对流型架空地板辐射采暖房间热环境特征研究
西安建筑科技大学环境学院 王登甲，吴纯金，刘艳峰，王晓文，王 敏
【摘 要】针对提出的对流型架空地板辐射采暖系统，采用数值模拟的方法研究其地板表面温度分布及辐射采暖房间热环境特征，并与实验结果对比验证了模型的正确性。结果表明：盘管运行水温不同时，架空地板表面温度与热流的分布规律相似，呈现出在两盘管中间位置处高，盘管正上方低的规律；在相同工况下，对流型架空地板辐射采暖系统下的室内空气温度相比于常规架空地板辐射采暖系统增加1.0℃左右；对流型采暖房间内风速在0.11-0.18m/s之间，满足工作区人员舒适性要求；对流型架空地板总散热量中对流散热量比例与常规架空地板辐射采暖对流比例相比高5%以上。
【关键词】强化对流；数值模拟；热环境；对流比例
【基金项目】“十三五”国家重点研发计划项目课题（2016YFC0700402）；国家自然科学基金面上项目（51678468）。
0 引言
目前连续运行的建筑中常用的低温地板辐射采暖多为埋管式结构，其加热盘管埋于填充层中，蓄热能力强，热稳定性好；但在间歇采暖的建筑类型中，则存在预热阶段加热时间长，可调性差等问题。对于地板辐射采暖系统的研究，在兼顾其优点的同时考虑不同场所的采暖需求、调节更加灵活十分重要。基于此，提出一种对流型架空地板辐射采暖系统，通过实验研究[1]的方法研究了该系统的蓄、放热特性。
国内外诸多学者对地板表面温度和辐射采暖房间热环境进行研究。文献[2-4]给出了不同工况下地板表面温度及其热流密度的分布规律；文献[5-8]给出了地板表面温度的简化公式和修正模型；文献[9-11]根据数值模拟结果和实验研究得到辐射采暖房间内的温度分布并分析其舒适性；L. Fontana通过基于尺度模型的实验研究对地板辐射采暖系统的热性能进行研究，得出家具对于系统性能的影响关系。地板表面的温度和热流是地板辐射采暖系统的重要参数，辐射采暖房间内的热环境特征也决定了采暖形式的特点以及其舒适性。故针对提出的对流型架空地板辐射采暖系统仅仅研究其蓄、放热特性是不够的，其地板表面温度及热流分布、辐射采暖房间热环境的研究也十分重要。
本文针对提出的对流型架空地板辐射采暖系统，在掌握其蓄热期和间歇期时的蓄、放热特性的基础上，采用数值模拟的方法对其稳定状态运行时地板表面温度分布和辐射采暖房间热环境进行研究。
1 对流型架空地板辐射采暖系统结构
本文提出的对流型架空地板辐射采暖结构如图1所示，盘管下方依次为铝箔层、绝热层和楼板层，上方为支架、龙骨、架空地板，其中架空地板上钻有孔洞，以起到强化对流的作用，支架和龙骨起到支撑的作用。该末端系统与传统地板辐射采暖系统相比，盘管上方不铺设填充层，而是将加热盘管直接放置于在保温层和地板之间的空气夹层中且架空地板上有孔洞。
1–孔；2–地板； 3–龙骨；4–支架；5–盘管；6–铝箔+保温层；7–楼板
图1 对流型架空地板辐射采暖系统结构示意图
2 物理模型及边界条件
2.1 物理模型
（1）架空地板
根据实验研究[1]可得，对流型系统在稳定运行时，圆孔对于架空地板表面的温度影响范围仅限于圆孔周边，圆孔面积占整个地板面积较小，在距圆孔较远处可忽略圆孔对架空地板表面温度和热流随盘管间距和盘管运行水温的分布规律的影响。
架空地板辐射采暖末端系统物理模型如图2所示。对架空地板表面温度和热流随盘管间距和盘管运行水温的分布规律进行模拟计算，水温沿盘管轴向变化不大，可忽略轴向传热，故传热过程可视为二维过程。
1–地板；2–龙骨；3–空气夹层；4–可调支架；5–管盘； 6–铝箔+保温层；7–楼板
图2 架空地板辐射采暖末端系统物理模型
（2）辐射采暖房间
