低溫地板輻射采暖技術(shù)應(yīng)用

低溫地板輻射采暖技術(shù)應(yīng)用撰寫(xiě)人：審核人：1.摘要、主題詞、關(guān)鍵詞：低溫地板輻射供暖；覆蓋物；數(shù)值模擬；Fluent；1、采暖的發(fā)展趨勢(shì)世界和我國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)字均表明，建筑能耗在社會(huì)全部總能耗所占的比率在30%左右，是能源消耗的一種主要形式，用于暖通空調(diào)的能耗又約占85%。最大限度地減少能量消耗，減少有害物質(zhì)的排放，并充分利用可再生能源成為供暖與供冷技術(shù)的發(fā)展要求。隨著人們生活水平的不斷提高，當(dāng)今建筑采暖方式的舒適性已逐漸引起人們的重視，人們已經(jīng)意識(shí)到它對(duì)人的心理，生理健康的影響。醫(yī)學(xué)界呼吁一種能使室內(nèi)氣溫適當(dāng)、讓人體感覺(jué)舒適、不危害人體健康的采暖方式。采暖方式的節(jié)能，環(huán)保以及舒適成為現(xiàn)代采暖技術(shù)發(fā)展得一個(gè)基本方向。多年來(lái)，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的變化，大中城市的大氣環(huán)境日益惡劣，住宅日益商品化，人們對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境要求不斷提高，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)和體制面臨著大的變革。目前，我國(guó)城鎮(zhèn)供暖方式主要采用以熱水或蒸汽為熱媒的散熱器供暖系統(tǒng)。這種系統(tǒng)供暖方式的弊病越來(lái)越引起人們的普遍關(guān)注。例如：室內(nèi)空氣衛(wèi)生條件差、散熱器占用房間的有效使用面積，裝修麻煩及頻繁維修等。在上述社會(huì)背景下，通過(guò)對(duì)采暖方式的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行系統(tǒng)的研究，針對(duì)不同實(shí)際情況得出最優(yōu)化、適宜的采暖方式就顯得很有必要，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。低溫地板輻射采暖由于其舒適性高、衛(wèi)生條件好、能充分利用各種低品位能源等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，是當(dāng)今較為先進(jìn)的一種采暖方式，也是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最為理想的采暖方式。因此對(duì)低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的原理及實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入的研究是十分必要的。2、低溫地板輻射采暖的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)所低溫地板輻射采暖系統(tǒng)是利用低溫?zé)嵩?，通過(guò)埋置于地面構(gòu)造層內(nèi)的加熱盤(pán)管或電纜加熱地表面，由被加熱的表面放射出遠(yuǎn)紅外線對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加熱，以達(dá)到采暖目的的一種采暖方式?？v觀它的發(fā)展過(guò)程，之所以能克服各種阻力取得較大的發(fā)展，主要在于它具有許多其它采暖方式所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。1、舒適性采用地板輻射采暖時(shí)的室內(nèi)溫度垂直分布如圖1所示，由于生理衛(wèi)生要求，地板表面溫度不宜高于30℃，地面上空氣溫度迅速降低達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，地面50cm以上垂直方向的溫度基本保持不變，室內(nèi)空間各水平面的溫度基本相同。因此，采用地板輻射采暖時(shí)，使人們有“足熱頭涼”的舒適感。