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        新型通水式輻射地板采暖設(shè)計方法

        2020-07-09 07:45:08邱文路張志剛劉學(xué)禮
        天津城建大學(xué)學(xué)報 2020年3期
        關(guān)鍵詞:散熱量通水連接件

        邱文路,張志剛,劉學(xué)禮

        (1.天津城建大學(xué),天津300384;2.天津正佑林實業(yè)有限公司,天津300000)

        近年來,隨著能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化,可再生能源在建筑采暖領(lǐng)域中的應(yīng)用備受關(guān)注[1-5].然而,可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生的低溫水往往不能滿足現(xiàn)行采暖系統(tǒng)所需的最低供水溫度[6-11].通水地板系統(tǒng)所需的供水溫度低,可以充分地利用低溫水達(dá)到規(guī)范要求的室內(nèi)供暖效果[12].

        通水地板目前有8 孔和12 孔兩種規(guī)格,可以將單板、雙板或三板等并聯(lián)組成水道,通過基板內(nèi)的水流循環(huán)向房間內(nèi)輻射散熱.相對于傳統(tǒng)盤管式輻射地板,通水地板傳熱熱阻小,熱響應(yīng)快.基板下部的保溫板,可有效地阻止向下的傳熱,同時起到隔音降噪的作用.

        通水地板系統(tǒng)的研究尚處于初級階段,在工程應(yīng)用中還缺少相關(guān)的設(shè)計參數(shù)[13].本文對通水地板的試驗測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,探究其熱工特性和阻力特性,得出了通水地板工程設(shè)計中所需的單位面積的散熱量、局部阻力系數(shù)及比摩阻計算式,并總結(jié)出通水地板的設(shè)計方法,為通水地板的推廣使用提供技術(shù)支持.

        1 通水地板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        通水地板主要由卡扣式可換面層、通水基板、擠塑保溫板、連接管、異型螺母、水連接件等構(gòu)成,如圖1所示.表1 為通水地板的結(jié)構(gòu)參數(shù).

        圖1 通水地板實物

        2 通水地板熱工性能測試

        通水地板熱工性能測試試驗臺依據(jù)散熱器性能測試標(biāo)準(zhǔn)建造.該試驗臺以3.2 m×3.2 m× 2.4 m,壁面外為厚500 mm 的循環(huán)空氣夾層的封閉小室為基準(zhǔn),通過空調(diào)機(jī)組的循環(huán)風(fēng)抵償密閉小室中被測試末端散出的熱量,維持小室內(nèi)溫度達(dá)到測試要求.實驗平臺系統(tǒng)流程如圖2 所示.

        表1 通水地板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

        圖2 熱工性能實驗系統(tǒng)

        設(shè)定供水溫度分別為30,35,40 ℃,供回水溫差控制在3~10 ℃之間;由于連接管流量的限制,組合方式主要為三組并聯(lián)走水、兩組并聯(lián)走水和一組走水. 根據(jù)地面輻射技術(shù)規(guī)程[14]要求,加熱管的最小比摩阻為100 Pa/m 左右.經(jīng)測定,8 孔單板通水地板在通水流速為0.05 m/s,即流量為60 kg/h 時,比摩阻為107 Pa/m.因此,本文將60 kg/h 設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)流量.

        熱工性能測試的參數(shù)主要包括供水溫度、回水溫度、室內(nèi)溫度、供水流量等.在此基礎(chǔ)上計算出各工況下通水地板單位面積的散熱量,計算公式為

        式中:q為地板單位面積的散熱量,W/m2;C為水的熱容量,J/kg·℃,在常用供水溫度為30~40 ℃時,C=4 174 J/kg·℃;G為通水流量,kg/h;tg為系統(tǒng)的供水溫度,℃;th為系統(tǒng)的回水溫度,℃,供回水溫差取5~10 ℃;F為地板的面積,m2,本次實驗地板面積為10 m2.

        由于室內(nèi)熱環(huán)境相對穩(wěn)定,且通水地板中水流速度較快,因此本文認(rèn)為通水地板水流溫度自供水至回水呈線性變化,取通水地板的供回水溫度的算術(shù)平均值tgh作為通水地板水流的平均溫度.為了研究通水地板的熱工性能,本文定義通水地板的傳熱溫差Δtp,其計算公式為

        式中:ts為室內(nèi)的溫度,℃.

        通水地板單位面積的散熱量計算結(jié)果見表2、表3.