对流型辐射采暖房间物理模型如图3所示，尺寸为3.6m×3.2m×2.6m，房间在X方向上有一面外墙，架空地板高度为200mm，盘管直径20mm，圆孔直径为20mm。根据前述分析架空地板辐射采暖系统可简化为二维模型，但对于对流型架空地板辐射采暖，由于地板上孔的存在不宜简化，故采用三维模型。同时系统房间模型关于X轴对称，为加速模拟计算，故得简化模型。
图3 对流型架空地板辐射采暖房间模型
2.2 边界条件
（1）架空地板
对架空地板表面温度和热流分布进行数值计算，其定解条件为：
两相邻盘管中心线和保温层上表面边界，即：
架空地板上表面边界条件为第三类边界条件：
盘管表面为温度边界：T|p=Tw
初始条件为：Tτ0=14℃
式中：l为盘管间距（m）；h为架空地板上表面位置（m）；qd为架空地板上表面综合换热热流密度（W/m2）； qc 、qr 分别为架空地板上表面对流和辐射热流密度（W/m2）；ac、ar分别为架空地板上表面对流和辐射换热系数（W/(m2·K)）；Ts为盘管运行水温（℃）。
（2）辐射采暖房间
本模型中有一面外墙，设置外墙边界条件为第一类边界条件，内壁面温度取14℃，内墙及楼板边界条件为第二类边界条件，为简化计算假定为绝热条件。盘管定壁温，第一类边界条件。地板为耦合边界COUPLED，孔设置为INTERIOR。对流型架空地板辐射采暖系统房间简化模型中，对称面边界条件为SYMMTERY。
对于房间的热环境模拟所选取的工况为：盘管间距100、200、300mm；盘管运行水温35、45、55℃；无孔（常规架空地板辐射采暖系统）、2排孔、4排孔、6排孔、条形出口（对流型架空地板辐射采暖系统），其中孔的位置如图4所示。圆孔横向间间距为600mm，纵向间距为300mm，距左右墙体间距为300mm，上下墙体间距为100mm，其中设置条形出口时，条形出口的大小为400mm×20mm。
图4 对流型架空地板辐射采暖房间孔的位置
（a–2排；b–4排；c–6排；d–条形出口）
3 模型验证
对架空地板辐射采暖系统进行蓄放热特性数值计算，并将其结果与实验结果进行对比。架空地板辐射采暖系统在稳定状态运行时架空地板表面温度和热流密度计算结果与实验结果对比如表1所示；预热期、间歇期时架空地板表面温度和热流密度计算结果与实验结果对比如图5所示。
图5 预热期和间歇期架空地板表面温度和热流密度计算结果与实验结果对比
由表1可得，通过数值计算获得的架空地板辐射采暖系统在平稳运行状态时架空地板表面温度最大值、最小值和平均值与实验结果相比分别相差1.6%、3.2%和3.3%，热流密度分别相差2.4%、7.4%和7.5%。数值计算结果均大于实验结果，主要是由于实验中楼板上方设置的保温材料在数值模拟计算中将其简化为绝热，忽略了盘管向下的热损失，引起数值计算结果与实验结果不一致，但其差异较小，误差小于8%。
表1 稳定状态运行时架空地板表面温度和热流密度计算结果与实验结果对比
由图5可得，在预热期时架空地板表面温度的数值计算结果与实验结果相比平均差异为0.11℃，最大差值为1.49℃；间歇期时平均差异为1.26℃，最大差值为1.69℃。热流密度在预热期时平均差异为1.69W/m2，最大差值为2.8W/m2；间歇期时平均差异为1.03W/m2，最大差值为2.8W/m2。预热期和间歇期时，数值计算结果与实验结果相比温度和热流密度数值相差较小，且误差均在9%以内。因此数值计算结果与实验结果吻合较好，模型准确可信。
4 结果与分析
4.1 架空地板表面温度及热流分布
盘管间距为200mm、空气夹层为200mm时，不同盘管运行水温时架空地板表面温度及热流密度分布如图6所示。
图6 不同盘管运行水温时架空地板表面温度及热流密度分布
