板式地板辐射供暖系统传热性能模拟研究

煤气与热力

GAS&HEAT

Vo.l26No.7Ju.l2006

板式地板辐射供暖系统传热性能模拟研究

韩荣山, 由世俊, 王海霞

(天津大学环境科学与工程学院,天津300072)

摘 要: 建立了板式地板辐射供暖的二维稳态传热模型。采用有限元分析软件ANSYS,分析了地板表面温度分布、传热计算单元内部温度分布、地板表面热流密度的影响因素及地板表面平

均温度的影响因素,在考虑地板向下传热时对模拟计算结果进行了修正。供、回水平均温度是影响地板表面热流密度和平均温度的主要因素。当室内温度为20e时,在维持适宜的地板表面平均温度范围24~28e的前提下,供、回水平均温度的变化范围为27~34e,考虑地板向下传热后,应控制在30~35e。考虑地板向下传热后,应将模拟计算结果乘以一个不小于0.9的修正系数。 关键词: 板式地板辐射供暖; 模拟计算; 热流密度

中图分类号:TU995 文献标识码:A 文章编号:1000-4416(2006)07-0070-04

SimulativeResearchonHeatTransferPerformanceof

PanelRadiantFloorHeatingSystem

HANRong-shan, YOUSh-ijun, WANGHa-ixia

(SchoolofEnvironmentScience&Technology,TianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract: Amodelfortwo-dimensionalsteady-stateheattransferofpanelradiantfloorheatingsys-temisestablished.Thefloorsurfacetemperaturedistribution,theinteriortemperaturedistributionofheattransfercalculationunitandtheinfluencingfactorsoffloorsurfaceheatflowdensityandaveragefloorsur-facetemperatureareanalyzedwithfiniteelementanalysissoftwareANSYS.Whileconsideringthedown-wardheattransferoffloor,thesimulativecalculationresultiscorrected.Theaveragesupplyandreturn

watertemperaturesaremainfactorsaffectingfloorsurfaceheatflowdensityandaveragefloorsurfacetem-perature.Whentheindoortemperatureis20e,goingonthepremiseofmaintainingtheappropriateav-eragefloorsurfacetemperaturebetween24eand28e,thevariationrangeofaveragesupplyandreturnwatertemperaturesisbetween27eand34e.Takingaccountofthedownwardheattransferoffloor,thevariationrangeofaveragesupplyandreturnwatertemperaturesshouldbecontrolledbetween30eand35e,andthesimulativecalculationresultshouldbemultipliedbyacorrectioncoefficientofnotlessthan0.9.

Keywords: panelradiantfloorheatingsystem; simulativecalculation; heatflowdensity 研究优化不同的地板辐射供暖系统,使其更加符合建筑节能的要求,实现与建筑更加完美的结合,是当前研究的主要任务。地板表面热流密度与平均温度是衡量地板辐射供暖系统传热性能的重要参数,本文对板式地板辐射供暖系统的传热性能进行

模拟研究。

1 板式地板辐射供暖系统

板式地板辐射供暖系统见图1,其结构属于干式结构。板式地板辐射供暖系统除具有传统地板辐射供暖系统的热工性能外,还具有结构简单紧

[1]

#70#第7期韩荣山,等:板式地板辐射供暖系统传热性能模拟研究第26卷

凑、总体厚度小的特点。由于加热体由多块加热板拼接而成,因此可根据房间形状和尺寸的不同,准确确定所需加热板的数量,也可根据不同房间的热负荷特点分成不同环路,分别敷设加热板。从施工角度出发,传统的湿式地板辐射供暖系统施工时间较长,除了敷设加热盘管外,还需要进行混凝土填充层和找平层的施工,而且必须保证一定的混凝土养护时间。板式地板辐射供暖系统施工时仅将加热板拼接到一起,然后敷设导热铝板和地面装饰层,因此相对于传统的湿式地板辐射供暖系统可缩短工期。

图2 二维传热计算单元

Fig.2 Two-dimensionalheattransfercalculationunit

2.2 地板表面热流密度的数值模拟计算

本文引用文献[2、3]阐述的方法对地板表面热流密度进行数值模拟计算。此方法考虑了供暖房间的海拔和内部空间的特点,并具有较高的可靠性与准确性。地板表面热流密度的计算式为: q=Ac(Tf-Ti)+Ar(Tf-TAUST)

4.96Ac=2.67d0.25

(Tf-Ti)4Ad=

LAr=TequER

(Tf+TAUST)

2

30.08

(2)

-5

2.627

1-2.22@10h#

(3)(4)(5)(6)