        根據(jù)表2、表3 的測試數(shù)據(jù),擬合得出8 孔和12孔通水地板單位面積的散熱量q與傳熱溫差Δtp的關(guān)系,如圖3、圖4 所示. 其中,8 孔通水地板單位面積的散熱量q1與傳熱溫差Δtp的關(guān)系為:當(dāng)通水流量G= 60 kg/h 時,q1= 2.957 3(Δtp)1.1911;當(dāng)通水流量G= 80 kg/h 時,q1= 3.367(Δtp)1.1911;當(dāng)通水流量G=100 kg/h 時,q1=3.580 4(Δtp)1.1911.12 孔通水地板單位面積的散熱量q2與傳熱溫差Δtp的關(guān)系為:當(dāng)通水流量G= 60 kg/h 時,q2= 3.646 4(Δtp)1.0976;當(dāng)通水流量G= 80 kg/h 時,q2=4.285 5(Δtp)1.077;當(dāng)通水流量G=100 kg/h 時,q2=4.428 4(Δtp)1.1046.

        表2 8 孔地板的熱工性能

        表3 12 孔地板的熱工性能

        圖3 8 孔地板單位面積散熱量與平均溫差的關(guān)系

        圖4 12 孔地板單位面積散熱量與平均溫差的關(guān)系

        通水地板在相同傳熱溫差下,其散熱量與流量大小有關(guān),為簡化設(shè)計計算,引入流量修正系數(shù)β,根據(jù)測試數(shù)據(jù)得出不同流量下的修正系數(shù)見表4.于是,通水地板單位面積的散熱量q與平均溫差Δtp的關(guān)系可表示為

        式中:q1為8 孔地板單位面積散熱量,W/m2;q2為12孔地板單位面積散熱量,W/m2;β 為通水地板的流量修正系數(shù).

        為了簡化流量修正系數(shù)的描述,本文定義相對流量α.它表示計算單板流量與標(biāo)準(zhǔn)單板流量(60 kg/h)的比值,即相對流量α 的計算公式為

        式中:Gs為設(shè)計工況下通水地板的計算單板流量,kg/h.

        地板通水流量的修正系數(shù)如表4 所示.

        表4 地板通水流量的修正系數(shù)β

        3 通水地板系統(tǒng)的水力特性

        3.1 通水地板阻力測試實驗

        阻力測試實驗中以單條通水地板阻力測試為例,通水地板進(jìn)出口分別與供回水管相接,組成一個循環(huán)回路.測試時,利用U 型壓力計測得進(jìn)出口壓降,即為單條通水板的總阻力損失.實驗系統(tǒng)如圖5 所示.

        圖5 測試系統(tǒng)示意

        3.2 通水地板系統(tǒng)的沿程阻力

        通水地板的阻力測試結(jié)果如圖6 所示.

        圖6 不同長度地板總阻力與流速平方的關(guān)系

        對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可得出通水地板比摩阻隨流速的變化關(guān)系,8 孔地板的比摩阻R8及12 孔地板的比摩阻R12擬合公式如公式(6)、(7)所示.將連接管直接連接至系統(tǒng)供回水處,同法整理得出連接管的比摩阻RL隨流速的變化關(guān)系,見公式(8)

        式中:R8為8 孔地板的比摩阻,Pa/m;R12為12 孔地板的比摩阻,Pa/m;RL為連接管的比摩阻,Pa/m;v為通水地板孔內(nèi)的水流速度,m/s.

        3.3 通水地板系統(tǒng)的局部阻力

        通水地板系統(tǒng)的總阻力除了地板、連接管的沿程阻力外,還包括水連接件的局部阻力.根據(jù)地板在組合方式中的位置,將水連接件的局部阻力分為“彎頭”(其局部阻力系數(shù)表示為ξL)和“三通”(其局部阻力系數(shù)分別表示為ξT1與ξT2)兩種形式,如圖7 所示.

        圖7 局部阻力系數(shù)示意

        由局部阻力的計算公式,可得出局部阻力系數(shù)的計算式為

        式中:ξ 為局部阻力系數(shù);pj為局部阻力損失,Pa;ρ 為流體密度,kg/m3;v為流體流速,m/s.

        彎頭的局部阻力系數(shù)測試結(jié)果見表5.

        表5 水連接件局部阻力系數(shù)

        考慮到系統(tǒng)常用流量、流速范圍,推薦通水地板的水連接件“彎頭”局部阻力系數(shù)ξL為10.0.同法測得通水地板的“三通”局部阻力系數(shù)ξT1為7,ξT2為8.

