多孔竖板辐射供暖室内温度分布数值模拟研究

2021-07-04刘园王登甲

建筑热能通风空调 2021年5期

刘园王登甲

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

辐射采暖末端是低温辐射采暖系统是采用低于60 ℃的低温水作为热媒，通过直接埋入建筑物地板内的塑料盘管辐射换热，通过辐射和对流两种方式将热量传递给室内的供暖形式，按照辐射板布置位置可分为地板辐射采暖末端,天花板辐射采暖末端和墙面辐射采暖末端[1]。

国内外许多学者针对墙体辐射末端系统的散热特性及其室内热环境特性进行了研究，费玉敏[2]搭建墙面辐射供暖系统实验台，研究不同面层（有孔蜂窝铝板和无孔蜂窝铝板）条件下新型辐射供暖地面和墙面构造的热工性能，提出水温与表面温度和热流密度简化计算公式。T.Mikeska[3]建立了带有辐射冷却系统的试验室CFD 模型。利用室内实测温度和风速对CFD 模型进行验证，并进行参数分析，表明了扩散顶棚入口面积，辐射墙冷却功率，内热增益以及辐射冷却墙面积和位置对室内热舒适性和室内通风问题的影响。B.I.Kilkis[4]开发了一种复合辐射墙板，该墙板在中等温度下共同执行加热，通风和空调任务，从而可以直接利用低焓能源。此外，施冠羽[5]将墙面式采暖与相变材料结合，通过模拟研究了相变墙体的蓄放热特性。赵玉倩[6]对墙体辐射采暖系统进行了研究，提出了墙体局部铺设热水盘管的概念。利用Fluent 建立了墙体传热模型，对墙体的热工性能进行了模拟。

目前关于辐射墙体供暖系统的研究，多集中在传统的湿式结构中，为了提升辐射供暖对间歇运行系统的适宜性、克服地面多孔架空系统卫生差的问题，本文在新型地板辐射供暖末端[7]的基础上，提出了一种新型多孔供暖竖板结构，采用数值模拟与实验验证相结合的方式，分析其室内热环境的特征。

1 多孔供暖竖板物理结构

多孔辐射供暖竖板其结构如图1 所示，依次为建筑墙体、保温层、铝箔反射层、加热盘管、空气夹层、供暖竖板（面板上开有小孔）。系统运行原理：室内冷空气通过面板下侧孔流入夹层中，在夹层中受竖向热压作用，冷空气上升与加热盘管对流换热而被提高温度，进而从上部小孔流出竖板，依次循环起到对室内加热供暖的目的。

图1 多孔辐射供暖竖板结构

2 模拟相关设置

2.1 物理模型及边界条件

根据前期的实验研究，由于辐射竖板孔口处的空气流动，辐射竖板传热过程属于三维传热过程。多孔竖板辐射供暖房间的尺寸为3.6 m×3.3 m×2.8 m（长×宽×高），墙体按绝热墙体处理。辐射竖板供暖末端中热水盘管管径为20 mm，竖板上圆孔直径为20 mm。

辐射竖板系统内部热水盘管表面为第一类定壁温边界条件：

式中：tp为热水盘管外壁面温度，℃；tw为供水温度，℃。

辐射竖板为对流辐射耦合边界条件，竖板上圆孔为内部边界，天花板及其它墙体边界条件为第二类绝热边界条件。

2.2 模拟工况

本次数值模拟对辐射竖板末端的供水温度、盘管间距，孔口直径，布孔密度和夹层厚度等影响因素进行数值模拟。模拟选取的工况为：供水温度35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃。盘管间距100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm。孔口直径0 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm。布孔密度2 排、4 排、8 排、9 排。夹层厚度100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm。

3 实验验证

在人工气候室内搭建辐射竖板供暖实验系统，辐射竖板供暖实验系统由热源，辐射竖板供暖末端以及输配管道组成。多孔强化对流型辐射竖板实验工况如下：9 排孔，供水温度55 ℃，盘管间距200 mm，孔口直径10 mm。辐射竖板表面温度随时间的变化过程如图2 所示。

