夏秋怡 任小潔 陳亦聞 莫 帥 鄧展鵬 周之茹 劉 東
(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川 綿陽 621010)
隨著社會(huì)的發(fā)展,人們生活水平的提高,人們對(duì)于生活質(zhì)量的要求也越來越高。舒適性高,污染低,供熱效率高,并且比傳統(tǒng)散熱器等采暖方式節(jié)能20%~30%[1]的地暖已逐漸成為被人們所接受的冬季供暖方式。而在地暖設(shè)計(jì)中,對(duì)室內(nèi)環(huán)境直接發(fā)生熱輻射進(jìn)行傳熱的地板溫度高低顯得至關(guān)重要,無論是低溫還是高溫都會(huì)引起人的不舒適感。查文獻(xiàn)可知,不同的面層材料、不同加熱管材、不同管間距等變量對(duì)單位地面面積散熱量與向下?lián)p失量的影響規(guī)范里都有提到[2],但單位時(shí)間內(nèi)同樣的變量對(duì)地板的散熱量卻較少被人們提及,換言之,如何設(shè)計(jì)出開啟時(shí)間短,運(yùn)行時(shí)間長并且供熱溫度適宜的地暖是一個(gè)有待解決的問題。
相比于濕式地暖,干式地暖因沒有發(fā)泡水泥等填充的回填層而有效降低了層高從而增大了居住層高,因此也稱作超薄地暖;經(jīng)過前人研究也可知干式地暖與濕式地暖相比,在相同供水溫度下,前者的溫升更高,即干式地暖節(jié)能性更高[3]?;谏鲜鲈颍虼嗽诖四M實(shí)驗(yàn)中選擇干式地暖作為模型。其中設(shè)置地板為30mm厚的木地板,供水管道為外徑15mm,內(nèi)徑15.7mm的PE管,均熱層為1mm的超導(dǎo)碳晶膜以及厚度為50mm的聚苯泡沫板EPS保溫層,以其模型如圖1所示。
圖1 地暖物理模型圖
為了方便計(jì)算及分析,假定以下條件。
(1)地暖分為板層、均熱層、管層及保溫層,其中設(shè)置保溫層最下部為絕熱層。
(2)管層向地板表面的熱量傳遞過程為非穩(wěn)態(tài)傳熱過程。
(3)地板內(nèi)各層材料均質(zhì)恒物性,忽略各層之間的接觸熱阻。
(4)由于相鄰兩管之間溫差較小,用供回水平均溫度代替實(shí)際水溫。
(5)不考慮管壁熱阻對(duì)溫度場的影響[4]。
本實(shí)驗(yàn)用FULENT軟件進(jìn)行模擬。在模擬過程中,取高度為2.7m,面積為2×1m2的房間為對(duì)象,且設(shè)置環(huán)境溫度為2℃,從上至下分為地板上部室內(nèi)空間、地板、均熱層、水管及保溫層五個(gè)部分。為了觀察得到不同設(shè)置條件下的房間溫度場變化,因此保持地板材料、水管材料等地暖材料不變,以及保持其各部分厚度不變,改變水管供水溫度及水管間距兩個(gè)變量模擬得出相關(guān)結(jié)論。
普通干式地暖是通過供回水管道通入熱水作為熱源給地暖帶來熱量,利用溫度差帶來傳熱動(dòng)力引起能量的傳遞,再通過均熱層向地板均勻傳熱,并且采用鋁板結(jié)構(gòu)層,大大提高地暖散熱面積以及導(dǎo)熱速度,最下方增設(shè)保溫層以減少熱量向下傳遞而帶來能量損失,即一定程度上加快地板升溫,使地板與室內(nèi)空氣發(fā)射長波輻射及對(duì)流換熱等過程最終達(dá)到提高室內(nèi)溫度的目的。在本章所描述且進(jìn)行的地暖模型模擬過程中,便是利用此原理進(jìn)行熱量傳熱分析。且模擬時(shí),在室內(nèi)地板對(duì)上部空間的長波輻射過程中,我們設(shè)置為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。
首先保持其他變量不變,且此處水管供水溫度保持為45°,改變水管間距分別為100mm,150mm,200mm三組數(shù)據(jù),做溫度場模擬,觀察30min內(nèi)地面溫升情況。
如圖2所示為水管通入45℃水后0.5h,管間距為100mm的室內(nèi)溫度場分布情況,可以從圖中看出,在0.5h內(nèi)地板部分的溫度升高至約25℃,較大程度上向房間上部對(duì)流傳熱且溫度呈梯度變化。
圖2 管間距為100mm地板溫升圖
如圖3所示為水管通入45℃水后0.5h,管間距為150mm的室內(nèi)溫度場分布情況,從圖中溫度分布情況可知,0.5h內(nèi)地板溫升至約23℃,一定程度上向室內(nèi)上部空間傳熱,且靠近墻壁部分的傳熱更為明顯。
圖3 管間距為150mm地板溫升圖
如圖4所示為水管通入45℃水后0.5h,管間距為200mm的室內(nèi)溫度場分布情況,根據(jù)模擬情況可以得知,在此管間距下,地板溫升約至21℃,基本沒有向上部空間的明顯溫升。
圖4 管間距為200mm地板溫升圖
同3.1保持其他變量不變,且此處水管間距為100mm,改變水管供水溫度,分別設(shè)置35℃,40℃,45℃三組數(shù)據(jù),模擬并觀察室內(nèi)溫度場變化。
如圖5所示為水管通入35℃水后0.5h,管間距為100mm的室內(nèi)空氣隨溫度變化曲線,根據(jù)曲線變化可知在第1800s,空氣溫度升高至約19℃,且在模擬進(jìn)行的第400s至第700s區(qū)間溫度上升幅度最大。
圖5 供水35℃室內(nèi)空氣隨溫度變化圖
如圖6所示為水管通入40℃水后0.5h,管間距為100mm的室內(nèi)空氣隨溫度變化曲線,如曲線變化所示,在該模擬地暖進(jìn)行的第1800s,空氣溫度上升至約21℃度,同圖5,變化幅度最大的區(qū)間也是在約第400s至700s內(nèi)。
圖6 供水40℃室內(nèi)空氣隨溫度變化圖
如圖7所示為水管通入45℃水后0.5h,管間距為100mm的室內(nèi)空氣隨溫度變化曲線,根據(jù)曲線所示,在第1800s室內(nèi)空氣溫度達(dá)到約23℃,但可以明顯觀察到在從第1600s開始,溫度變化波動(dòng)較大且較為緊湊,其他變化部分同圖5、圖6,在第400s至第700s間內(nèi)上升幅度較大。
圖7 供水45℃室內(nèi)空氣隨溫度變化圖
綜上3.1及3.2的模擬結(jié)果可以得出以下結(jié)論:
1)保持其他條件不變,水管間距越寬則地板溫升及空氣溫升越慢,在考慮各種經(jīng)濟(jì)、施工等因素下,選擇管間距為150mm最為適宜。
2)保持其他條件不變,水管內(nèi)供水溫度越高則空氣溫升越快,同1)在考慮各種情況下,選擇供水溫度為40℃經(jīng)濟(jì)性最佳。