境進行測試,測試所需要的實驗儀器主要有RC-4HC 溫濕度記錄儀、紅外熱成像儀以及熱線風(fēng)速儀??紤]到呼和浩特市為典型的大陸氣候特征,冬季嚴(yán)寒,夏季適宜居住,因此選取最冷月的1月9—31日,對實驗蒙古包內(nèi)外的溫濕度、室外風(fēng)速等進行測試,選取4月13—25日測試蒙古包內(nèi)垂直溫度分布情況。

        測點布置根據(jù)《建筑熱環(huán)境測試方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 347—2014)[14]于2018年1月和4月分別對蒙古包進行測試,其中2018年1月蒙古包室內(nèi)溫度在高1.1 m處水平方向的布點如圖1(a)所示,4月在考慮水平方向上溫度均勻性的同時,考慮垂直方向[高0.1 m(22、13、35、36、34)、高0.6 m(38、32、33、39、16)、高1.1 m(20、37、24、21、4)]上的溫度分布進行布點,布點如圖1(b)所示。

        圖1 現(xiàn)場測試布點圖Fig.1 Field test layout

        2 實驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

        主要從室外溫度、濕度以及風(fēng)速,室內(nèi)溫度、濕度垂直方向溫差等方面研究傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)狀。

        2.1 室內(nèi)外溫、濕度結(jié)果分析

        如圖2所示,可以看出當(dāng)室外溫度變化較大時,室內(nèi)溫度曲線相對平整。這是由于蒙古包的圍護結(jié)構(gòu)、氈層和地面具有一定的保溫和蓄熱能力,室外短期溫度波動對室內(nèi)溫度影響不大。

        實驗于2018年1月18日加入熱源(充油散熱器、標(biāo)稱電壓220 V、額定功率1 600 W、額定頻率50 Hz)對傳統(tǒng)蒙古包預(yù)熱處理。選擇預(yù)報24、25日晴天日,也就是1月24日9:30開啟散熱器到1月25日22:00關(guān)閉散熱器,供暖期間室內(nèi)溫度分布如圖3所示。由圖3可知,蒙古包內(nèi)晝夜溫差大,當(dāng)室外晝夜溫差為25 ℃左右時,室內(nèi)的晝夜溫差為17 ℃左右,這是由于蒙古包70%的材料都是毛氈。根據(jù)文獻[15],對于兩層的傳統(tǒng)蒙古包,毛氈的導(dǎo)熱系數(shù)為0.076 6 W/(m·K),相對于聚苯乙烯膨脹板,毛氈具有良好的保溫性能,但由于兩層毛氈的厚度僅為18 mm,致使其蓄熱性能差。根據(jù)文獻[16],蒙古包圍護結(jié)構(gòu)的綜合熱慣性指標(biāo)小于1.6,低于實心墻。蒙古包毛氈的低熱慣性、大熱阻等特點說明毛氈具有很好的保溫絕熱性,但蓄熱性較低使蒙古包內(nèi)熱環(huán)境差,也是導(dǎo)致蒙古包逐漸被淘汰的原因之一。

        圖2 1月室內(nèi)外溫度和濕度變化Fig.2 Temperature and humidity changes inside and outside in January

        圖3 供暖期間室內(nèi)溫度分布Fig.3 Distribution of indoor temperature during heating

        如圖4所示,同一水平面室內(nèi)溫、濕度變化的總體趨勢是相似的,蒙古包內(nèi)在不供暖情況下,與室內(nèi)外溫差在5 ℃之內(nèi),濕度處于15%~50%。測試期間多為晴天,未碰到陰雨天,這是實驗的不足之處。但根據(jù)文獻[17],當(dāng)雨天室外濕度較高時,如2017年9月25日,室內(nèi)平均濕度水平比室外低20.4%。對傳統(tǒng)蒙古包接近壁面的測點(7、12、15、27),發(fā)現(xiàn)南側(cè)的濕度最低,北側(cè)的濕度最高,而東側(cè)與西側(cè)的濕度與室內(nèi)濕度分布接近。其原因是此傳統(tǒng)蒙古包坐南朝北,南側(cè)為門,門為木質(zhì)材料,且門外無圍布(防水帆布),門經(jīng)長期的風(fēng)吹日曬,且測試期間晴天居多,致使門處的濕度最低。北側(cè)濕度最高是因為此傳統(tǒng)蒙古包無人居住,蒙古包外側(cè)的圍布又有抗風(fēng)作用。