2

图1 板式地板辐射供暖系统Fig.1 Panelradiantfloorheatingsystem

2 传热性能的数值模拟

2.1 二维稳态传热模型的建立

板式地板辐射供暖系统的传热形式包括对流传热和辐射传热。由于地板辐射供暖的传热过程较复杂,为使问题简化以便得到数值解,需要进行如下设定:认为地板结构层的传热为二维稳态传热;认为地板结构中各层材料间紧密接触,不考虑接触热阻;认为地板结构中各层材料均质且恒物性;取加热板流道内壁面温度为供、回水的平均温度,作为传热的第一类边界条件;忽略地板向下的传热。

在本研究中视单块的加热板内供热介质的温度均一,仅在加热板的出口处温度有变化。由于取整块加热板作为传热计算单元会使计算量过大,因此在不影响计算结果的情况下,取每个流道的1/2为最小的二维传热计算单元(见图2)。这种做法的计算结果与以整块加热板为传热计算单元的计算结果相同,且具有代表性。

利用二维稳态的传热过程来求解传热计算单元的温度分布和热流密度,该传热计算单元的二维稳态传热过程满足以下微分方程:9T9T

2+2=0

9x9y

式中 T)))温度,K

2

2

T=

式中 q)))地板表面的热流密度,W/m

2

Ac)))地板的表面传热系数,W/(m#K)

Tf)))地板表面平均温度,KTi)))供暖室内计算温度,KAr)))辐射传热系数,W/(m#K)

TAUST)))室内非加热表面的面积加权平均温

度,K

d)))地板表面当量直径,mh)))供暖房间的海拔,mA)))地板表面积,m

2

2

L)))地板周长,m

3

Tequ)))地板当量温度,K

E)))发射率,对一般非金属或带油漆面层

的金属非反射性表面取0.9R)))斯忒藩-玻耳兹曼常量,5.67@10

2

4

-8

W/(m#K)

本文以我国常见的户型房间为例进行计算分析,其长@宽@高=5.7m@3.9m@2.8m。由式(2)、(3)可知,由于房间几何参数(A/L)仅以-0.08次幂影响地板的表面传热系数Ac,因此可认

(1)

#71#第7期

煤气与热力

第26卷

为本文的结论适用于大多数房间类型,具有一定普遍意义。

考虑到本文的重点是研究板式地板辐射供暖系统的传热性能,若以某种具体的房间环境为对象,采用详细的数值计算确定室内非加热表面的面积加权平均温度TAUST,则会偏离研究的重点,且会使计算结果局限于某种特定的情况。于是本文沿用文献[3]中经过验证的方法,当一个房间有常规的外窗和外门时,可认为TAUST-Ti=-1.1K。

为简化问题,可采用下式计算地板表面热流密度:

A=Ac+1+

1.1A

Tf-Tir

(7)(8)

2

时,地板表面的温度为25.7e。由于加热板内部大面积中空的结构特点,热水与加热板的接触面积比传统湿式地板辐射供暖系统的接触面积大很多,因此板式地板辐射供暖系统的地板表面温度分布相当均匀。由于计算结果的控制精度等级为10此沿x轴各点地板表面温度相等。

③ 传热计算单元内部温度分布

当供、回水平均温度为30e,供暖室内计算温度为20e时,传热计算单元内部温度分布见图3。由图3可知,除加热板外,传热计算单元内部温度分布呈层状变化,且温度梯度大致相同。传热计算单元内部温度分布的特点也体现了板式地板辐射供暖系统地板表面温度分布均匀的特点,由此可知导热铝板层对增强传热的作用十分显著。

-4

e,因

q=A(Tf-Ti)

式中 A)))地板的当量表面传热系数,W/(m#

K)

由此得出了板式地板辐射供暖系统传热性能的计算模型,下面运用有限元软件ANSYS对其进行模拟分析。2.3 ANSYS分析过程的主要步骤

有限元分析是对物理现象的真实情况的数值近似,通过对几何模型划分网格,求解有限个数值来近似模拟真实环境中的无限个未知量。ANSYS分析过程包括3个主要步骤:①创建或读入几何模型,定义单元类型和材料属性,划分网格。②施加载荷,根据设定的约束条件求解。③利用后处理程序查看分析结果。

3 模拟结果的分析

① 相关参数

板式地板辐射供暖系统传热性能计算模型涉及的地板结构层的参数见表1。

表1 地板结构层参数

Tab.1 Parametersoffloorstructurelayers结构层

地面装饰层(木地板)

导热铝板加热板(橡胶树脂)

热阻/(m2#K#W-1)