由图6可以看出在盘管运行水温不同时，架空地板表面温度与热流的分布规律相似，主要是由于架空地板表面热流密度与架空地板表面温度、室内空气温度及地板表面换热系数有关，在稳态运行时室内空气温度基本恒定不变，表面换热系数变化也很小，架空地板表面的热流密度主要与架空地板的表面温度有关，故呈现相同的规律。同时得出架空地板表面温度和热流密度呈现出在两盘管中间位置处高，盘管正上方低的规律，这与传统埋管式辐射采暖系统地板温度和热流呈现中间低两端高的现象[12]截然不同，主要是由于架空地板辐射采暖存在空气夹层，在夹层内空气主要依靠自然对流的作用流动，空气在夹层内流动存在旋涡区，热空气首先流过两管中间的区域，故呈现出此种规律。盘管运行水温为35、45、55°C时，地板表面平均温度和热流分别为20.7、22.6、24.6℃和24.9、41.0、58.8W/m2，盘管运行水温增加10℃时，地板表面温度增加2℃左右，地板表面热流密度增加约15W/m2。
4.2 架空地板辐射采暖房间温度分布
架空地板辐射采暖房间在不同工况下（盘管间距、运行水温）空气温度纵向分布如图7所示。
图7 架空地板辐射采暖房间在不同工况下空气温度纵向分布
由图7可以看出，在不同的盘管水温和盘管间距工况下，房间温度分布都存在分层现象，靠近天花板处温度高，靠近地板处温度低，主要是由于空气处于自然对流状态，在地板处受热产生温度差，从而由于浮升力的作用热空气向上运动，形成分层现象。同时得出，在盘管运行水温分别为35、45、55℃时，室内空气平均温度分别为18.9、21.7、24.5℃，盘管运行水温每增加10°C，室内空气平均温度增加2.8℃左右；盘管间距分别为100、200、300mm时，室内空气平均温度分别为23.7、21.7、20.0℃，盘管间距每减少100mm，室内空气平均温度增加1.8℃左右，可看出盘管运行水温对室内空气温度影响较大。
4. 3 对流型架空地板辐射采暖房间温度及流速分布
（1）温度分布
对流型架空地板辐射采暖房间在y=0（房间宽度中点处），x=0.6、1.2、1.8、2.4、3.0m处在不同高度上（z=0.2m-2.4m）的空气温度分布如图8所示。其中x数值越小代表距离外墙越近。
图8 对流型采暖房间空气温度纵向分布
从图8中可以看出，对流型架空地板辐射采暖系统在运行至稳定阶段时，房间内温度随高度的增加而增加出现明显的热力分层现象，与常规架空地板辐射采暖系统在稳定运行时房间内空气温度分布较为相似，是由于前文中实验显示，孔洞处空气流速较小，故对房间内的温度分布规律影响不大。总体来说，室内空气温度在高度上的分布较为均匀，最大温差在0.4℃左右。在距外墙同等距离时，室内空气温度在高度方向上存在分层，但其差异相对较小。此外，对流型架空地板辐射采暖系统与常规架空地板辐射采暖系统相比，在相同运行工况（盘管间距和盘管运行水温）下稳定状态时室内空气温度提高了1℃左右。
对流型采暖房间内空气温度在不同高度上（z=0.1、1.1、2.0m）随与外墙距离的温度变化规律如图9所示；室内空气温度在距外墙同等距离时，随距圆孔距离（y1为圆孔正上方，y2为两圆孔中点，y3为两圆孔1/4处）的温度变化规律如图10所示。
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| 图9 对流型采暖房间随与外墙距离的温度变化 | 图10 对流型采暖房间距圆孔不同距离处空气温度变化 |