        圖4 1月份室內(nèi)溫度濕度分布Fig.4 Distribution of indoor temperature and humidity in January

        整體來看,傳統(tǒng)蒙古包在不供暖的情況下,室內(nèi)外溫差在5 ℃左右,但平均溫度均在0 ℃以下。在利用散熱器供暖的情況下,室內(nèi)外溫度差在20 ℃左右,但最高溫度僅在10 ℃左右,達不到冬季室內(nèi)溫度規(guī)范要求。而傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)的濕度在45%左右,規(guī)范規(guī)定的呼和浩特室內(nèi)舒適標(biāo)注濕度為58%。傳統(tǒng)蒙古包室內(nèi)溫、濕度與人們對舒適度要求越來越背道而馳。

        2.2 室外風(fēng)速結(jié)果分析

        在熱線風(fēng)速儀布點測量前,連續(xù)一周觀測蒙古包套腦與豎向維護結(jié)構(gòu)連接處的裝飾絲帶飄向,發(fā)現(xiàn)與呼和浩特市主風(fēng)向(西北風(fēng))相同,未受到其他建筑物干擾。因此將熱線風(fēng)速儀布置在此,傳統(tǒng)蒙古包西北方向距離地面高1.2 m并離蒙古包0.3 m處。如圖5所示為2018年1月24—1月25日連續(xù)30 h的室外風(fēng)速分布圖,可以看出,距離傳統(tǒng)蒙古包0.3 m處的平均風(fēng)速為0.2 m/s。根據(jù)文獻[18],在采暖、通風(fēng)和空調(diào)民用建筑中,經(jīng)常關(guān)閉門窗且門窗的密封性很好,只能通過門窗上很小的縫隙滲透通風(fēng)。

        圖5 室外風(fēng)速逐時分布Fig.5 Hourly distribution of outdoor wind speed

        2.3 傳統(tǒng)蒙古包垂直方向溫度結(jié)果分析

        在《舒適熱環(huán)境條件——表明熱舒適程度的PMV和PPD指標(biāo)》(ISO 7730)標(biāo)準(zhǔn)中要求:從0.1 m高度到1.1 m之間的垂直溫度差不應(yīng)該超過3 ℃。在美國采暖制冷空調(diào)工程師協(xié)會(ASHRAE)中提出更為嚴(yán)格的要求:從高度0.1~1.8 m之間的垂直溫差不應(yīng)超過3 ℃。因此測試分別在距離地面0.1、0.6、1.1 m高度處布點,分析傳統(tǒng)蒙古包垂直方向的溫度差。

        室內(nèi)垂直方向溫度分布如圖6所示,可以看出,1.1 m與0.6 m處的溫差接近0 ℃,少量時間段的溫差為2 ℃。但是0.1 m與0.6 m之間的溫度差為8 ℃左右。這主要是由于此蒙古包無人居住,長期處于封閉狀態(tài),底部門窗縫隙大,蒙古包內(nèi)部地面沒有進行細(xì)處理地面水汽分壓對室內(nèi)溫度的影響,從而造成接近地面處的溫度相對較低,使得蒙古包垂直方向溫差不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        針對此傳統(tǒng)蒙古包現(xiàn)存的不足,現(xiàn)利用最理想的散熱末端——毛細(xì)管網(wǎng)輻射末端敷設(shè)在蒙古包內(nèi),并利用CFD進行模擬,對敷設(shè)有毛細(xì)管網(wǎng)席的蒙古包進行室內(nèi)溫度場的模擬。找到最適宜蒙古包冬季供暖的毛細(xì)管網(wǎng)席的敷設(shè)范圍,提高傳統(tǒng)蒙古包的利用率,在一定程度上減少煤爐的使用,使蒙古包室內(nèi)熱環(huán)境更加舒適。

        圖6 垂直溫度分布Fig.6 Vertical temperature distribution

        3 毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)介紹以及模型的建立

        3.1 毛細(xì)管網(wǎng)工作原理

        如將毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)類比于人體內(nèi)的仿生系統(tǒng),毛細(xì)管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)可比作人體的血液循環(huán)系統(tǒng)。假如毛細(xì)管網(wǎng)是人體的血液系統(tǒng),供回水主干管就是動脈和靜脈血管,機組就是心臟,系統(tǒng)運行時,毛細(xì)管網(wǎng)與周圍物體、環(huán)境有效地進行熱交換。這就是毛細(xì)管網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)房間溫度的原理。