而在采用以對(duì)流為主的散熱器采暖時(shí)，由于這種采暖方式是以對(duì)流散熱為主，靠近散熱器的空氣被加熱后密度變小，熱空氣上升，形成空氣對(duì)流，因此室內(nèi)垂直面的溫度變化很大，人體下部處于采暖的低溫區(qū)，頭部處于較高的溫區(qū)。與對(duì)流采暖方式相比，采用地板輻射采暖時(shí)，室內(nèi)空氣溫暖柔和，濕度適宜，因此其舒適性明顯好于以對(duì)流為主的散熱器采暖方式。2、衛(wèi)生健康,采用地板輻射采暖不容易產(chǎn)生灰塵，清潔衛(wèi)生有益于健康，4、高效節(jié)能低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)熱源的主要特點(diǎn)是要求供水溫度低，所以低溫地板輻射采暖直接采用低品位能，如地?zé)崴?、太?yáng)能等可再生能源或各種低溫余熱等低品位能作為熱源。當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩磾?shù)量不足時(shí)，可根據(jù)需要增設(shè)輔助熱源。輔助熱源可以采用電加熱爐或燃?xì)猓ㄈ加停t等潔凈能源。特別是近期，我國(guó)某些地區(qū)電力出現(xiàn)“供大于求”和“峰谷”嚴(yán)重失調(diào)現(xiàn)象，作為具有較強(qiáng)蓄熱能力的低溫地板輻射采暖，如果能采用低谷電力作為熱源，在一定條件下會(huì)顯示其獨(dú)特的優(yōu)越性。據(jù)資料[4][5]顯示，在全世界的能源消耗中，建筑能耗據(jù)首位。因此，各國(guó)都把建筑的節(jié)能問(wèn)題放在重要位置。在建筑能耗中，采暖能耗是大戶，約占我國(guó)總能耗的9％，是建筑能耗的30％左右。低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，不僅改善室內(nèi)環(huán)境條件，同時(shí)與對(duì)流采暖系統(tǒng)相比可降低建筑能耗。具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)促進(jìn)了太陽(yáng)能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱等的開(kāi)發(fā)利用，5、節(jié)省室內(nèi)空間普通散熱器的采暖系統(tǒng)需將散熱器安裝在室內(nèi)，占用了房間的有效使用面積。一般的散熱器約占1～3％采暖建筑面積，給室內(nèi)裝修和家具的擺放均造成了麻煩；而地板輻射采暖和建筑構(gòu)造相結(jié)合，房間的地面上沒(méi)有任何管道設(shè)備，不占用房間有效面積。6、熱穩(wěn)定性強(qiáng)實(shí)驗(yàn)及大量資料均表明，地板輻射采暖的熱穩(wěn)定性好，充分利用其熱惰性采用間歇采暖的調(diào)節(jié)方式時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較小。7、適于熱計(jì)量我國(guó)采暖收費(fèi)基本上是采用按采暖面積計(jì)費(fèi)的方法，這種收費(fèi)方法導(dǎo)致了能源的巨大浪費(fèi)。合理的計(jì)費(fèi)方法應(yīng)該是按照各用戶實(shí)際用熱量來(lái)核算。相關(guān)資料表明，北歐一些國(guó)家采用熱計(jì)量收費(fèi)制度后可降低能耗20％～30％[4]。采用單戶熱計(jì)量的收費(fèi)方法，先決條件是用戶對(duì)采暖系統(tǒng)必須能進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)節(jié)控制和熱量的計(jì)量，而地板輻射采暖則是一種便于進(jìn)行單戶熱計(jì)量的采暖方式，用戶各房間環(huán)路相互獨(dú)立，各環(huán)路均并聯(lián)于分水器上，只要在分水器處分別為各環(huán)路設(shè)置調(diào)節(jié)和控制裝置，就可以實(shí)現(xiàn)方便地對(duì)不同房間的供熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，在分配器前安裝熱計(jì)量裝置即可方便的進(jìn)行單戶的熱計(jì)量。