低温热水地板辐射采暖地面散热量的分析与计算.doc

低温热水地板辐射采暖地面散热量的分析与计算

摘要低温热水地板辐射采暖地面散热量计算是一个涉及复杂几何尺寸、复杂边界条件下的复合传热问题,本文用有限单元法对非线性边界条件下各种地面层材料与尺寸地板板体中发生的多介质二维导热问题做了数值解,给出并讨论了地面层材质与厚度、管间距、管径、水温及室温等因素对地面散热量影响的定量关系。
关键词地板辐射采暖对流换热辐射换热有限单元法
1 前言

目前,低温热水地板辐射采暖采暖技术在我国北方广大地区得到相当规模的应用,有的地区已形成热点,并编制了地区的技术标准[1~3]。国内外的许多研究人员也针对某一情况下地板板体结构进行了关于传热的数值计算或实验研究,总结了一些宝贵的经验但目前许多企业与地方标准中使用的地板散热量的计算表都来自国外,国内还没有人对其数据的准确性进行认真的分析与校核。从表的内容看,也比较粗糙,没有确切反映管径、板体结构、材质与厚度变化对散热量的影响。国内一些关于地板板采暖传热过程的数值模拟研究大都是把地板表面边界条件中的对流换热系数及当量辐射换热系数取为定值,而实际上它们是地板表面温度和室温的函数,而且地表温度也是不均匀的,这种取定值的做法难以得到可信的结果。
针对我国目前对地板采暖复杂传热过程研究还不尽完善的情况,本文用有限单元法对非线性边界条件下各种地面层材料与尺寸地板板体中发生的多介质二维导热问题做了数值及室温等因素对地面散热量影响的宣关系。

2 计算过程的说明

通常地板采暖的板体结构与外部条件如图1所示,计算中做了如下近似与假定:地板板体内导热是二维问题;板体内各层材料是均质恒物性,相互紧密接触,忽略接触热阻;忽略塑料管的导热热阻;用供回水平均温度代替实际水温;管下部绝热层热阻为无穷大。

图1 地板板体与外部条件图
1-地面层; 2-找平层; 3-填充层;4-保温层; qd-对流换热; qf-辐射换热

图2 传热计算单元

基于上述假定,数值模拟的最小单元如图2所示,单元中下边界为绝热层绝热,左边界与右边界分析为管中心垂直面与两管之间的中线,由于对称关系,这两个边界也都为绝热边界条件。为追求数值解尽量精确,本文的计算有下述两个特点;
(1)对各种影响因素的变化进行了更全面的计算
在上述假定的基础上,影响地面向房间发热量的因素可归结为如下五项:a)水温,b)室内空气与维护结构内表面温度,c)管径,d)管间距,e)地面层构造,构在地面层各种材料的尺寸与导热系数。
本文的计算程序可容许上述影响因素在合理的范围内任意变化。特别是实际中可能遇到的各种地面层材质与尺寸均列入了计算范围。这是目前已发表的数值解表格中所见不到的。

参数的取值范围列于表1。
填充层
λ1=/(m2·℃),δ1=30mm、40mm、50mm
找平层
λ2=/(m2·℃),δ2=20mm
表面层
大理石
λ3=/(m2·℃),δ2=20mm
塑料地板
λ3=/(m2·℃),δ2=3mm
瓷砖
λ3=/(m2·℃),δ2=10mm
化纤地毯
λ3=/(m2·℃),δ2=10mm
木质地板
λ3=/(m2·℃),δ2=20mm