        采用的毛細(xì)管網(wǎng)規(guī)格為1 000 mm×2 500 mm,管徑4~4.8 mm,間距20 mm,共30個U形回路,并用20 mm的塑料作為集管。按毛細(xì)管網(wǎng)與建筑物的結(jié)合方式可分為:整體式、貼附式和懸掛式,考慮到蒙古包豎向維護結(jié)構(gòu)為圓形柳條組合,蒙古包墻壁敷設(shè)易采用懸掛式,地面敷設(shè)采用整體式。

        3.2 毛細(xì)管網(wǎng)墻壁表面與房間的換熱分析

        在對流供暖系統(tǒng)中,衡量與評價供暖效果的標(biāo)準(zhǔn),通常是室內(nèi)空氣的干球溫度。在輻射供暖系統(tǒng)時,輻射傳熱和對流傳熱交織在一起,所以在確定輻射供暖表面有效換熱面積q0是由輻射換熱qr和對流換熱qc組成[19],即

        q0=qr+qc=5×10-8[(tp+273)4-

        (AUST+273)4]+1.78(tp-ta)1.32

        (1)

        式(1)中:tp為輻射板表面平均溫度,℃;AUST為非供熱表面加權(quán)平均溫度,℃;ta為室內(nèi)設(shè)計溫度。

        3.3 傳統(tǒng)蒙古包物理模型

        蒙古包模型如圖7所示,尺寸如表1所示。該建筑為木架結(jié)構(gòu),豎向圍護結(jié)構(gòu)由柳條木以及毛氈(哈那)組成,傳熱系數(shù)為1.3 W/(m2·K),外窗為單層玻璃,其傳熱系數(shù)約為6.4 W/(m2·K),戶門為普通木門,其傳熱系數(shù)約為1.5 W/(m2·K),窗墻比為0.015。而根據(jù)權(quán)威部門測試結(jié)果和大量工程實踐,間距為20 mm毛細(xì)管網(wǎng)。每平方米、每1 ℃溫差(溫差=供回水平均溫度-室溫)散熱能力為10 W/℃。利用EnergyPlus對直徑為5 m的蒙古包的能耗進行模擬得到:總的熱負(fù)荷為1 555.28 W。毛細(xì)管網(wǎng)的供/回水溫度為35/30 ℃,室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃。每平方米毛細(xì)管網(wǎng)的散熱散冷量是根據(jù)國家空調(diào)所實測數(shù)據(jù)并考慮到損耗系數(shù)規(guī)定的,表面覆蓋因素為80%,則毛細(xì)管網(wǎng)的散熱能力為197.5 W/m2。毛細(xì)管網(wǎng)在蒙古包中的安裝面積為9.97 m2,敷設(shè)4張,規(guī)格為1 000 mm×2 500 mm。在其余條件相同的情況下,將毛細(xì)管網(wǎng)席分四種位置工況(如表2所示)敷設(shè)在蒙古包內(nèi)。蒙古包敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席的位置如圖8所示。

        圖7 蒙古包模型Fig.7 Mongolian yurt model

        圖8 毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)位置Fig.8 Placement of capillary mat

        表1 蒙古包模型尺寸Table 1 Dimensions of mongolian gel model

        表2 毛細(xì)管席四種敷設(shè)工況

        3.4 邊界條件的設(shè)置

        以呼和浩特市氣象條件為背景,利用EnergyPlus對直徑為5 m的蒙古包模擬供水/回水溫度為35 ℃/30 ℃,豎向圍護結(jié)構(gòu)敷設(shè)熱表面的溫度為29 ℃,而地面構(gòu)造層相對于豎向圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造層厚,所以地面敷設(shè)熱表面溫度為30 ℃。繼而利用Fluent模擬毛細(xì)管網(wǎng)席表面溫度經(jīng)過導(dǎo)熱到地表面以及墻體表面的溫度分別為27 ℃和26.85 ℃。實際居住的蒙古包內(nèi)環(huán)境會受通風(fēng)的影響,但模擬研究的對象為密閉情況下的蒙古包,所以模擬結(jié)果與實際情況略有差距。根據(jù)紅外成像儀測試蒙古包,如圖9所示,可以得出冬季的蒙古包主要的進風(fēng)口為門窗縫隙處,出風(fēng)口為天窗縫隙處。因此以門窗縫隙為進風(fēng)口,以天窗周圍縫隙為出風(fēng)口進行模擬。

