薄型通風地暖結構冬季通風及供暖數值模擬分析

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摘要：隨著經濟的發展，人們的生活水平在原來的基礎上得到了很大的提高，對冬季房屋內的供暖和通風提出了新的要求。但是傳統的地暖系統在提供暖氣的同時，卻無法更好的解決室內通風的問題。本文以一種新型的地暖系統即薄型通風地暖系統為研究對象，通過數值模擬和計算驗證的方法，來探討它在解決地板供熱和房間通風等方面呈現出的優勢，為我國的地暖行業發展提出一種新的思路。

關鍵詞：薄型通風地暖；冬季通風及供暖；數值模擬；探索分析

地暖又稱為地板輻射采暖，是把地面作為散熱器，利用地面輻射層中的熱媒體來加熱地面，地面再利用輻射規律將熱量自下而上的傳導出去，達到取暖的目的。近些年，我國地暖行業的發展速度非常迅速，在一定程度上滿足了人們冬季取暖的需求。但是現在的地暖系統在解決取暖和通風的矛盾方面，還存在一些問題，于是如何將通風和取暖問題有機的統一起來，在保證熱量不流失的情況下又能獲得通風透氣的生活體驗，一直是現在地暖行業亟待解決的重要課題。本文針對地暖的特點提出了一套解決通風和供熱的新型地暖系統方案，并通過建立數值模擬和計算相結合的方式，來驗證該設計方案的可行性。

一、傳統地暖系統結構存在的問題

進入現代社會，經濟的發展和科技的進步，是人們的生活方式發生很大的轉變，為了在冬季能享受到舒適的居住條件，人們普遍采用了地暖系統來滿足生活的需要，但是傳統的地暖系統結構在給居民供暖的同時，也逐漸顯露出一些新的問題，主要有以下幾點：第一，通風問題。為了保證地暖的熱量不流失，人們只得緊閉門窗，雖然達到了取暖的目的，但是卻無法改善室內的空氣質量，而要想室內通風透氣，也就不能達到供暖的需要。第二，增加了建筑的工程量和成本。傳統的地暖系統必須有混凝土保護層來裝置，但是這就會使房屋的工程量增加，同時每平方米的負載里也要加大，所以需要耗費更多的建筑材料，也就增加了建設成本。第三，增加地暖的能耗。由于這種供暖方式直接與混凝土的比熱容是掛鉤的，當地暖停止工作后，整個混凝土結構的熱量就立即流失了，難以實現連續式供暖。

二、薄型通風地暖結構的優點及數值模擬的建立

（一）薄型通風地暖結構的優點分析

與傳統的地暖系統相比，薄型通風地暖結構有著很多的優點：首先，傳統的地暖保溫層被取代，由靜壓層提供新鮮空氣，并且無振動、無污染以及無噪音等特點；其次，由于空氣攜帶者一些熱量在室內自由的流通，這就形成一種熱循環效應，使熱量得到了最大化的使用，減少了熱量的無效流失；再次，這種地暖結構不需要專門的建筑結構加以承載，其適應性較強因而可以減少建筑的建筑量和承載力；最后，該地暖結構是薄型通風的，所以它的傳熱和導熱性能非常好，因而加熱時間比傳統地暖輻射板短，可以實現間歇式供暖。

（二）薄型通風地暖結構的數值模擬

薄型通風地暖結構剖面圖（1）和建立數學模型圖（2）如下圖所示：

圖（1）地暖通風結構剖面圖

圖（2）數學模型圖

其中該地暖系統的結構大小是輻射板的長度與寬度的乘積得出，而模擬的房間尺寸是長6米、寬3.5米，因而設計的靜壓層高度為100毫米，出風口大小為400×200（毫米），各種管線之間的距離150毫米，其直徑是φ14/20。其他的參數如供水管的溫度是45攝氏度、管內暖氣的流速是0.6米/秒，通風口的風速是4米/秒，靜壓層的壓力是50帕。為了清楚的分析該地暖系統的作用，本文采用了FLUENT軟件對這些模擬數值進行了計算。

1、從理論上分析，當水的溫度是45攝氏度時，它的運動黏度就是0.5×10-6m2/s，而計算出的雷諾數值在2000以上，因此這種流動狀態被稱為紊流。在設定水的流通固定的常數值，并且是不可壓縮的情況下，對水的比熱容（CP）、溫度（T）、傳熱系數（K）以及粘性耗散（ST）等，通過連續式方程和能量守恒方程進行計算分別如下，

連續式方程：N-S方程：

能量守恒方程：

并利用segregated因式來計算湍流粘度、湍流的動能輸送情況等如下：

在這個公式中CV代表的是常量，而K代表的是湍流動能，

則代表的是湍流功能低耗能

則湍流動能輸送公式如下：

2、要對網格進行劃分以及模擬計算，需要對一些參數值進行設定，如冬季的室外大氣壓力、采暖室外的溫度計算、相對濕度、室內設計溫度等。通過模擬得到地暖進口的風速是5米/秒，供水的溫度達到了45攝氏度，入口的暖氣流速是0.5米/秒，然后依次將地暖管的距離從150毫米擴展到200毫米，對整個薄型通風地暖的數值模擬結果進行分析得出，當地暖管的間距不同時，地板表面溫度的會受到很大的影響，通過對溫度場均勻性用來表示，計算出當地暖管之間的距離是150毫米時，地面最大的溫度可以達到298.4K，最小的溫度也能夠達到291K，因而平均溫度也能保持在293.5K，所以的值就是1.93%，同理當地暖管之間的距離是200毫米時，便可以得出地暖表面最大的溫度為296.9K，最小的溫度也可以達到290.8K，這樣計算出平均的溫度是293.1K，這時的值為2.12%。然后對的值進行比較得出，當其值越小表明地板表面溫度的均勻性越好，因而當地暖管的間距是150毫米時，溫度場的分布比較均勻，而地暖管的間距在200毫米時，效果就差一些，這與實際情況相符合。

結束語

地暖設施對改變人們的生活條件具有十分重要的作用，傳統的地暖系統雖然能夠滿足人們供暖的需求，但是會造成空氣不流通的情況，使人們生活的舒適度下降。而通過數值模擬方式研究的薄型通風地暖結構，在滿足人們取暖的同時，也保證了空氣的流通，而且還能夠達到減少熱量流失、降低建筑的承載力的效果，具有廣闊的發展前景，對地暖行業的發展也有重大的意義和價值。

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