基于可再生能源的地板辐射供暖传热分析*

2018-04-18赵子琴朱相乾

建筑设计管理 2018年3期

赵子琴，朱相乾，李焱

（兰州工业学院土木工程学院，兰州 730050）

0 引言

能源问题和环境问题是当今世界普遍关注的热点，人类社会的发展离不开优质能源和先进能源技术的应用。在各国能源消费中，建筑能耗已占到社会总能耗的20%以上，预计至2020年，建筑能耗将占我国能源消耗的近40%。为此我国加快了建筑节能的步伐，颁布了很多相关标准规范，提出到2020年使全社会建筑总能耗节能达到65%的总目标[1]。绿色建筑的提出要求为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时在建筑生命的全周期中实现高效利用资源，最低限度地影响环境。随着现代舒适节能型建筑技术的发展，可再生能源在建筑领域中的应用日益广泛[2]。

低温热水地板辐射供暖是传热介质通过地暖盘管由下向上进行的传热方式，具有节能环保、热舒适性好、易于实现分户热计量等特点，该供暖方式在我国当前民用建筑中越来越广泛[3-4]。该供暖系统与外界的热量交换形式主要通过对流换热和辐射换热两种形式，而辐射换热的换热量达50%以上，利用热流体的上升最大程度降低冷风渗透对热舒适性的干扰，以此确保房间内温度的均匀性，提高人体的热舒适感。与传统的散热器供暖系统相比，具有卫生条件好、不占用室内使用面积，室内温度梯度小的特点[5]；在同样舒适度条件下，室内温度与以对流传热的散热器供暖方式相比低2～3℃，减小了冷风渗入的热损失，温差传热损失大大减小。

地板辐射供暖系统要求水温较低，供回水平均温度通常控制在35～55℃，因此在热源方面，可利用太阳能、地热能、生物质能等多种可再生能源为热源[6-7]。其中，太阳能热水技术已成熟，可广泛应用于供暖系统中。

1 甘肃气候特征与地板辐射供暖系统

1.1 甘肃地区气候特征

甘肃地区是我国太阳能、风能、地热能等资源较丰富的地区，年日照时数达到2800～3300h，年辐射量超过6000～7000MJ/m2，日平均太阳辐射量达18.4MJ，为太阳能的开发与利用提供了得天独厚的自然条件。同时该地区养殖业发展迅速，产生的大量秸杆和粪便传统的处理方式是燃烧、直接掩埋或耕地施肥，严重影响该地区环境和能源的可持续发展。近年来甘肃加快推进大中型沼气工程，在农民集中居住地区、新农村建设地区，加快原料多样、工艺先进、模式适用的沼气集中工程建设，推行管道直接输送、村外储气输送等多种形式的供气模式。沼气的综合利用不但改善了生态环境、改变农村落后的生活方式，而且节约了大量一次高品位能源。

1.2 地板辐射供暖系统形式

图1为基于可再生能源驱动的地板辐射供暖系统结构示意图。该系统主要由地暖盘管、热源、分集水器等部件组成。同时还包含压力表、温度计、循环水泵等水路系统常用零部件。该系统以可再生能源：太阳能-沼气为供暖系统的驱动热源，系统工作过程中，在天气晴朗时，加热盘管中的热源水由太阳能集热器提供；循环回路由太阳能集热器、储热水箱、分水器、地暖盘管、集水器、循环水泵等组成。而在阴雨天或夜晚时，热源水则由沼气加热系统提供。循环回路由沼气燃烧器、储热水箱、分水器、地暖盘管、集水器、循环水泵等组成。

图1 可再生能源驱动低温地板辐射供暖系统原理

利用太阳能、沼气等可再生能源作为供暖系统的驱动热源，不但突出了太阳能集热系统和沼气系统清洁、节能及可持续发展的优点，同时有效弥补了太阳能受季节、昼夜变化及极端恶劣天气等不稳定的缺陷，有较强的互补性，具有较好的推广应用价值[8]。