        圖9 門窗縫隙處的熱成像圖Fig.9 Thermal image of door and window gap

        3.5 控制方程的選擇

        由于毛細(xì)管網(wǎng)末端采暖系統(tǒng)主要以輻射和對流的方式進行熱量的交換。這是一種湍流流動的復(fù)合換熱,因此整個模擬過程中主要選用RNGk-ε模型的湍流方程和適用性普遍的離散坐標(biāo)(DO)輻射模型。Xu等[17]通過對蒙古包進行大量實驗得出:影響毛氈壁面溫度的主要因素是太陽輻射。因此在整個模擬過程中首先進行太陽追蹤的設(shè)置,當(dāng)殘差曲線達到要求后,進行室內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)席輻射的DO敷設(shè)模型模擬,均達到殘差設(shè)計要求。

        4 模擬結(jié)果分析

        根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730中測量點的要求,本文模擬結(jié)果在距地面0.1、0.6、1.1 m分別截取溫度、風(fēng)速等云圖。并對比分析蒙古包內(nèi)人員活動區(qū)的平均溫度、水平方向溫度的均勻性和垂直溫差是否在3 ℃以內(nèi)。

        4.1 四種敷設(shè)位置工況下溫度云圖的對比分析

        如圖10所示為四種模擬工況:毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在地面以及毛細(xì)管網(wǎng)距地0、0.3、0.5 m豎向敷設(shè)的溫度云圖。

        從圖10可以看出,由于蒙古包特殊的建筑造型,使得毛細(xì)管網(wǎng)席在蒙古包中采用圓形敷設(shè)形式,此敷設(shè)形式減少了由于敷設(shè)不均勻性造成的室內(nèi)水平溫度分布的不均勻性。因此對于建筑層高相對較小且敷設(shè)供暖末端的圓形建筑,當(dāng)室內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)時,室內(nèi)溫度分布均勻,適宜人們居住。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在蒙古包豎向維護結(jié)構(gòu)時,隨著敷設(shè)高度的增加,0.1 m測點水平面上局部低溫由有到無。當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)席輻射在地板時,無局部溫度存在。出現(xiàn)此現(xiàn)象是因在地板輻射采暖中,地板向屋頂墻壁的輻射熱量,比墻壁輻射給地面屋頂熱量多,這是由于地板、墻壁輻射材料不同以至非輻射面的發(fā)射率、角系數(shù)不同。在室內(nèi)氣流組織相同的情況下,室內(nèi)溫度場的分布受毛細(xì)管網(wǎng)敷設(shè)位置的影響,毛細(xì)管網(wǎng)席輻射在地板時,室內(nèi)溫度分布最均勻,毛細(xì)管網(wǎng)席敷設(shè)在豎向維護結(jié)構(gòu)的位置雖然對蒙古包內(nèi)溫度場的均勻性影響不大,但敷設(shè)在0.3 m處相對于0.1 m與0.5 m處略差。

        Z為主毛細(xì)管網(wǎng)豎向敷設(shè)位置(高度);Z1~Z3為 模擬模型取云圖的高度圖10 四種敷設(shè)工況下的溫度云圖Fig.10 Temperature nephogram under four laying conditions

        為進一步分析此工況下室內(nèi)水平方向溫度的均勻性,室內(nèi)人員活動區(qū)的平均溫度以及垂直溫差是否滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO7730的要求,在水平方向上取13個點(為人員主要活動的區(qū)域)如圖11所示,并取13個點垂直方向0~1.5 m同時觀察室內(nèi)水平方向溫度的均勻性、室內(nèi)人員活動區(qū)的平均溫度以及垂直溫差。

        圖11 水平方向13點位置圖Fig.11 Horizontal 13 point position map

        如圖12所示,整體分析得到,四種敷設(shè)工況下0~0.3 m內(nèi)的溫度梯度變化范圍為6~8 ℃,這是因為毛細(xì)管網(wǎng)散熱末端主要以對流和輻射的方式進行熱量交換,這樣在對流場的溫度場中也存在一個溫度邊界層,該層很薄,且其中溫度梯度很大。

        圖12 不同工況下13個點垂直方向0~1.5 m處的 溫度點線圖Fig.12 Temperature point line at 0~1.5 m in vertical direction of 13 points under different working conditions

