不同管間距及供水溫度下溫度場尋最佳地暖條件

夏秋怡 任小潔 陳亦聞 莫 帥 鄧展鵬 周之茹 劉 東

(西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

隨著社會的發展，人們生活水平的提高，人們對于生活質量的要求也越來越高。舒適性高，污染低，供熱效率高，并且比傳統散熱器等采暖方式節能20%～30%[1]的地暖已逐漸成為被人們所接受的冬季供暖方式。而在地暖設計中，對室內環境直接發生熱輻射進行傳熱的地板溫度高低顯得至關重要，無論是低溫還是高溫都會引起人的不舒適感。查文獻可知，不同的面層材料、不同加熱管材、不同管間距等變量對單位地面面積散熱量與向下損失量的影響規范里都有提到[2]，但單位時間內同樣的變量對地板的散熱量卻較少被人們提及，換言之，如何設計出開啟時間短，運行時間長并且供熱溫度適宜的地暖是一個有待解決的問題。

1 模型的建立

1.1 地暖的物理模型

相比于濕式地暖，干式地暖因沒有發泡水泥等填充的回填層而有效降低了層高從而增大了居住層高，因此也稱作超薄地暖；經過前人研究也可知干式地暖與濕式地暖相比，在相同供水溫度下，前者的溫升更高，即干式地暖節能性更高[3]。基于上述原因，因此在此模擬實驗中選擇干式地暖作為模型。其中設置地板為30mm厚的木地板，供水管道為外徑15mm，內徑15.7mm的PE管，均熱層為1mm的超導碳晶膜以及厚度為50mm的聚苯泡沫板EPS保溫層，以其模型如圖1所示。

圖1 地暖物理模型圖

為了方便計算及分析，假定以下條件。

(1)地暖分為板層、均熱層、管層及保溫層，其中設置保溫層最下部為絕熱層。

(2)管層向地板表面的熱量傳遞過程為非穩態傳熱過程。

(3)地板內各層材料均質恒物性，忽略各層之間的接觸熱阻。

(4)由于相鄰兩管之間溫差較小，用供回水平均溫度代替實際水溫。

(5)不考慮管壁熱阻對溫度場的影響[4]。

1.2 邊界條件

本實驗用FULENT軟件進行模擬。在模擬過程中，取高度為2.7m，面積為2×1m2的房間為對象，且設置環境溫度為2℃，從上至下分為地板上部室內空間、地板、均熱層、水管及保溫層五個部分。為了觀察得到不同設置條件下的房間溫度場變化，因此保持地板材料、水管材料等地暖材料不變，以及保持其各部分厚度不變，改變水管供水溫度及水管間距兩個變量模擬得出相關結論。

2 傳熱理論分析

普通干式地暖是通過供回水管道通入熱水作為熱源給地暖帶來熱量，利用溫度差帶來傳熱動力引起能量的傳遞，再通過均熱層向地板均勻傳熱，并且采用鋁板結構層，大大提高地暖散熱面積以及導熱速度，最下方增設保溫層以減少熱量向下傳遞而帶來能量損失，即一定程度上加快地板升溫，使地板與室內空氣發射長波輻射及對流換熱等過程最終達到提高室內溫度的目的。在本章所描述且進行的地暖模型模擬過程中，便是利用此原理進行熱量傳熱分析。且模擬時，在室內地板對上部空間的長波輻射過程中，我們設置為二維非穩態導熱。

3 模擬過程與結果

3.1 水管間距對室內溫度場的影響

首先保持其他變量不變，且此處水管供水溫度保持為45°，改變水管間距分別為100mm，150mm，200mm三組數據，做溫度場模擬，觀察30min內地面溫升情況。

如圖2所示為水管通入45℃水后0.5h，管間距為100mm的室內溫度場分布情況，可以從圖中看出，在0.5h內地板部分的溫度升高至約25℃，較大程度上向房間上部對流傳熱且溫度呈梯度變化。

圖2 管間距為100mm地板溫升圖

如圖3所示為水管通入45℃水后0.5h，管間距為150mm的室內溫度場分布情況，從圖中溫度分布情況可知，0.5h內地板溫升至約23℃，一定程度上向室內上部空間傳熱，且靠近墻壁部分的傳熱更為明顯。

圖3 管間距為150mm地板溫升圖

如圖4所示為水管通入45℃水后0.5h，管間距為200mm的室內溫度場分布情況，根據模擬情況可以得知，在此管間距下，地板溫升約至21℃，基本沒有向上部空間的明顯溫升。

圖4 管間距為200mm地板溫升圖

3.2 供水溫度對室內溫度場的影響

同3.1保持其他變量不變，且此處水管間距為100mm，改變水管供水溫度，分別設置35℃，40℃，45℃三組數據，模擬并觀察室內溫度場變化。

如圖5所示為水管通入35℃水后0.5h，管間距為100mm的室內空氣隨溫度變化曲線，根據曲線變化可知在第1800s，空氣溫度升高至約19℃，且在模擬進行的第400s至第700s區間溫度上升幅度最大。

圖5 供水35℃室內空氣隨溫度變化圖

如圖6所示為水管通入40℃水后0.5h，管間距為100mm的室內空氣隨溫度變化曲線，如曲線變化所示，在該模擬地暖進行的第1800s，空氣溫度上升至約21℃度，同圖5，變化幅度最大的區間也是在約第400s至700s內。

圖6 供水40℃室內空氣隨溫度變化圖

如圖7所示為水管通入45℃水后0.5h，管間距為100mm的室內空氣隨溫度變化曲線，根據曲線所示，在第1800s室內空氣溫度達到約23℃，但可以明顯觀察到在從第1600s開始，溫度變化波動較大且較為緊湊，其他變化部分同圖5、圖6，在第400s至第700s間內上升幅度較大。

圖7 供水45℃室內空氣隨溫度變化圖

4 結 論

綜上3.1及3.2的模擬結果可以得出以下結論：

1)保持其他條件不變，水管間距越寬則地板溫升及空氣溫升越慢，在考慮各種經濟、施工等因素下，選擇管間距為150mm最為適宜。

2)保持其他條件不變，水管內供水溫度越高則空氣溫升越快，同1)在考慮各種情況下，選擇供水溫度為40℃經濟性最佳。