8、施工與管理方便低溫?zé)崴匕遢椛洳膳捎玫乃芰瞎懿闹亓枯p、柔韌性好，施工技術(shù)的改進(jìn)使其便于施工，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。地板輻射采暖系統(tǒng)采用熱融焊接，泄漏問(wèn)題得到很好地解決，因此運(yùn)行期間其操作簡(jiǎn)便，維修工作量少，只需定期檢查過(guò)濾器即可。9、節(jié)約金屬材料，延長(zhǎng)使用壽命目前低溫?zé)崴匕遢椛洳膳到y(tǒng)采用的交聯(lián)聚乙烯(PE-X)、無(wú)規(guī)共聚聚丙烯管(PP-R)、嵌段共聚聚丙烯管(PP-B)、聚丁烯(PB)、鋁塑復(fù)合管(XPAP)等管材都具有耐溫范圍廣、耐壓強(qiáng)度高，抗腐蝕、抗銹、抗水垢、抗凍等特點(diǎn)，而且無(wú)味無(wú)臭、安全衛(wèi)生。這些管材既可用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)，也可以用于生活熱水及管道煤氣上，不僅可以大量替代鋼材，還可以提高系統(tǒng)的使用壽命。10、初投資較高、11、土建費(fèi)用增加、可維修性較差。3、覆蓋物對(duì)地板輻射采暖的影響建立有地面覆蓋物的地板輻射采暖系統(tǒng)溫度場(chǎng)二維穩(wěn)態(tài)傳熱物理及數(shù)學(xué)模型，用Fluent軟件對(duì)地板內(nèi)部溫度分布進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。2.3數(shù)值模擬計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析低溫?zé)崴匕遢椛洳膳瘮?shù)值模擬計(jì)算實(shí)例以某辦公樓房間為例，對(duì)本文所建模型進(jìn)行模擬計(jì)算，該房間有一面北外墻，墻體為370mm的磚墻加外保溫，其它相鄰房間均供暖，其房間相關(guān)參數(shù)如表2-1所示，房間地板層結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。表2-1模擬計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)房間類型辦公室房間外墻數(shù)1面北外墻室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度16℃房間尺寸（內(nèi)）3m×3.6m××3m設(shè)計(jì)供水溫度54℃室外設(shè)計(jì)溫度-26℃埋管間距200mm設(shè)計(jì)回水溫度46℃管徑20×2mm埋管類型PE－RT管傳熱管埋深60mm埋管長(zhǎng)度166m熱水管壁平均溫度度50℃下表面相鄰房間設(shè)設(shè)計(jì)溫度16℃建立有覆蓋物的低溫?zé)崴匕遢椛洳膳Y(jié)構(gòu)層數(shù)學(xué)模型：以混凝土填充層中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，覆蓋物中心點(diǎn)在y坐標(biāo)軸上?；炷撂畛鋵映叽鐬?m×0.06m。圖2-1采暖房間地板層結(jié)構(gòu)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對(duì)該房間的低溫?zé)崴匕遢椛洳膳匕鍖訙囟确植加肍luent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果圖2-2～圖2-11所示：圖2-5覆蓋物寬度為0.2m時(shí)，地板結(jié)構(gòu)層內(nèi)溫度場(chǎng)覆蓋物寬度為0.8m覆蓋物寬度為0.8m覆蓋物寬度為0.6m覆蓋物寬度為0.4m覆蓋物寬度為0.2m無(wú)覆蓋物地板表面溫度（℃）結(jié)構(gòu)層橫坐標(biāo)（m）圖2-12不同覆蓋物寬度時(shí)地板表面的溫度分布從圖2-12可以看出，在房間A的條件下，隨著覆蓋物寬度的增加，被覆蓋物覆蓋的地板表面溫度會(huì)增加。當(dāng)覆蓋物寬度到0.6m時(shí)地板表面溫度達(dá)到與熱水管相同的溫度50℃。繼續(xù)增加著覆蓋物寬度，地板表面溫度不會(huì)繼續(xù)增加，被覆蓋物覆蓋的地板表面達(dá)到50℃的面積會(huì)增加。