地面輻射供暖的室內環境模擬仿真

摘要：建立地面輻射采暖數學模型，模擬了房間內氣流速度場和溫度場的分布情況。

關鍵詞：地面輻射采暖熱舒適性節能

我國北方冬季室內的采暖設備主要是散熱器，近年來地面輻射采暖得到了廣泛地使用。低溫地板輻射采暖方式與常規的散熱器采暖方式相比，具有節能、室內溫度梯度小、舒適性好等優點，為了適應地板輻射采暖的發展和設計，國家出臺了《地面輻射供暖技術規程》，對低溫熱水地板輻射采暖的特點了作了介紹，本文建立低溫熱水地板輻射采暖房間數學模型，模擬房間室溫和氣流分布情況。

一、物理模型的建立

本文選用北方常見的住宅房間建立模型，房間的長寬高分別為：5m×4m×3m。室外的計算溫度為-8℃，供暖室內的溫度為20℃。低溫盤管采用《地面輻射供暖技術規程》中推薦的回折式，管間距250㎜，管材料PB管。

（一）墻壁的內表面溫度

在穩定傳熱的條件下，外墻的傳熱阻、室內、外空氣溫度、外墻的內表面溫度之間有如下關系式^[1]：

通過計算可得室內墻壁的溫度為14.6～15.4℃，可見室內墻壁溫度波動很小，假定墻內表面為常壁溫邊界條件，取平均值為15℃。

（二）地面溫度

假設地面輻射采暖的供水溫度為50℃，回水溫度為40℃，地面裝修考慮鋪有厚地毯，采暖管間距為250mm，單位面積的散熱量為70.4W/㎡^[2]，計算地表溫度為27.0℃，為了簡化計算，可設地面為常溫條件，溫度取平均值27℃。

（三）屋頂溫度

采用上述方法和相關參數，可得屋頂的內表面溫度為14.4～16.6℃，簡化屋頂的內表面為常壁溫取平均值為15.5℃。

二、控制方程

根據建立的房間物理模型設定的邊界條件，可以得到計算模型。計算模型模擬采用標準K-ε兩方程模型進行求解，浮升力模型采用非線性Boussinesq假設，控制方程的通用形式為：

三、數值模擬

根據所建立的模型，分別對兩種采暖方式下的室內的速度場和溫度場模擬如下。（注：X—房間的進深方向，Y—房間的高度方向，Z—房間的寬度方向）。

地面輻射供暖的室內速度場和溫度場模擬結果如下。

由圖1、圖3、圖5是地面輻射供暖室內的速度場，圖1、3可見，地面輻射供暖在房間的中部有較大的氣流速度場，最大約為0.36m/s。速度場以此為中心對稱分布形成兩個旋渦，這是由于上升氣流遇到屋頂阻擋下降形成的，圖5可見在房間主流區域速度場分布均勻，在墻角處存在四個氣流小旋渦。圖2、圖4、圖6是室內的溫度場，圖2、4可見地面輻射供暖室內高度方向的溫度分布，房間底部垂直方向溫度分布均勻，室內上部空間溫度較低，高度方向溫度梯度較小，圖6可見房間水平方向溫度分布，房間主流區域溫度分布均勻。

四、低溫地板輻射采暖方式特點分析

（一）通過模擬可知低溫熱水地板輻射供暖主要以輻射的方式進行傳熱，這種傳熱方式無需經過傳熱介質，傳熱效率高，房間能達到較高輻射溫度，輻射溫度越高，人就越感到熱，因此地板采暖可以用較低的室內設計溫度取得與傳統散熱器較高室內設計溫度相當的采暖效果。《地面輻射供暖技術規程》規定地板采暖時，室內的設計溫度的取值比對流采暖系統的室內設計溫度降低2℃，或取對流采暖計算總負荷的90%～95%。

（二）由圖2～6可見地板輻射供暖系統，輻射供暖地板的溫度高于室內設計溫度，距地面附近垂直方向溫度變化不大，室內上部空間溫度低，因而大大地減少了上部空間向外的無效熱損失，在高大的公共建筑空間，節能效果十分顯著。

五、結語

本文建立了地面輻射采暖數學模型，對這種采暖方式下的房間的速度場和溫度場分別進行了模擬，可得以下結論：

（一）地面輻射供暖室內氣流速度和溫度分布均勻，地表溫度和邊界條件對室內環境影響較大，房間中部溫度較高，建議在工程設計中應減小房間中部的盤管密度，室內高度方向溫度梯度小，房間溫度下高上低，形成了“腳暖頭涼”的熱環境，房間的熱舒適性好。

（二）地面輻射供暖熱源溫度較低，可以利用大量的低品位能和太陽、污水能可再循環能量，避免了能源的浪費。

參考文獻：

[1]汪健生，胡靜，陳占秀.四種供暖方式的分析比較.暖通空調.2005.04

[2]楊春英，王革，黃仕啟.地板輻射采暖系統的數值模擬.應用能源技術.2005.05

作者簡介：姓名：孟巖勇 出生年月：（1981.02.27）性別：男 民族：漢 籍貫：河北省石家莊市 學歷：碩士研究生 職稱：高級工程師 研究方向：通風空調。