多孔供暖竖板热性能及室内热环境研究*

2021-09-06西部绿色建筑国家重点实验室西安建筑科技大学王登甲刘艳峰

暖通空调 2021年8期

西部绿色建筑国家重点实验室西安建筑科技大学王登甲刘园刘艳峰

0 引言

地面或墙面辐射供暖由于其稳定性好、营造的热环境舒适度高而被广泛研究和应用。针对低温辐射供暖系统，国内学者通过对干式地板供暖构造传热性能的分析、模拟计算及实验测试，论证了这种干式地板构造的优势和技术经济可行性[1-2]；文献[3-4]研究了干式系统的热工特性及其热舒适性；Weitzmann等人提出了一种嵌入式地板的二维仿真模型，可以动态模拟辐射加热地板系统的蓄放热和温度分布[5]。笔者在干式地板供暖系统的基础上，提出了强化对流型架空地板系统[6-7]，该系统具有热响应快、调节灵活等优点，进行不同工况下实验研究得出了该系统的蓄放热特性及其室内空气温度分布情况。

针对墙体辐射末端系统，文献[8]采用数值模拟分析了墙体供暖铺设面积对热舒适性的影响。文献[9]采用实验方法研究了墙面式辐射供暖时壁面平均温度对于室内热环境的影响，研究表明墙面式辐射供暖可以同时满足人体热舒适和节能的要求。此外，文献[10]将墙面式供暖与相变材料结合，通过模拟研究了相变墙体的蓄放热特性。Gingras等人对加拿大魁北克市某住宅楼的天花板和墙体辐射板系统进行了数值模拟优化研究，结果表明，在辐射供暖系统中，供水温度是提高舒适性和降低能耗的最重要参数[11]。

在上述研究的基础上，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，本文提出了一种新型多孔供暖竖板结构，搭建了全尺寸性能分析实验室平台系统，测试了不同供水温度、孔口直径、布孔密度等关键因素影响下的辐射、对流供暖特性及室内热环境分布规律。

1 多孔供暖竖板物理结构

多孔供暖竖板结构如图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，依次循环达到对室内加热供暖的目的。

注：Qr1为从面板的外表面到其他内墙表面的辐射传热量；Qc1为面板外表面与室内空气的对流换热量；Qc2为夹层空气进入室内的对流换热量。图1 多孔供暖竖板结构

2 实验概况

2.1 实验室布置

实验在西部绿色建筑国家重点实验室——人工气候室中开展，人工气候室内部尺寸为3.6 m×3.3 m×2.8 m(长×宽×高)，房间围护结构采用双面4.2 mm厚彩钢板+100 mm厚聚氨酯板填充，传热系数为0.25 W/(m2·℃)。辐射竖板供暖实验系统由热源、辐射竖板供暖末端及输配管道组成。主要设备：功率6 kW的电热水锅炉作为热源，通过热水锅炉调控供水温度；厚度10 mm、传热系数为0.1 W/(m2·℃)的木板作为辐射竖板及侧板，围成的空气层通道厚度为20 cm；采用功率100 W、扬程9 m的管道屏蔽增压泵为管道热水循环提供动力。热水盘管为公称外径20 mm的PE-RT管，布置方式为回折型，热水盘管间距为200 mm。

2.2 实验方案

在人工气候室中，对不同盘管水温、孔径、布孔密度的辐射竖板的供暖散热特性进行实测研究，测量不同工况下夹层温度、板壁温度、室内空气温度、空气流速等。实验工况见表1。

表1 实验工况

2.3 实验条件

采用四通道CENTER309热电偶测量人工气候室地板表面、面板表面、墙面和屋顶温度，测量范围为-200～200 ℃，精度为±(0.2%读数+1 ℃)。人工气候室室内空气温度采用DS1922L纽扣式温度记录仪测量，测量范围-40～85 ℃，测量精度均为±0.1 ℃。使用R70B温度热通量密度数据记录器测量面板表面和人工气候室墙壁表面的热通量密度。竖板孔口处风速的测量采用万向微风速探头SWEMA3000，测量精度为±1%读数±0.03 m/s，风速测量范围为0～5.00 m/s，竖板孔口处温度由WFWZY-1万向风速风温记录仪测试，温度测量范围为-20～80 ℃，各个仪器均设置5 min自动记录1次。各测点布置方案如下：