散熱量（W）散熱量（W）覆蓋物寬度（m）圖2-12不同覆蓋物寬度時(shí)地板的散熱量表2-２覆蓋物長(zhǎng)度對(duì)溫度、散熱量的影響覆蓋物長(zhǎng)度0m0.2m0.4m0.6m0.8m地面最高溫度37℃46℃49℃50℃50℃單位寬度3m長(zhǎng)地地板的散熱量量(W／m)10571008934869793從圖2-13、表2-２可以看出，在房間A的條件下，隨著覆蓋物寬度的增加，地板散熱量會(huì)減少。覆蓋物的面積與地板的散熱量減少成正比。低溫加熱電纜地板輻射采暖數(shù)值模擬計(jì)算實(shí)例以某辦公樓房間為例，對(duì)本文所建模型進(jìn)行模擬計(jì)算，該房間有一面北外墻，墻體為370mm的磚墻加外保溫，其它相鄰房間均供暖，其房間相關(guān)參數(shù)如表3-1所示，房間地板層結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。表3-2模擬計(jì)算所需相關(guān)參數(shù)房間類型辦公室房間外墻數(shù)1面北外墻電纜功率18W/m房間尺寸（內(nèi)）3m×3.6m××3m室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度16℃室外設(shè)計(jì)溫度-26℃電纜間距200mm電纜類型DPIP-18電纜直徑8mm電纜埋深60mm建立有覆蓋物的低溫?zé)崴匕遢椛洳膳Y(jié)構(gòu)層數(shù)學(xué)模型：以混凝土填充層中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，覆蓋物中心點(diǎn)在y坐標(biāo)軸上?；炷撂畛鋵映叽鐬?m×0.6m。圖2-14采暖房間地板層結(jié)構(gòu)根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對(duì)該房間的低溫?zé)崴匕遢椛洳膳匕鍖訙囟确植加肍luent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖所示：覆蓋物寬度為0.5m覆蓋物寬度為0.5m覆蓋物寬度為0.3m覆蓋物寬度為0.4m覆蓋物寬度為0.2m覆蓋物寬度為0.15m地板表面溫度（℃）結(jié)構(gòu)層橫坐標(biāo)（m）圖2-25不同覆蓋物寬度時(shí)地板表面溫度分布曲線圖2-26不同覆蓋物寬度時(shí)地板表面溫度分布曲線從圖2-25、圖2-26可以看出，在房間B的條件下，隨著覆蓋物寬度的增加，被覆蓋物覆蓋的地板表面溫度會(huì)不斷增加。當(dāng)覆蓋物寬度到0.5m時(shí)地板表面最高溫度達(dá)到70.11℃、加熱電纜的最高溫度達(dá)到85.14℃，加熱電纜的最高溫度超過(guò)了加熱電纜的長(zhǎng)期使用的耐熱溫度80℃。繼續(xù)增加著覆蓋物寬度，地板表面溫度和加熱電纜的最高溫度繼續(xù)電纜的最高溫度繼續(xù)增加著覆蓋物寬度，地板表面溫度不會(huì)繼續(xù)增，被覆蓋物覆蓋的地板表面達(dá)到50℃的面積會(huì)增加。表3-1 覆蓋物長(zhǎng)度對(duì)溫度、散熱量的影響覆蓋物長(zhǎng)度0m0.15m0.2m0.3m0.4m0.5m地面最高溫度17.99℃27.88℃31.44℃40.26℃53.3℃70.11℃管道最高溫度點(diǎn)35.55℃42.99℃46.49℃55.29℃68.33℃85.14℃地面最高溫度與覆蓋物長(zhǎng)度進(jìn)行曲線擬合（2-8）式中----地面最高溫度，W/m2；----覆蓋物長(zhǎng)度，W/m2。管道最高溫度與覆蓋物長(zhǎng)度進(jìn)行曲線擬合（2-9）式中----地面最高溫度，W/m2；----覆蓋物長(zhǎng)度，W/m2。2.4本章小結(jié)本章用Fluent軟件對(duì)低溫?zé)崴匕遢椛洳膳c低溫加熱電纜地板輻射采暖的地板內(nèi)部溫度分布進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬出地板內(nèi)部及地板表面的溫度場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果分析：（1）在低溫?zé)崴匕遢椛洳膳闆r下，覆蓋物面積加大地面供暖系統(tǒng)的熱量難以通過(guò)地表面充分散熱就會(huì)造成局部升溫，回水溫度會(huì)升高，地板溫度不