間歇供暖預熱期地板蓄熱特性研究

間歇供暖預熱期地板蓄熱特性研究

0地板熱特性的研究被動太陽房簡單且易于操作，無運營能耗，但受氣候條件和建筑物形狀的限制，在夜間和其他時間段很難達到房間的熱環(huán)境。為保證全天熱舒適要求,這些時段需要間歇性啟動采暖系統(tǒng)作為補充。在掌握被動太陽能得熱規(guī)律的情況下,間歇供暖地板蓄熱特性及表面散熱特性,間歇采暖系統(tǒng)的投入運行時間、地板設計和運行參數(shù)等如何確定,成為保證室內熱環(huán)境滿足要求的關鍵所在。文獻[1~3]分別針對地板輻連續(xù)供暖地板表面、室內空氣溫度分布等進行了研究,但未涉及間歇模式下溫度分布特征;文獻[4,5]雖然對地板輻射間歇供暖地板熱特性進行研究,但均是從定性角度考慮,難以對具體工程提出間歇運行模式的指導。本文擬利用數(shù)值計算與實測驗證相結合的手段對間歇供暖地板動態(tài)熱過程進行分析,掌握預熱期不同組合情況下地板蓄熱特性以及盤管間距、管道水溫、填充層厚度等地板設計、運行參數(shù)對其特性的影響,獲得間歇時間與預熱時間的對應關系,為對太陽能建筑地板間歇供暖模式、運行策略及地板結構參數(shù)選擇提供依據。1理論分析1.1地板結構非穩(wěn)態(tài)傳熱模型地板輻射間歇供暖預熱期,按照間歇時間長短可分兩種情況進行分析。工況1,間歇時間足夠長,地板結構內蓄熱量完全釋放,即地板溫度與室內溫度近似相等,均為室溫允許下限14℃;工況2,間歇時間較短,地板結構內蓄熱量尚未完全釋放,其地板溫度遵從間歇期結束時結構層內溫度分布規(guī)律。輻射地板的物理模型如圖1所示。輻射地板結構二維非穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學模型及所采取的假設條件[6~8]為:1)地板結構層中同一材料層材質均一;2)輻射盤管停止運行,管道表面可認為絕熱;3)水溫沿管道軸向變化不大,忽略軸向傳熱[9~11];4)相鄰地板盤管間對稱;a)兩相鄰地板盤管中心線和結構層下表面邊界,即和y=0為絕熱邊界:b)地板上表面邊界條件為第三類放熱邊界:式中,a———熱擴散系數(shù),m2/s;l———盤管間距,m;h———地板上表面位置,m;qλ、qc、qr———地板上表面導熱、對流、輻射換熱熱流密度,W/m2;αc、αr———地板表面對流換熱系數(shù)和輻射換熱系數(shù),W/(m2·K),根據文獻[12,13]中的研究成果進行取值;Ta———室內空氣溫度,℃,停暖后,地板結構層內蓄熱量的緩慢釋放減緩了室溫下降速度,在該過程中,允許最低室溫取14℃,即室溫在14~18℃之間波動變化,本文研究重點為地板結構層蓄放熱規(guī)律,室溫取其平均值16℃。c)盤管表面為溫度邊界:式中,R———盤管半徑,m;Ts———盤管運行水溫,℃。2溫允許下限工況1:間歇時間足夠長,地板結構層內蓄熱量完全釋放,即地板溫度與室內溫度近似相等,均為室溫允許下限14℃;工況2:間歇時間較短,地板結構內蓄熱量尚未完全釋放,地板溫度為間歇期結束時結構層內溫度分布規(guī)律:式中,g(x,y,n)———間歇n小時后地板結構內溫度分布規(guī)律,通過Matlab構造插值函數(shù)int(x,y,n)作為預熱階段初始條件進行數(shù)值計算。1.2知識產權實際蓄熱量的計算計算單元地板結構二維簡化物理模型仍如圖1所示。其中計算單位定義為:長度為盤管間距l(xiāng),寬度為1m的地板結構。預熱期計算單元地板表面和盤管表面瞬時散熱量分別為:式中,q1、q2———預熱期某時刻地板表面和盤管表面熱流分布規(guī)律,W/m2;s———地板輻射盤管半圓弧長,m。預熱期各時刻地板結構層內瞬時蓄熱量應等于盤管表面散熱量與地板表面散熱量之差:式中,qs———預熱期計算單元地板瞬時蓄熱量,W。上述理論分析可通過數(shù)值計算得到結果,即可得到預熱期各時刻瞬時蓄熱量qs(τi),對瞬時蓄熱量數(shù)值進行擬合分析,獲得數(shù)學擬合表達式。最后,對該表達式在預熱時間內求積分即可得到預熱m小時后地板總蓄熱量。式中,qs(τ)———預熱期各時刻計算單元地板瞬時蓄熱量,W;qs,fit(τ)———預熱期計算單元地板瞬時蓄熱量隨時間變化規(guī)律擬合表達式,W;Qs,m———預熱期計算單元地板總蓄熱量,J。1.3數(shù)值計算方法數(shù)學模型采用數(shù)值方法進行求解,利用有限元法編制的數(shù)值分析軟件COMSOLMultiphysics4.1進行計算,并且對數(shù)值計算結果利用Matlab軟件進行插值處理,得到插值函數(shù)int(x,y)或int(x,y,n)作為初始條件,進行后續(xù)計算。2預熱期地板表面溫度利用現(xiàn)場實測結果與數(shù)值計算結果進行對比分析(如表1),驗證分析模型準確性。連續(xù)運行期,在室內空氣溫度和盤管平均溫度一定的情況下對比分析其地板表面溫度最大值、最小值和平均值。預熱期,對比地板表面平均溫度變化規(guī)律。測試對象地板結構及系統(tǒng)運行工況為:室內空氣溫度為17.2℃,采暖盤管供、回水及平均水溫分別為31.5、26.5和29.0℃,填充層為50mm碎石砂漿,輻射盤管間距為300mm。根據表1,通過實測獲得的地板輻射供暖連續(xù)運行地板表面溫度最大值、最小值和平均值與模型數(shù)值計算結果分別相差5%、6.9%、6.6%。且數(shù)值計算結果均大于實測結果,主要由于盤管下表面為50mm聚苯乙烯泡沫板保溫材料,在數(shù)值計算中,為計算方便將其簡化為絕熱處理,忽略向下的傳熱,導致計算結果與實測結果存在一定差異?？煽闯?當將盤管下表面保溫材料當絕熱處理時,引起的誤差不超過7%。