1) 辐射竖板表面及围护结构表面温度测点布置。辐射竖板表面布置16个测点，侧板布置12个测点，测点采用均匀分布原则，具体位置见图2a。

2) 辐射竖板表面及围护结构表面热流密度测点布置。辐射竖板表面布置6个热流密度测点，围护结构内墙表面各布置1个测点，测点位置均为正中间，高度约为1.6 m。

3) 辐射竖板孔口处空气流速测点布置。在辐射竖板沿高度方向布置3个测点，分别位于竖板下部、中部和上部。

4) 气候室室内空气温度测点布置。在人工气候室内均匀布置9个测杆，每个测杆上分布5个测点，测点距离地面的高度H分别为0.3、0.8、1.3、1.8、2.3 m，测点的布置位置见图2b。

5) 辐射竖板孔口布置及其空气温度测点布置见图2c。在辐射竖板孔口处布置3个测点，测点高度分别为0.2、1.1、1.9 m，分别对应竖板的上、中、下排孔。

图2 多孔供暖竖板及室内空气温度测点

2.4 热性能指标

该多孔供暖竖板热性能可包括：评价温差的指标和评价温度上升速度的指标，如温差指数是基于系统的最大温差Δtmax和温升差Δt，温度上升速度的指标为热时间常数。

Δtmax=ttop-tbot

(1)

式中 Δtmax为空气通道中顶部和底部空气的最大温差，℃；ttop、tbot分别为空气通道中顶部和底部空气温度，℃。

Δt=tini-tfin

(2)

式中 Δt为辐射板初始和最终状态下的温升差；tini、tfin分别为辐射板的初始表面平均温度和最终表面平均温度，℃。

(3)

(4)

式(3)，(4)中α为过余温度；t为辐射板当前时刻的表面平均温度，℃；τ为时刻；τc为热时间常数，其含义为当α=80%时所需要的时间，表征竖板对供暖水温变动响应快慢。

除了最大温差、温升差和热时间常数外，热压作用引起的风速也是辐射竖板对流加热性能的重要评价指标之一，尤其是顶部或底部对流孔的最大风速。

3 实验结果

通过实验系统研究了供水温度(tw)、孔口直径(D)、布孔密度(H*)等关键参数对多孔供暖竖板热性能的影响，得到了不同工况下空气夹层、面板和室内空气的热特性。

3.1 空气夹层的热特性

与传统的辐射墙体系统相比，多孔供暖竖板系统具有空气通道，在空气通道中管道、夹层空气和面板内表面之间同时发生辐射换热和对流换热，本节主要分析空气夹层的传热特性。不同供水温度和高度下夹层空气温度ta如图3所示。

图3 不同供水温度与高度下夹层空气温度(D=10 mm，H*=9排)

由图3可知，不同工况下夹层空气最大温差分别为10.2、8.2、4.7 ℃。供水温度越高、高度越大，夹层空气温度越高，高度与空气温度近似呈线性关系。这主要是由于室内空气进入空气通道后，与热水盘管进行辐射换热，空气受热后由于热浮力的作用，逐渐向上移动到上层，形成竖直的温度梯度，上层较暖，下层较冷。在这种情况下，供水温度越高，温差越大。

图4为tw=45 ℃、D=10 mm、H*=9排时夹层空气瞬态温度变化情况。整个过程分为2个阶段：快速增长阶段和稳定阶段。在第1阶段，空气夹层温度在2 h内迅速升高，然后在第2阶段逐渐趋于稳定，供水温度受电锅炉控制，温度保持在设定温度±0.5 ℃，夹层空气温度出现波动主要受供水水温的波动控制。从图4可以看出，夹层空气和面板内表面温度响应迅速，而面板内外表面反应时间及温度有差异，这主要是由于夹层通道中传热介质是空气，热阻较小、蓄热性能差，而竖板具有一定的厚度，存在蓄热和导热热阻。

图4 夹层空气瞬态温度(tw=45 ℃、D=10 mm、H*=9排)

