低溫地面輻射供暖間歇運行室溫變化模擬

鄒韋唯， 苗立鼎， 崔明輝， 王易軍

(1.河北新奧能源發展有限公司，河北石家莊050000；2.河北鼎控自動化科技有限公司，河北石家莊050000；3.河北科技大學，河北石家莊050000)

1 概述

國家通過居住建筑節能設計標準的制定和修訂，采取了三步節能的實施步驟，力求通過外圍護結構保溫性能的增強來降低北方地區城鎮建筑的供暖能耗[1]。同時，伴隨著供暖收費制度的改革，行業規范中已經以強制性條文的形式明確要求集中供熱的新建建筑和既有建筑的節能改造必須安裝熱量計量裝置[2]。目的在于通過經濟杠桿的調節作用，促進住戶的行為節能，通過住戶“部分時間、部分空間”地使用供暖設施[3]，來避免不必要的能源浪費，從而降低供暖能耗。熱用戶行為節能過程中，低溫地面輻射供暖系統處于間歇運行狀態。本文建立了低溫地面輻射供暖房間模型，并利用數值模擬軟件Fluent對供暖系統間歇運行過程進行仿真模擬，以探究低溫輻射地面的蓄放熱特性和室溫的變化特性。

2 模型參數及邊界條件

2.1 模型參數

本文采用Fluent6.3.26軟件以石家莊市位于建筑中間位置的房間為例進行模擬分析，所建立的模型見圖1。模型包含圍護結構，并對圍護結構進行了網格劃分。

圖1 中間層中間戶數值模擬模型

模型結構尺寸(以內墻面計)為x方向4 m，y方向2.9 m，z方向10 m。圍護結構參數見表1。

表1 模型房間圍護結構參數

2.2 數學模型及網格劃分

控制方程包括：連續性方程、動量方程以及能量方程，計算模型采用標準k-ε模型。運用Gambit2.4.6軟件建模并進行網格劃分，采用非結構化四面體網格。

2.3 求解方法

模擬采用SIMPLE算法，將所有參數設置為一階迎風參數進行迭代，采用默認亞松弛因子，能量方程迭代精度選用10-6，其余選用10-4。

2.4 簡化假設及邊界條件

① 室內氣體為低速不可壓縮流體，流態為湍流。

② 流動滿足 Boussinesq 假設，氣體密度的變化僅影響浮升力，忽略流體粘性力作功而引起的耗散熱。

③ 考慮重力，重力加速度為-9.81 m/s2。

④ 室內空氣假定為輻射透明介質，不參與輻射換熱。

⑤ 忽略室內人員、家具對流場的影響。

⑥ 地面邊界條件設置：a.房間正常連續供暖工況下，受室外環境因素影響，地面表面熱流密度可能會處于不斷變化狀態，而低溫地面輻射供暖系統的供水溫度始終保持不變?；诖耍疚牟捎玫谝活愡吔鐥l件對地面輻射供暖系統的盤管層進行定義，即將盤管層設置為定溫邊界，溫度取設計供回水平均溫度308.15 K。b.房間停止供暖時，地面下表面與下方相鄰房間對流換熱，因此將地面下表面定義為第三類邊界條件，即已知下方相鄰房間溫度為293.15 K，以及樓板下表面與下方相鄰房間空氣之間的表面傳熱系數為10 W/(m2·K)。

⑦ 分戶墻及上分戶樓板定義為第三類邊界條件，即已知同層及上層相鄰房間空氣溫度為293.15 K，圍護結構表面與相鄰房間空氣之間的表面傳熱系數為10 W/(m2·K)。

⑧ 室外氣象參數：本文選取日平均室外溫度與供暖期平均室外氣溫比較接近，同時又能較好地反映太陽輻射和室外空氣溫度變化規律的3個典型日的氣象數據進行研究，即將太陽輻射作用與室外氣溫綜合考慮，擬合出室外溫度變化曲線，不再單獨考慮太陽輻射。所選取的3個典型日分別為2017年1月14日、2017年1月15日和2017年1月16日。將這3個典型日逐時室外氣溫分別求平均值，作為本文模擬所引用的氣象參數，見圖2。