1.2.1 管材及性能

塑料管材相比于金属管材易于弯曲，便于施工，在地暖盘管中应用广泛。目前常用的地暖盘管主要采用PE-X（交联聚乙烯）、PE-RT（耐热聚乙烯）、PP-R（无规共聚聚丙烯）、交联铝塑复合管和PB（聚丁烯）等管材[9]。常用塑料管材的物理性能如表1所示。

交联聚乙烯（简称PE-X）由聚乙烯、抗氧化剂和过氧化物混合反应，由于具有优良的耐高温和耐腐蚀性、柔韧性好、便于施工，经济适用等特点，使其在工程应用中占据绝对优势。

1.2.2 盘管敷设方式

地暖盘管的敷设方式较多，常见的是回折型和双平行型，具体形式如图2所示。两种形式都采用连续折弯的形式，可以产生均匀的地面温度，并可通过调整管间距来满足局部区域的特殊要求，同时在布管时管路弯曲度大，材料所受弯曲应力较小，且系统阻力能够得到有效控制，所以被广泛应用。

表1 常见地板辐射管材的性能比较

图2 地暖系统加热盘管布置形式

1.2.3 地板结构层构成

地板辐射供暖结构层传热剖面图如图3所示，从下至上分别为混凝土楼板结构层、聚苯乙烯保温层、冷却盘管、细石混凝土层、水泥砂浆找平层、面层，面层可以是木地板、瓷砖、大理石等。加热盘管嵌入在填充层中，起到保护管路及传热蓄热的作用，并促使地面形成温度分布均匀的辐射加热面。

图3 地板采暖结构示意图

2 地板传热模型

2.1 基本假设

1）地暖盘管的传热过程是三维传热过程，由于介质沿管长轴线方向的温度梯度小，可以忽略沿管轴向的传热；

2）地板底部铺有保温层，可忽略侧壁及向下的热阻；

3）假设地板各层材料为均质物性材料，可忽略不同材料间的接触热阻；

4）假设两管对称布置。

2.2 传热模型

通过以上假设，整个地板传热过程简化为二维传热模型[10]，地板辐射采暖在系统运行稳定时，地板内部的温度场不再随时间变化，温度分布满足如下微分方程：

地板辐射传热量与室内气流流速、温度及非加热表面温度等因素有关，热量的传递主要由辐射换热和对流换热组成，即：

式中：q—地板的热流密度，W/m2；

qf—地板表面与空气的对流换热量，W/m2；

qr—地板的辐射换热量，W/m2；

tp—地板表面平均温度，℃；

tair—室内空气温度，℃；

tq—室内非加热表面平均温度，℃。

3 计算结果与分析

通过以上理论分析，采用有限元法进行数值计算，分析影响地板表面温度和热流密度的因素。取地板结构层为研究对象，从下至上的参数分别为：20mm水泥砂浆，传热系数为0.92W/（m·K）；30mm聚苯乙烯泡沫保温层，传热系数为0.032W/（m·K）；50mm混凝土层，传热系数为1.32W/（m·K）；10mm找平层，传热系数为0.93W/（m·K）；10mm木板层，传热系数为0.15W/（m·K）；室内计算温度为18℃。数值计算结果如图4及图5所示。

图4 地板表面热流密度与管间距、供回水平均温度的变化图

图5 地板表面温度与管间距、供回水平均温度的变化图

图4、图5所示是在盘管内径为12mm、盘管外径为16mm，管内流速为0.3m/s的条件下得出的结果。分别显示地板表面热流密度和温度分布与供回水平均温度、管间距的关系。从图4中可清晰看出，当供回水平均温度一定时，地板表面热流密度随管间距的减小而逐渐增大；当管间距一定时，地板表面热流密度随供回水平均温度的升高而增大，而且变化幅度较大，当水温从35℃升高到55℃时，热流密度平均增大了1.81倍，因此可以确定水温是影响地板表面热流密度的主要因素，为确保供暖舒适性要求，必须有效控制供回水平均温度。图5表明，在管间距一定时，地板表面温度随供回水平均的升高而变化较快，在供回水平均温度一定时，地板表面温度随管间距的增大逐渐减小，且减小的速率逐渐减弱并趋于平稳，同样得出供回水平均温度是影响地板表面温度的主要因素。