由圖2可知,預熱期地板表面溫度實測值與數(shù)值計算結果相差最大時為0.8℃,平均值相差0.5℃。實測與數(shù)值計算結果相近,誤差在允許范圍內,表明數(shù)學模型和數(shù)值計算方法合理準確。3計算結果和分析3.1地板主要結構特點盤管運行水溫分別為40、50、60℃,填充層厚度分別為50、60、70mm,管間距分別為100、200、300mm,盤管管徑取16/20mm。地板主要結構:面磚層:磚砌體,厚度為10mm,密度為1900kg/m3,導熱系數(shù)為1.1W/(m·K),比熱容為1.05kJ/(kg·K),蓄熱系數(shù)(24h)為12.72W/(m2·K);填充層:碎石混凝土,密度為2300kg/m3,導熱系數(shù)為1.51W/m·K,比熱容為0.92kJ/(kg·K),蓄熱系數(shù)(24h)為15.36W/(m2·K)。3.2溫度和熱流密度的變化規(guī)律3.2.1盤管水溫對熱水時動態(tài)的影響預熱期不同盤管運行水溫條件下,地板表面溫度及熱流密度隨時間變化規(guī)律如圖3所示;不同填充層厚度和不同盤管間距條件下,地板表面溫度隨時間變化規(guī)律分別如圖4和圖5所示。由圖3可知,盤管運行水溫分別為30、40、50℃時,地板預熱過程中地板表面平均溫度及熱流密度變化規(guī)律相似。盤管水溫越高,地板表面溫度和熱流密度增大越快。但是,不同盤管運行水溫條件下地板預熱過程,加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間基本相同,約為5h,可見,盤管運行水溫對完全釋放的輻射供暖地板預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間影響較小。由圖4可知,當填充層厚度越小時,地板表面溫度越高。還可看出,填充層厚度越小,預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間越短。但是,不同填充層厚度條件下,預熱時間差別較小,可見,在常用的填充層厚度范圍內,填充層厚度的變化對完全釋放的輻射供暖地板加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的影響較小。由圖5可知,盤管間距越小,地板表面溫度越高,且預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間也越短,盤管間距為100、200、300mm時,預熱時間分別約為2.5、5.0、7.5h?？梢?盤管間距對完全釋放的輻射供暖地板加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的影響較大。3.2.2預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間的影響當間歇時間較短,地板蓄熱量未完全釋放時,地板內溫度降低,當間歇n小時后又開始加熱,則地板由間歇n小時后的結構層內溫度分布情況再預熱至穩(wěn)定狀態(tài)。不同盤管運行水溫和不同盤管間距預熱期地板表面平均溫度變化如圖6和圖7所示。由圖6可知,分別間歇0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0h后開始預熱,預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間分別約為0.5、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5h?？煽闯?間歇時間較短時,加熱所需時間與間歇時間相當;當間歇時間較長時,加熱所需時間小于間歇時間;當間歇時間足夠長后(約為12.0h),即可認為前期蓄熱量基本全完釋放,則預熱時間約為5.0h。盤管運行水溫為50℃時,其表面平均溫度高于盤管運行水溫為40℃時,但預熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間無明顯差別。由圖7可知,預熱開始后,與盤管間距200mm相比,盤管間距為100mm時其表面平均溫度升高較快,且加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間較短。在間歇時間相同的情況下,盤管間距越小,加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間越短,不同盤管間距下間歇時間與加熱至穩(wěn)定狀態(tài)所需時間(預熱時間)關系如表2所示。3.3分別選取適宜的樹種利用前述分析方法,計算得到不同填充層厚度地板結構間歇期計算單元地板總蓄熱量隨時間變化規(guī)律如圖8所示,其中盤管間距為200mm,盤管運行水溫為40℃,填充層厚度分別為50、60、70mm。由圖8可知,填充層厚度分別為50、60、70mm時地板蓄熱總量有較大差別。填充層厚度較大時地板蓄熱大,同時地板蓄熱總量達到最大值所需時間較長;填充層厚度小時地板蓄熱總量小,地板蓄熱總量達到最大值所需時間較短。填充層厚度為50、60、70mm時,地板結構層熱阻分別為0.042、0.049、0.055(m2·K)/W,計算單元地板蓄熱總量分別為3.2×102、4.7×102、5.3×102kJ,達到最大值所需時間分別約為7.0、10.0、12.5h。4盤管間距對知識產權法的影響利用理論分析、數(shù)值計算和實測驗證相結合的方法對地板輻射間歇供暖地板預熱過程進行了研究,得到以下結論:1)針對地板預熱期預熱時間,盤管間距影響最大,盤管運行水溫及填充層厚度影響較小。給出了不同盤管間距情況下間歇時間與預熱時間的關系。2)填