        4 工程設(shè)計方法

        4.1 通水地板的設(shè)計原則

        (1)民用建筑供水溫度宜采用30~35 ℃,供回水溫差不宜大于10 ℃[8].

        (2)考慮到裝修的要求,通水地板一般為滿鋪,為防止房間過熱,可采用部分通道通水的方法.

        (3)在設(shè)計組合方式時,應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu),系統(tǒng)允許的壓頭損失等情況選擇,從散熱強(qiáng)度的角度考慮,8孔雙板并聯(lián)為最優(yōu)組合.

        (4)通水地板供暖系統(tǒng)的工作壓力,不應(yīng)大于0.8 MPa.

        (5)房間面積較大時,為控制阻力,可分為多環(huán)路供熱;連接在同一分水器、集水器上的各環(huán)路,其地板的長度宜接近[8].

        (6)房間的熱負(fù)荷應(yīng)該按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GB50736—2016)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算,其中鋪設(shè)通水地板的房間不計算地面的傳熱損失.

        4.2 通水地板的采暖設(shè)計步驟

        4.2.1 通水地板組合方式的確定

        根據(jù)房間的熱負(fù)荷與供、回水溫度及室內(nèi)設(shè)計溫度,參考表2 與表3 中通水地板在不同工況下的散熱強(qiáng)度確定通水地板的組合方式:選擇8 孔地板或者12孔地板、確定并聯(lián)板數(shù).

        4.2.2 設(shè)計流量的確定

        設(shè)計流量與房間負(fù)荷及供回水溫差有關(guān),計算公式如下

        式中:GZ為設(shè)計流量,kg/h;其他符號釋義同上.由設(shè)計流量及通水地板的組合方式,確定單板流量GS.

        4.3.3 通水地板散熱量的校核

        依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計供、回水溫度,室內(nèi)設(shè)計溫度,得出地板的傳熱溫差,代入公式(3)或公式(4)計算得出地板實際的散熱量Q′.若Q′<Q,即地板的實際散熱量達(dá)不到房間熱負(fù)荷要求,回到4.2.1 進(jìn)行方式的確定,重新選擇組合方式,重點考慮改變并聯(lián)板數(shù). 若Q′>Q,即地板的實際散熱量超過房間熱負(fù)荷使得房間過熱,則通水地板系統(tǒng)的實際回水溫度為式中:th′為系統(tǒng)實際回水溫度,℃;Q′為系統(tǒng)實際的散熱量,W.

        若地板實際的供回水溫差在5~10 ℃范圍內(nèi),即滿足要求,也可適度地降低通水流量,調(diào)節(jié)供水流量的范圍為5%;若地板實際的供回水溫差大于10 ℃,則重新選擇組合方式.

        4.2.4 通水地板系統(tǒng)水力計算

        通水地板系統(tǒng)的總阻力包括最不利環(huán)路中地板、連接管的沿程阻力、連接管的局部阻力和水連接件的局部阻力.地板系統(tǒng)各部分阻力的計算公式總結(jié)如下.

        (1)地板沿程阻力的計算. 8、12 孔地板的比摩阻按公式(6)、(7)計算,該比摩阻與地板長度的乘積為輻射地板采暖系統(tǒng)中地板的沿程阻力損失.

        (2)連接管沿程阻力計算. 連接管的比摩阻按公式(8)計算,該比摩阻與連接管長度的乘積為輻射地板采暖系統(tǒng)中連接管的沿程阻力損失.

        (3)連接管局部阻力計算. 連接管局部阻力按照《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》(JGJ-142—2016)規(guī)定進(jìn)行計算.

        (4)水連接件局部阻力計算. 水連接件的局部阻力依據(jù)通水連接件的局部阻力系數(shù)進(jìn)行計算.

        (5)系統(tǒng)的總阻力. 通水地板系統(tǒng)的總阻力為最不利環(huán)路中地板沿程阻力、連接管沿程阻力、水連接件的局部阻力以及連接管局部阻力的總和.

        4.3 案例設(shè)計

        案例房間的開間與進(jìn)深分別是3.8 m 和6 m,房間面積為22.8 m2,熱負(fù)荷為1 140 W,系統(tǒng)的供水溫度為32 ℃,供回水溫差為5 ℃,室內(nèi)設(shè)計溫度為18 ℃.該房間通水地板的采暖設(shè)計過程如下.

        4.3.1 地板組合方式的初選

        根據(jù)房間面積和熱負(fù)荷的具體情況,該房間采用8 孔通水地板.房間開間為3.8 m,共可放置19 塊通水地板,可采用雙板并聯(lián)走水(共9 個行程)、3 板并聯(lián)走水(共6 個行程)、4 板并聯(lián)走水(共5 個行程).各方案地板鋪設(shè)形式如圖8 所示.

