基于循環(huán)水供暖的室內(nèi)溫度調控分析

黃嶺，李楠，雷俊瑤

（東北林業(yè)大學，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

近年來室內(nèi)供暖問題受到了廣泛關注。如何調整供水流量使得室內(nèi)溫度維持在一個令人舒適的范圍內(nèi)，成為了許多人研究的重點課題。水暖暖氣片廣泛應用于家庭及辦公室等場合，特別是東北三省地區(qū)。我國的水暖產(chǎn)業(yè)也逐漸發(fā)展起來，尤其是鋼制和銅，銅和鋁復合型水暖暖氣片，市場較為廣闊。主要的原因是熱穩(wěn)定性能好，無噪聲，比較節(jié)能，供暖充足。問題為當進水流量和室外溫度一定時，求解房間動態(tài)溫度分布，在此研究背景下，研究人員可以根據(jù)已經(jīng)建立好的模型進行預估判，合理的調整進水與出水口的管流量，以達到室內(nèi)溫度為最理想的一種狀態(tài)，具有很強的應用前景。

1 問題分析

1.1 產(chǎn)熱計算

假設：出水口溫度設為30℃；室內(nèi)平均溫度為21℃

（經(jīng)查閱數(shù)據(jù)資料可得，水暖供熱進水口溫度與出水口溫度相差10℃，由于題目中進水口溫度40℃，故出水口溫度應為30℃。）

故構建暖氣片產(chǎn)熱溫度模型如下：

Q—管段的熱負荷[3]（W）；G—管段的流量（kg/h）；F—暖氣片產(chǎn)熱面積（m2）；

tsg—散熱器進水溫度（℃）；tsh—散熱器出水溫度（℃）

F=2m×1m=2m2G=1×500kg/h=500kg/h

故暖氣片的總產(chǎn)熱為Q產(chǎn)=2Q1=2×5813.95=11627.9W

1.2 散熱計算

室內(nèi)的溫度設為平均值21℃，室外的溫度為0℃，故熱量向室外擴散，熱量擴散分為兩部分：①熱量通過窗戶向的散失 ②熱量通過墻體的散失。

（1）第一部分通過窗戶向室外散熱[4]散熱過程可簡化為為三個過程

室內(nèi)熱量向玻璃內(nèi)側擴散→玻璃內(nèi)側向玻璃外側擴散→玻璃外側向室外擴散

假設：玻璃厚為a1=4mm；導熱系數(shù)為b1=0.78W/(m·k)

已知兩扇窗戶的面積規(guī)格為2m×1.5m，根據(jù)已知條件可求得窗戶的傳熱系數(shù)k1；

K1——傳熱系數(shù)[5];m1——21℃時空氣對流換熱系數(shù);

m2——0℃時空氣對流換熱系數(shù);b1——玻璃的導熱系數(shù)

帶入解得k1=7.22W/(m2·k)

通過整個窗戶的散熱功率為Δt

（2）第二部分墻體的熱量散失

由于此房間僅南北墻和外界接觸，故南北墻體散熱面積2.8m×5m-2m×1m=12m2

（此面積為減去窗戶之后南北墻的散熱面積）

假設：墻體厚度為a2=26cm，墻體導熱系數(shù)為 b2=0.8W/(m·k)

同理解得墻的傳熱系數(shù)k2=2.18W/(m2·k）

n1——21℃時空氣對流換熱系數(shù);n2——0℃時空氣對流換熱系數(shù);

b2——墻體的導熱系數(shù)

在求得房間內(nèi)凈產(chǎn)熱量后利用熱源溫度場迭加法計算溫度

熱源溫度場迭加法(熱源法) 的基礎是瞬時點熱源在無限大介中，發(fā)出一定熱量后任何時刻的溫度場。

熱源為持續(xù)發(fā)熱面熱源,本題中熱源即為暖氣片，并且是將暖氣片看作是恒溫的熱源，其發(fā)熱量為Qm(J/m·s)，此Qm為產(chǎn)熱與散熱計算量的疊加值。

熱源開始發(fā)熱后任何時刻τ,任何地點M處的溫升為

固態(tài)鋁的熱導率：237W/mk

鋁的線膨脹系數(shù)為α=2.35×10-5m/(m.k)

面膨脹系數(shù)為β=3α=7.05×10-5m/(m.k)

由熱量分布計算得距暖氣片最高點不同距離的熱量為：

Qm(0.3)=9392.13W Qm(0.6)=9055.20W

Qm(0.9)=8706.24W Qm(1.2)=8369.29W

Qm(1.5)=8062.43W Qm(1.8)=7761.60W

通過熱量的分布可以得到相應的溫度分布如表1所示。

表1 溫度分布表

水暖供水流量問題備受關注，如何調整供水量使得房間的溫度達到一個合適的范圍是非常重要的問題。本文通過對循環(huán)水供暖房間室內(nèi)溫度場分布的研究，得到了不同的管流量下對應的房間的動態(tài)溫度分布，對應室內(nèi)溫度的分布呈層狀自下而上逐漸由溫度較高的等溫區(qū)域，平行向較低的區(qū)域過度，即室溫溫度隨著空間高度的增加而平穩(wěn)的減小。在不同的管流量下，暖氣片有著不同的的產(chǎn)熱量，由于室內(nèi)溫度與室外溫度的差值是處在變化之中，房間的散熱也處于變化之中，那么對于整個房間的熱量也處于變化，此時為了使房間的溫度達到一個合適的值，就可以調整管流量，改變產(chǎn)熱，使得房間的溫度維持在一個合適的范圍。本文研究的房間的動態(tài)溫度中，在水平面上認為溫度是保持不變的，而在豎直方向上存在梯度，并且離散的研究了在室外溫度和管流量為定值的情況下，距暖氣片最高點不同距離處的溫度分布，考慮到直接研究溫度的連續(xù)分布比較困難，所以我們用了采樣的方法，即取一些離散的值進行研究，進而推斷出連續(xù)時的大概分布問題。

2 結語

研究總結循環(huán)水供暖問題，是為了合理的調整參數(shù)，使得整個系統(tǒng)在能量的利用和能源消耗上都能有一些合適的值，關系到舒適標準、衛(wèi)生要求和能源節(jié)約，設置合適的管流量，即在滿足熱舒適度的基礎上，節(jié)約能源。近幾年來，室內(nèi)溫度已經(jīng)成為室內(nèi)空氣質量的一個重要組成部分，調整好合理的管流量與暖氣片參數(shù)等，使用戶有更高更好的體驗，因此研究此類問題具有一定的工程實際應用價值。