中广国际建筑设计研究院 100045
【摘 要】低温热水地板辐射采暖系统作为一种既节能又舒适的新型采暖方式，正日益广泛的应用于居住建筑工程之中。国内外的科学家和工程师们地对其采暖机理、节能效果和热舒适性等方面进行了大量的研究。本文就保温层厚度对低温地板辐射采暖性能的影响进行了简单的分析。
【关键词】低温地板辐射采暖；保温层厚度
1地板辐射采暖地板结构层传热模型
地板采暖的实际传热过程是一个复杂的三维导热过程，为了便于分析，对物理模型进行如下假设：1)无论是初始供暖还是持续供暖时，热源温度恒定，热水流量为定值；2)传热管与埋管层材料、各覆盖层之间都有良好接触，忽略接触热阻，各层材料均为恒物性；3)两加热管之间的对称中心线看成绝热边界；4)沿加热管轴线方向温度变化缓慢，温度梯度很小可以忽略，结构层内没有内热源，且温度不随时间变化。
根据以上假设地板辐射传热模型可简化为一个二维稳态导热过程，得到如图1所示的传热计算单元(abcoef)。其中，ae为地板表面；of为下层房间顶棚表面(本文主要研究保温层厚度，此模型中忽略楼板对地板传热的影响)；以加热管中心线和加热管壁面的半圆弧线abco为左边界；右边界为相邻两加热管管间对称中心线ef；L为两加热管管间距的一半；d为加热管的管径；h1为保温层厚度，h2为填充层(埋管层和找平层)的厚度；H为整个传热单元即地板结构层的厚度。
式中：k为楼板与下层房间的对流换热系数，W•m-2•K-1；ta为下层房间的室内空气温度，K。
2模型验证
为验证模型假设及相关参数设置正确性，将CFD模拟结果与《地面辐射供暖设计规程》附录A中给出的散热量进行对比。附录A1.1中加热管间距为200mm、平均水温为40℃的模型。由附录A可知，模型的计算条件为：加热管公称外径为20mm；填充层厚度为50mm；保温层材料为聚苯乙烯泡沫塑料，绝热层厚度为20mm，传热系数为0.041W•m-2•K-1；供回水温差为10℃；地面层为水泥或陶瓷热阻R=0.02m2•K•W-1。
根据规范可知地板辐射采暖的一般工况为：室内设计温度20cc，供回水平均温度40℃，因此对所建立模型在2种工况下进行模拟计算。工况一：室内空气温度为定值20℃，改变供回水平均温度35～55℃；工况二：供回水平均温度为定值40℃，改变室内空气温度16～24cc，得到的在《规范附录A1.1》条件下的模拟数据，即有效散热量及热损失，图2中，在0～50W•m-2范围内为热损失，大于50W•m-2为有效散热量。以规范给出散热量为横坐标，模型模拟得到的散热量为纵坐标，得到图2比较结果，图2中3条直线分别为模拟误差+5％、0、一5％，由图2可知，所有点几乎都夹在一5％～+5％2条线之间即模型数据误差小于5％。根据附录A所建立的传热模拟模型计算结果与规范中提供的参考数据基本一致，因此我们可以运用该模型对所需工况下的低温地板辐射供暖进行模拟计算。
3模拟结果与讨论
3.1CFD模拟相关参数
通过上述模型数据与《地面辐射供暖技术规程》数据的对比，验证了模型的正确性。建立的传热模型相关参数如下：热水流量为0.0986kg•s-1，供回水平均温度为313K，埋管间距为200mm、埋管深度为70mm，保温材料导热系数为0.041w•m-1•K-1，室外设计温度为272.2K，地板综合换热系数
为10.1W•m-2•K-1，传热管管壁对流换热系数为3464W•m-2•K-1，供回水流速为0.75m•s-1，下层楼板表面综合化换热系数为1.8W•m-2•K-1。通过改变室内设计温度、下层房间温度以及保温层厚度，模拟在不同状态下保温层厚度变化对低温地板结构层传热性能的影响。
3.2保温层厚度对地板表面平均温度的影响