        4.3.2 供水流量的確定

        根據(jù)房間的設(shè)計負(fù)荷及供回水溫差,代入公式(10),初步確定設(shè)計流量為196.6 kg/h.若選擇雙板并聯(lián)走水,則每板中流量為98.3 kg/h.由于行程較多,系統(tǒng)總阻力較大,并且供回水溫差較大,室內(nèi)均溫性較差;若選擇三板并聯(lián)走水,每板中流量為65.5 kg/h,接近于標(biāo)準(zhǔn)流量;若選擇四板并聯(lián)走水,雖行程較少,供回水溫差較小,室內(nèi)溫度分布均勻,但每板中流量為49.15 kg/h,低于標(biāo)準(zhǔn)流量,不滿足流速要求.因此,初步確定采用三板并聯(lián)走水,此時每板的流量為65.5 kg/h.

        圖8 通水地板系統(tǒng)鋪設(shè)方式示意

        4.3.3 地板散熱量的校核

        由系統(tǒng)的采暖參數(shù)條件計算可知,傳熱溫差Δtp=11.5 ℃,代入公式(3),求得單板散熱量.其中依據(jù)計算單板流量為65.5 kg/h,其相對流量α=1.1,且采用的是8 孔通道地板,查詢表4 可得,通水流量的修正系數(shù)β=1.05,則地板的散熱量為1 296 W. 由公式(11)計算出房間的實際的回水溫度為26.3 ℃,實際供回水溫差為5.7 ℃,在5~10 ℃范圍內(nèi),滿足要求.

        4.3.4 房間地板系統(tǒng)的水力計算

        (1)地板沿程阻力的計算. 該房間按照8 孔三組地板為一行程進(jìn)行鋪設(shè)時,每一行程的寬度為600 mm.按照滿鋪要求,整個房間需要6 個行程,每個行程為6 m. 計算出在流量為65.5 kg/h 下8 孔地板的流速為0.05 m/s,依據(jù)公式(6)得出8 孔地板的比摩阻為111 Pa/m,則地板的沿程阻力為3 996 Pa.

        (2)連接管沿程阻力的計算. 通水地板系統(tǒng)每兩個行程相連處均有200 mm 的連接管,且該房間通水地板系統(tǒng)進(jìn)水口和出水口與分集水器的連接所需連接管長為3.8 m,共需要4.8 m 長的連接管. 計算出流量為196.6 kg/h 時連接管的流速為0.48 m/s,代入公式(8)中,連接管的比摩阻RL為887 Pa/m.則4.8 m 長的連接管阻力損失為4 258 Pa.

        (3)連接管局部阻力的計算. 該房間通水地板系統(tǒng)中連接管共有4 個彎頭,按照《地面輻射供暖技術(shù)規(guī)程》中取彎頭的局部阻力系數(shù)0.3,則流速為0.48 m/s的連接管局部阻力為138 Pa.

        (4)水連接件局部阻力的計算. 根據(jù)各水連接件的流量確定其流速,得出v1=0.16 m/s,v2=0.32 m/s,地板局部走水形式如圖9 所示.其中局部阻力系數(shù)分別取ξL=10,ξT2=8,則每個水道中串聯(lián)水連接件的局部阻力為538 Pa,6 條水道共需12 個串聯(lián)水連接件,則系統(tǒng)水連接件的總局部阻力為6 456 Pa.

        圖9 通水地板系統(tǒng)局部走水示意

        (5)房間地板系統(tǒng)的總阻力. 綜上四項的總和即為地板的總阻力損失,總阻力損失為14.8 kPa,即15 151 mm H2O.

        5 結(jié) 論

        本文對一種新型通水輻射式地板進(jìn)行了熱工特性和水力特性分析,給出了工程設(shè)計中需要的相關(guān)參數(shù),進(jìn)而研究了工程設(shè)計方法,并通過案例對設(shè)計步驟進(jìn)行了說明.

        (1)通水地板單位面積的散熱量與傳熱溫差成指數(shù)關(guān)系,且12 孔地板單位面積散熱量相較于8 孔地板對傳熱溫差更為敏感.

        (2)相同流速下,12 孔地板的比摩阻高于8 孔板;當(dāng)所需流量較大時,建議采取8 孔地板.

        (3)總結(jié)案例分析得出,通水地板局部阻力占總阻力的一半左右.

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