3.2 竖板的热特性

供暖竖板热特性是影响其加热性能的主要因素之一。实体供暖竖板表面和孔口气流两类温度分别对室内起到辐射加热和对流加热作用，鉴于图3、4已体现夹层空气温度和实体竖板表面温度情况，图5给出了竖板表面和孔口气流平均温度，总体反映竖板表面温度情况。

图5 不同工况下竖板表面平均温度

图5a显示了不同供水温度下辐射竖板表面温度的实测结果。如图5a所示，水温越高，面板的热响应越快。当盘管水温为45、55、65 ℃时，辐射竖板的热时间常数分别为2.0、2.5、3.0 h，随着水温的升高，热时间常数逐渐增加，变化量为0.5 h。随着供水温度的升高，辐射竖板的表面温度也随之升高。不同水温下，整个加热过程的辐射竖板温升差为9.4～17.3 ℃。在稳定状态，不同供水温度下，供暖竖板温升差相差约5 ℃，说明面板热性能在很大程度上取决于供水温度。

图5b显示了不同孔径下辐射竖板表面温度的实测结果。由图5b可知，孔径为0、10、20 mm时，整个传热过程面板表面温升差分别为12.5、14.7、16.5 ℃，随着孔径的增大，通过孔口流入室内的热量逐渐增大，从而引起竖板表面温度及室内温度升高。在稳定状态，不同孔径下，供暖竖板温升差相差约2 ℃。因此，孔径对面板的热性能有影响。

不同布孔密度下辐射竖板表面温度的实测结果如图5c所示。孔数越多，气流速度和流型分布越均匀，强化对流的效果越明显。随着布孔密度的逐渐增大，辐射竖板表面温度上升速率逐渐增大，达到稳定状态下的温度也越高。但是8排孔与9排孔工况下，辐射竖板表面温度相差不大，主要是这2种工况下增加的那一排孔位于辐射竖板中和界处，在该位置上没有空气流动，因而不存在热量流出，因此虽然增加了一排孔，但是温度相差无几。与前2个因素相比，布孔密度对面板热性能的影响较小。综上所述，不同供水温度下辐射竖板表面温度影响最大，孔口直径次之，布孔密度最小。

3.3 室内空气温度分布

多孔供暖竖板对室内空气温度分布的影响如图6所示，为不同高度(H=0.3、0.8、1.3、1.8、2.3 m)和与面板不同距离(d=0.3、1.6、2.9 m)下的室内空气温度。

图6 室内空气温度分布(tw=45 ℃，D=10 mm，H*=9排)

从图6可知，在竖直方向上，温度变化遵循幂函数，温度梯度约为0.65 ℃/m。水平温度分布(即相同高度)，随着与面板的距离增大，室内温度下降的速度约为0.15 ℃/m。2个方向的总体温差均在2.0 ℃以内，说明该系统室内热环境较为均匀，主要是由于辐射竖板上空气流动孔的影响，室内空气对流换热量增大，空气形成了循环流动，进一步减小了室内水平方向上的温差。

3.4 孔口的气流分析

与传统竖板不同，多孔供暖竖板形成的空气层内热压作用下流动特征比较显著，图7显示了竖板不同高度处孔口的空气流速。

图7 辐射竖板不同高度处的孔口空气流速

图7中散点为实验测得的孔口实际风速，将孔口流速进行数值拟合后形成幂函数曲线，可以看出，孔口风速在系统运行1 h内迅速上升，之后处于动态稳定状态。由于热空气和冷空气的密度不同，室内冷空气通过竖板下侧孔进入夹层，并通过自然对流和辐射换热被盘管加热，在浮升力作用下，热空气向上流动，从竖板的上侧孔流出，室内空气和夹层中的空气形成“下进上出”的自然循环，整个空气循环过程中不需要外加动力装置。稳定状态通过上孔、中孔和下孔的流速分别约为0.12、0.11、0 m/s，孔口处空气流速最大约为0.12 m/s，随着空气的扩散，流速逐渐降低，到达人体居住区域时风速降为0，符合人体在房间内没有吹风感的最小风速要求，满足工作区人员舒适性要求。