0.1004.220@10-6

0.042

厚度/mm8110

图3 传热计算单元内部温度分布

Fig.3 Interiortemperaturedistributionofheattransfer

calculationunit

④ 地板表面热流密度的影响因素

不同室内温度ti(单位为e)下,地板表面热流密度随供、回水平均温度的变化见图4。由图4可知,随着供、回水平均温度的升高,地板表面热流密度随之升高,且受其影响较大,但室内温度的变化对地板表面热流密度的影响没有供、回水平均温度的影响显著。与传统的湿式地板辐射供暖系统相同,在运行中控制适当的供、回水平均温度对保持室内环境的舒适度至关重要。

⑤ 地板表面平均温度的影响因素

不同室内温度下,地板表面平均温度随供、回水平均温度的变化见图5。由图5可知,地板表面平均温度随供、回水平均温度的升高变化很快,而供暖室内计算温度对其影响不是很大。因此,供、回水平均温度是影响地板表面平均温度的主要因素。当室#72# ② 地板表面温度分布

由于传热计算单元为二维模型,因此认为其上边线的温度分布即为地板表面的温度分布。当供、回水平均温度为30e,供暖室内计算温度为20e

第7期韩荣山,等:板式地板辐射供暖系统传热性能模拟研究第26卷

Tr)))楼板下表面温度,K

T,id)))下层房间的供暖室内计算温度,K,计

算时认为此温度与计算房间的供暖

室内计算温度相同

与传热计算单元相似,在加热板下部添加绝热层和楼板,且将楼板下表面的表面对流传热系数Ac,r作为荷载,重新对地板辐射供暖系统的传热性能进行模拟计算。室内温度取20e,地面装饰层为木

图4 地板表面热流密度随供、回水平均温度的变化Fig.4 Variationoffloorsurfaceheatflowdensitywith

averagesupplyandreturnwatertemperatures

地板时,考虑向下传热前后地板表面热流密度分别

2

为54.99、50.67W/m。考虑向下传热后地板表面热流密度减少了7.86%,因此在计算地板表面的实际热流密度时应将模拟计算结果乘以一个不小于0.9的修正系数。5 结论

① 供、回水平均温度是影响地板表面热流密度与地板表面平均温度的主要因素。

② 当室内温度为20e时,在维持适宜的地板表面平均温度范围24~28e的条件下,供、回水平均温度的变化范围取27~34e,考虑向下传热后,应控制在30~35e。

③ 在考虑向下传热时,应将模拟计算结果乘以一个不小于0.9的修正系数。

内温度为20e时,在维持适宜的地板表面平均温度范围24~28e的前提下化范围取27~34e。

[4]

,供、回水平均温度的变

图5 地板表面平均温度与供、回水平均温度的关系Fig.5 Relationshipbetweenaveragefloorsurfacetemperatureandaveragesupplyandreturnwater

temperatures

参考文献:

[1] 王海霞.板式地板辐射供暖传热性能的研究(硕士学

位论文)[D].天津:天津大学,2004.

[2] KilkisIB,EltezM,SagerSS.Asimplifiedmodelfor

thedesignofradiantin-slabheatingpanels[J].ASHE-AETransactions,1995,101(1):210-216.

[3] KilkisIB,SapciM.Computer-aideddesignofradiant

subfloorheatingsystems[J].ASHRAETransactions,1995,101(1):1214-1220.

[4] JGJ142)2004,地面辐射供暖技术规程[S].

[5] KilkisIB.Developmentofacompletedesignsoftwarefor

hydronicfloorheatingofbuildings[J].ASHRAETrans-actions,1995,101(1):1201-1209.

作者简介:韩荣山(1980- ), 男, 河北唐山人,

硕士生, 从事地板辐射供暖及室内气流组织的研究。

电话:(022)27402223E-mail:rsh5566@sina.com

收稿日期:2006-02-08; 修回日期:2006-04-05

4 考虑向下传热的修正

在计算模型中,假设加热板下部绝热层的热阻为无穷大,从而忽略了地板向下层房间的传热,但实际上仍有热量向下传递。下面在设定下层房间为同样采用地板辐射供暖系统的条件下,对模拟结果进行修正。

修正时考虑绝热层为聚苯乙烯板,其热导率为0.04W/(m#K),厚度为30mm,绝热层下部钢筋混凝土楼板厚度为100mm,热导率为0.87W/(m#K)。由于下层房间同样采用地板辐射供暖系统,因此楼板下表面温度低于下层房间的地板表面温度,可不考虑向下的辐射传热,只考虑对流传热。楼

[5]

板下表面的表面对流传热系数的计算式为:

0.25

Ac,r=0.138(Tr-T,id)(9)式中 Ac,r)))楼板下表面的表面对流传热系数,

W/(m#K)

2

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