下层房间为采暖房间与非采暖房间，地板表面平均温度随保温层厚度变化见图3，非采暖房间空气温度可依据室外温度及《实用供热空调设计手册》中的温差修正系数推算得出。图3显示：当地板表面平均温度随着保温层厚度的增加而增加，下层房间为非采暖较下层房间采暖，随着保温层厚度增加的增长幅度更大。在0—25mm厚保温层范围内地板表面平均温度随保温层厚度的增加有较大的增长幅度，保温层厚度平均每增加10mm，地板表面平均温度增加为：下层房间为非采暖房间约增加0.21K，下层房间为采暖房间约增加0.11K；保温层厚度在25—40mm范围内，地板平均温度随保温层厚度增加而增长的幅度有所下降，保温层厚度平均每增加10mm，地板表面平均温度增加为：下层房间为非采暖房间约增加0.08K，下层房间为采暖房间约增加0.04K；保温层在40mm以后地板表面平均温度随保温层厚度增长趋势较为平缓，保温层厚度平均每增加10mm，地板表面设计温度平均温度增加为：下层房间为非采暖房间约增加0.045K，下层房间为采暖房间约增加0.03K。通过上述分析可知在0～25mm范围内，地板表面平均温度增长幅度较大，而在40mm以上地板表面平均温度增长趋势变缓，因此保温层厚度在25～40mm范围内较为合理，结合工程实际，30mm为最佳保温层厚度。在0—60mm范围内，下层房间为非采暖房间地板表面平均温度约增加0.72K，下层房间为采暖房间约增加0.41K；由此可以看出对于下层房间为非采暖房间的用户，对保温层厚度的变化更为敏感。
3.3保温层厚度对地板表面有效散热量和热损失的影响
在室内设计温度293K的情况下，下层房间为采暖与非采暖房间，散热量及热损失随保温层厚度的变化情况见图4。2种情况下的有效散热量均随着保温层厚度的增加呈上升趋势，热损失则都随着保温层厚度的增加呈下降趋势；在0～25mm范围内，有效散热量及热损失的变化较为明显，下层为非采暖房间的有效散热量及热损失平均每增加10mm的变化量约为2、9w•m-2，下层为采暖房间的变化量约为1、5w•m-2；在25～40mm范围内，有效散热量及热损失的变化程度有所下降，下层为非采暖房问的有效散热量及热损失平均每增加10mm的变化量约为0.9、3.7W•m-2，下层房间为采暖房间的变化量约为0.5、2.1W•m-2，40mm之后有效散热量及热损失的变化程度很小，趋于平缓，下层房间为非采暖房间的有效散热量及热损失平均每增加10mm的变化量约为0.4、2.1W•m-2，下层房间为采暖房间的变化量约为0.28、1.21W•m-2。由上述分析可知，在0～25mln范围内有效散热量及热损失的变化较为明显，40mm之后有效散热量及热损失的变化程度很小，因此保温层厚度在25—40mm范围内较为合理，结合工程实际，30mm为保温层最佳厚度。在0—60mm范围内，下层房间为非采暖房间的有效散热量及热损失变化量分别为7.2、32.6w•m-2，下层房间为采暖房间的有效散热量及热损失变化量分别为4.1、18.1W•m-2；下层房间为非采暖房间的散热量及热损失较采暖房问变化更为明显，即与非采暖房间相邻的采暖用户对保温层厚度的变化更为敏感。
由图5所示，随着保温层厚度的增加热损失百分比是下降的，下层房问为非采暖较采暖房间热损失百分比高且变化更为明显，在0—60mm范围内，下层房间为非采暖房间热损失百分
比约下降20％，下层房间为采暖房间，约下降13％；保温层在0～25mm范围内，热损失量百分比下降较为明显，下层为非采暖房间与采暖房间平均每增加10mm分别约下降5.2％、3.6％；25～40mm范围内，其下降程度有所减缓，下层为非采暖房间与采暖房间平均每增加10mm分别约下降2.5％、1.6％；40mm之后热损失百分比的变化趋势变得非常平缓，下层为非采暖房间与采暖房间平均每增加10mm分别约下降1.5％、1.0％；在0～25mm范围内热损失量百分比下降较为明显，40mm之后热损失百分比的变化趋势变得非常平缓，因此保温层厚度在25～40mm范围内较为合理，结合工程实际，30mm为保温层最佳厚度。由此可以看出保温层厚度的增加有利于减少热损失，起到节能环保的效果。
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论文作者:孙蕊
论文发表刊物:《低碳地产》2016年12期
论文发表时间:2016/10/26
标签：采暖论文; 房间论文; 下层论文; 厚度论文; 地板论文; 保温层论文; 损失论文; 《低碳地产》2016年12期论文;