圖2 室外氣溫

⑨ 本文模擬考慮冷風滲透的影響，并采用換氣次數法計算冷風滲透耗熱量，根據文獻[4]，本文模型應選用的概算換氣次數為0.7次/h。滲透冷風溫度為即時室外氣溫。

3 系統間歇運行室溫變化特性

熱用戶行為節能過程中，低溫地面輻射供暖系統處于間歇運行狀態。熱用戶關閉供暖閥門后，供暖系統不再對房間供給熱量，該階段稱為節熱供暖過程。此時室溫會逐漸降低，由于建筑圍護結構具有良好的蓄熱能力，因此室溫的降低是緩慢的。當熱用戶打開閥門后，供暖系統重新向房間供熱，該階段稱為升溫供暖過程。

3.1 節熱供暖過程室溫變化特性

① 正常連續供暖室溫變化

根據氣象數據監測結果，一天中，室外氣溫近似呈正弦規律變化[5]。由于圍護結構的傳熱特性，房間溫度在一天中也有可能受到室外氣溫的影響而發生變化。首先對正常連續供暖，供回水平均溫度為308.15 K時，模型房間一天中室內溫度受室外氣溫影響的變化特性進行模擬分析，見圖3。

圖3 模型房間在正常連續供暖時一天中室內溫度受室外氣溫影響變化曲線

由圖3可以看出，室內溫度在一天中基本保持平穩，維持在室內設計溫度293.15 K。

② 0：00停止供暖后48 h內地面與室溫變化

圖4中a、b分別為低溫地面輻射供暖系統從0:00停止供暖后，節熱供暖過程中地面表面平均溫度及室內溫度在48 h中的變化曲線。

圖4 節熱供暖過程地面表面平均溫度及室內溫度變化曲線

從圖4a可以看出，第一天0:00停止供暖后，0:00～1:00，地面表面平均溫度基本保持不變，1:00之后，地面表面溫度近似呈指數衰減。至第2天9:00時，地面表面平均溫度趨于平穩，之后基本保持不變。根據低溫輻射地面傳熱特性，房間正常供暖時，低溫輻射地面儲蓄有一定的熱量。房間停暖后，地面蓄熱量逐漸向外釋放，造成地面表面溫度逐漸下降，待地面表面溫度趨于平穩時，認為地面釋熱結束?？梢?，節熱供暖過程中，停止供暖后約1 h內，地面表面平均溫度幾乎不發生變化，1 h后地面表面平均溫度近似呈指數下降，停止供暖后約33 h，地面釋熱結束。

從圖4b室內溫度變化曲線可以看出，第1天0:00停止供暖后，0:00～4:00，由于圍護結構的熱惰性，室溫基本維持在室內設計溫度293.15 K不發生變化。4:00～13:00，室溫近似呈指數下降，13:00時，室溫下降2.15 K；13:00～17:00，由于此時室外氣溫較高，太陽輻射熱量較大，室溫暫時停止下降，基本維持在291 K；17:00至第2天9:00，隨著室外氣溫下降，室溫繼續下降，至第2天9:00時，室溫降至287.5 K；第2天9：00之后室溫隨室外溫度的變化而改變。

由于停止供暖時，低溫輻射地面在第2天9:00釋熱結束，因此選擇第1天0：00停暖，第2天9:00為起始時刻，對系統重新開始供暖的升溫供暖過程進行模擬，以探究升溫供暖過程中室溫的變化特性。

3.2 升溫供暖過程室溫變化特性

① 供暖供回水平均溫度不同時的地面溫度

圖5為升溫供暖過程中供水流量不變，供回水平均溫度不同時地面表面平均溫度變化曲線，圖中t代表供回水平均溫度，此工況為9：00開始供暖并持續供暖。可以看出，升溫供暖過程中地面表面平均溫度近似呈S曲線上升。9:00開始供暖，0.5 h內地面表面平均溫度幾乎保持不變，0.5 h后地面表面溫度開始上升，低溫輻射地面供回水平均溫度不同，地面表面平均溫度變化量不同，但變化規律基本相同。