由图9可以看出在不同垂直高度上每一水平面上的空气温度也存在热力分层现象，主要是由于外墙这一房间围护结构温度较低导致。在距离架空地板0.1m高度处，温度分层最为明显，温度随着距外墙的距离的增加而增加，最大温差为1.2℃左右；而在距架空地板1.1m和2.0m处室内空气温度虽较高，但分布也更加均匀，主要是由于在房间上部空间内室内空气流态充分发展为紊流，空气充分混合。
由图10可以看出，在距地板0.1m处，圆孔上方的空气温度明显高于两孔中间和1/4处，这主要是由于夹层空气高于室内空气，在经圆孔刚流出时与室内空气混合不完全。而随着高度的增加空气混合充分，距圆孔不同距离处的空气温度也基本相同。
（2）流速分布
对流型架空地板辐射采暖系统在稳定运行时的风速分布如图11所示。
图11 对流型采暖房间风速分布
由图11可以看出，室内风速在靠近地板和天花板处数值较大，房间中间区域风速较小，主要是由于室内风速主要为自然对流引起，而自然对流产生是由于温差决定，地板与室内温差较大，故在地板处风速较大，同时室内空气在天花板处的流态充分发展为紊流。室内最大风速分布在地板和外墙连接处，数值为0.18m/s左右。室内风速在0.11~0.18m/s之间，总体风速较小，符合人体在房间内没有吹风感，规定风速小于0.25m/s的要求，满足工作区人员舒适性要求。
4.4 不同工况下模拟结果汇总
对流型架空地板辐射采暖在不同盘管间距、盘管水温和孔的面积等工况下的室内空气温度、地板表面热流密度及对流所占比例如表2所示。
表2 不同工况下空气温度、地板表面热流密度及对流所占比例
由表2可以看出在不同盘管间距、不同盘管运行水温、有无孔、不同圆孔密度和不同孔的形式下的室内空气温度、地板表面热流密度、对流所占比例。在没有孔时即常规架空地板辐射采暖室内空气温度为21.7°C，在总散热量中对流所占比例为31%，而在盘管运行水温和盘管间距相同工况下的对流型架空地板，圆孔数为4排时室内空气温度达到了22.6℃，室内空气温度明显升高，同时地板表面热流密度也增加了9.3W/m2，其中对流散热所占的比例增加至37%。对于对流型架空地板辐射采暖系统，盘管运行水温对于室内空气的温度影响较大，盘管间距次之，圆形孔的密度最小，在这三种因素变化时，总散热量中对流散热所占的比例基本相同均在37%左右，这与前一章中的实验结果相吻合，圆形孔在一定数量范围内，其数量的变化对于架空地板的温度影响较小。而当孔为条形形状时，相同工况下总散热量中对流所占的比例明显增加至41%，室内空气温度虽也有增加，但增加的温度较小，仅为0.2℃，可见架空地板上开孔面积不宜过大。
5 结论
针对提出的对流型架空地板辐射采暖系统对其地板表面温度分布和辐射采暖房间室内热环境进行数值模拟研究，得出以下主要结论：
（1）盘管运行水温不同时，架空地板表面温度与热流的分布规律相似，呈现出在两盘管中间位置处高，盘管正上方低的规律，这与传统埋管式辐射采暖系统地板温度和热流呈现中间低两端高的现象截然不同；
（2）在相同工况下，对流型架空地板辐射采暖系统比常规架空地板辐射采暖系统下的室内空气温度增加1℃左右；两种系统下室内温度分布规律相似，高度方向上均存在分层现象；
（3）对流型采暖房间内风速在靠近地板和天花板处数值较大，房间中间区域风速较小；风速在0.11~0.18m/s之间，满足工作区人员舒适性要求；
（4）对流型架空地板总散热量中对流散热量比例与常规架空地板辐射采暖对流比例相比高5%以上。
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注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期《2017全国供暖技术年会论文集》中。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。