        同時可以看出四種敷設(shè)工況下,垂直于X軸點垂直方向0.1~1.5 m處溫度分布于15~20 ℃,垂直于Y軸點垂直方向0.1~1.5 m處溫度在16 ℃以上,這是由于蒙古包內(nèi)毛細(xì)管網(wǎng)席距門兩側(cè)一定距離對稱敷設(shè),而室外風(fēng)主要是通過門窗縫隙滲透通風(fēng),此小開口滲透通風(fēng)的特點是:在開口的截面上風(fēng)速分布均勻,且在很短的時間內(nèi),整個開口處的風(fēng)向是一致的。這種小開口滲透通風(fēng)的現(xiàn)象使得溫度呈現(xiàn)出室內(nèi)人員活動區(qū)垂直于X軸方向的溫度在16 ℃左右,垂直于Y軸方向的溫度在16 ℃以上。繼而從圖12中可以看出,豎直方向敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席在0.1 m處人的腳踝處,蒙古包內(nèi)的溫度在15 ℃不滿足規(guī)范要求,而對于地面敷設(shè),0.1~1.5 m蒙古包內(nèi)溫度均在17 ℃以上,造成這種現(xiàn)象的原因除了與輻射角系數(shù)、發(fā)射率有關(guān)外,還與地面與墻體結(jié)構(gòu)表層材料的傳熱系數(shù)有關(guān)。但四種敷設(shè)工況0.1~1.1 m的垂直溫差均在3 ℃以內(nèi)。

        4.2 蒙古包風(fēng)速云圖分析

        四種模擬工況的室內(nèi)氣流組織大致相同,模擬的送風(fēng)口與出風(fēng)口相同。地面敷設(shè)以及距地0.5 m處敷設(shè)的風(fēng)速云圖如圖13所示。因此選取該圖作為參考,可以看出蒙古包內(nèi)人員活動區(qū)域的風(fēng)速在0.1 m/s以下,無吹風(fēng)感。

        Z為主毛細(xì)管網(wǎng)豎向敷設(shè)位置(高度);Z1~Z3為 模擬模型取云圖的高度圖13 風(fēng)速云圖Fig.13 Wind velocity nephogram

        綜合考慮室內(nèi)水平方向的平均溫度、室內(nèi)人員活動區(qū)的平均溫度、豎直方向的溫度差、吹風(fēng)感等,四種敷設(shè)方式下只有敷設(shè)在地板時滿足相關(guān)規(guī)范的要求。對于濕度的控制,可以選擇溫、濕度獨立控制的理念,來保證蒙古包內(nèi)溫、濕度比的隨時調(diào)整。而根據(jù)牧民的生活習(xí)性,牧民在蒙古包內(nèi)通常盤腿坐在墊子或者用草編織的床上,墊子與床的高度大約在0.3 m,按照這種生活習(xí)性,牧民可以根據(jù)自己的期望溫度來選擇合適的安裝位置。

        5 總結(jié)

        針對前期現(xiàn)場實測分析發(fā)現(xiàn)的蒙古包這一傳統(tǒng)民居的熱缺陷,嘗試用毛細(xì)管網(wǎng)輻射散熱末端來提升蒙古包內(nèi)熱環(huán)境品質(zhì)。采用CFD模擬軟件對不同敷設(shè)位置、溫度場、風(fēng)速場等指標(biāo)進行分析得出如下結(jié)論。

        (1)對于類似蒙古包的建筑,采用地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)這一輻射供暖形式時,蒙古包內(nèi)熱環(huán)境各項指標(biāo)符合規(guī)范要求,整個室內(nèi)空間垂直、水平方向溫度分布較為均勻,與傳統(tǒng)的點熱源相比,室內(nèi)人員主要活動區(qū)域熱舒適度得到明顯提升。

        (2)對毛細(xì)管網(wǎng)在蒙古包內(nèi)的不同敷設(shè)位置進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明,最佳的敷設(shè)位置為地面,其次為豎向敷設(shè),敷設(shè)高度為Z=0.3 m,當(dāng)Z=0 m、Z=0.5 m時熱舒適度和溫度均勻性較差,不建議在此位置敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)席。

        在相同供回水溫度下,地面敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng)的末端溫度要高于豎向圍護結(jié)構(gòu)敷設(shè)毛細(xì)管網(wǎng),建議根據(jù)用戶熱需求和具體敷設(shè)形式適當(dāng)調(diào)整供回水溫度達到節(jié)能目的。

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