圖5 升溫供暖過程地面表面平均溫度變化曲線

低溫輻射地面供回水平均溫度為308.15 K(35 ℃)時，經過13 h，地面表面溫度趨于平穩，此時認為低溫輻射地面蓄熱過程結束，地面表面平均溫度共上升8.76 K。低溫輻射地面供回水平均溫度為318.15 K(45 ℃)時，經過16 h，低溫輻射地面蓄熱過程結束，地面表面平均溫度共上升14.67 K。低溫輻射地面供回水平均溫度為328.15 K(55 ℃)時，經過20 h，低溫輻射地面蓄熱過程結束，地面表面平均溫度共上升21.96 K。

可見，相同初始工況下重新開始對房間供暖，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，地面表面溫度上升速度越快，溫度升高幅度越大，相應的地面蓄熱時間越長。

② 供暖供回水平均溫度不同時室溫變化

升溫供暖過程中低溫輻射地面供水流量不變，供回水平均溫度不同時室溫變化曲線見圖6，圖6中t代表供回水平均溫度，此工況為9：00開始供暖并持續供暖?？梢钥闯?，9:00～11:00，低溫輻射地面供回水平均溫度不同時的室溫變化特性完全相同，呈逐漸上升趨勢。11:00之后，室溫仍逐漸上升，但低溫輻射地面供回水平均溫度不同，室溫上升趨勢不同。

圖6 升溫供暖過程中低溫輻射地面供回水平均溫度不同時室溫變化曲線

低溫輻射地面供回水平均溫度為308.15 K(35 ℃)時，室溫于第2天13:30上升至289.15 K，于第3天2:30上升至291.15 K，開始供暖后24 h內，室溫始終低于293.15 K。

低溫輻射地面供回水平均溫度為318.15 K(45 ℃)時，室溫于第2天13:00上升至289.15 K，于第2天21:00上升至291.15 K，第3天9:00時，室溫上升至室內設計溫度293.15 K。

低溫輻射地面供回水平均溫度為328.15 K(55 ℃)時，室溫于第2天12：30上升至289.15 K，于第2天17:30上升至291.15 K，第3天1:00時，室溫上升至室內設計溫度293.15 K。

可見，升溫供暖過程中，開始供暖后2 h內，盡管低溫輻射地面供回水平均溫度不同，但室溫變化特性完全相同。開始供暖2 h后，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，室溫上升速度越快。低溫輻射地面供回水平均溫度分別為35 ℃、45 ℃、55 ℃時，室溫上升至滿足人體熱舒適性要求的291.15 K所用時長分別為17.5 h、12 h、8.5 h。

4 結論

建立低溫地面輻射供暖房間模型，利用Fluent軟件對節熱供暖過程及升溫供暖過程進行數值模擬，探究低溫地面輻射供暖系統間歇運行過程中地面的蓄放熱特性以及室溫的變化特性。研究結果表明：

① 在正常連續供暖、供回水平均溫度為308.15 K時，室內溫度一天中基本保持平穩，維持在室內設計溫度293.15 K。當系統停止供暖后，約33 h，地面釋熱過程結束。

② 當供回水平均溫度分別為308.15 K、318.15 K和328.15 K時，開始供暖后，分別經過13 h、16 h和20 h，地面蓄熱過程結束。對房間供暖，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，地面表面溫度上升速度越快，溫度升高幅度越大，相應的地面蓄熱時間越長。

③ 升溫供暖過程中，開始供暖后2 h內，盡管低溫輻射地面供回水平均溫度不同，但室溫變化特性完全相同。開始供暖2 h后，低溫輻射地面供回水平均溫度越高，室溫上升速度越快。低溫輻射地面供回水平均溫度分別為308.15 K、318.15 K和328.15 K時，室溫上升至滿足人體熱舒適性要求的291.15 K所用時間分別為17.5 h、12 h、8.5 h。