图2 供水温度为55 ℃竖板表面温度实验与模拟值对比

从图2 可以看出，辐射竖板表面温度随时间的变化数值模拟与实验测试差异很小，基本上处于同步增长趋势，随后实验温度变化不大，实验模拟温度略有升高，最终状态下二者差异0.8 ℃，误差约为2.57%。与实验测试相比，数值模拟的结果偏大，这主要是由于在数值模拟设置中，直接将竖板背板设置为绝热边界条件，忽略热水管道经过铝箔层，保温层和墙体后向室外散失的热量，因此使得数值模拟结果偏大，但其误差在可接受的范围内。

以上结果表明，该辐射竖板换热模型与实验条件下辐射竖板散热结果吻合良好，认为该模型，边界条件和求解方式准确可信，可以使用该模型对于辐射竖板供暖系统进行更多参数变化的数值模拟研究。

4 计算结果与分析

4.1 辐射竖板表面温度及热流分布

供水温度的大小直接影响着热水盘管管壁温度，夹层空气温度以及竖板表面温度，从而影响室内温度场，因而，供水温度是影响辐射供暖系统散热特性的重要研究因素之一。

稳定状态时不同供水温度下竖板表面温度及热流密度如图3 所示。由于建筑室内面积差异，辐射竖板敷设面积会有差别，为了研究普适性规律，主要针对竖板系统各部分热流密度进行研究，对供水温度与辐射竖板表面热流密度、孔口热流密度、总热流密度进行了曲线拟合，得到拟合曲线如图3 中虚线所示。

图3 稳定状态时不同供水温度下竖板表面温度及热流密度

从图3 中可以看出，竖板表面热流密度随着供水温度的升高呈现出明显的线性增加趋势，供水温度为35 ℃、45 ℃、55 ℃，竖板表面温度和热流密度分别为294.86 K、297.17 K、299.66 K 和21.33 W/m2、34.12 W/m2、47.91 W/m2，供水温度每升高10 ℃，辐射竖板表面温度升高约3 ℃，热流密度增加约为13 W/m2。

当盘管间距为200 mm 时，不同供水温度下竖板表面温度分布如图4 所示：

图4 不同供水温度下辐射竖板表面温度分布图

从图4 中可以看出，随着供水温度的升高，辐射竖板表面温度分布规律类似。由于该工况选取的盘管间距为200 mm，可以看出温度峰值以200 mm 为一个周期，峰值温度不是处于中间位置，而是有向右移动的趋势，造成这种现象的主要原因是在热压作用下，夹层空气与盘管换热后，夹层空气密度变化，向上流动后与竖板进行换热。随着供水温度的升高，辐射竖板表面温度分布的差值逐渐增加。当供水温度为35 ℃时，温度峰谷值差异约为1.0 ℃，而当供水的温度升高至65 ℃时，温度峰谷值差异约为2.3 ℃，升高1.3 ℃。

表1 为不同工况下辐射供暖竖板数值模拟表面温度、热流密度等的具体数值。

表1 不同工况下辐射供暖竖板表面温度、热流密度等数值

4.2 辐射竖板供暖房间热环境

在盘管间距200 mm、供水温度55 ℃、孔口直径20 mm 时，辐射竖板供暖房间空气温度及流速如图5所示，辐射竖板供暖房间室内流速分布云图具体如图6 所示。

图5 温度风速分布图

图6 辐射竖板供暖房间空气流速分布

从图5 可知，在垂直方向上，房间温度基本上呈现出线性增长趋势，人体脚踝处0.1 m 时空气温度约为18.9 ℃，头部1.7 m 时空气温度约为21.0 ℃。房间内风速整体变化不大，风速在接近房间顶部时增加至0.2 m/s。而在水平方向上，室内空气温度分布均匀，基本保持在21.1 ℃左右，水平方向上风速变化不大，不会给人体带来吹风感，造成热不舒适。

从图6 可以看出，实验房间内风速较大的区域处于房间的上部，高度约为2 m，风速约为0.25 m/s，其次是房间的底部，人体脚踝处位置，在人体主要活动区域0.6～1.7 m 之间，空气流速低于0.1 m/s。房间内空气流动主要是贴壁流动，房间冷空气与夹层通道内空气形成自然循环，对于人体主要活动区域内的风速影响较小，因此强化对流型辐射竖板不会对室内人体带来吹风感，从而引起不舒适。