太陽能熱風蓄熱地板蓄放熱特性的數值分析

摘 要：本文提出一種擁有特殊內部管路（主管+支管）的太陽能熱風蓄熱地板結構，采用數值模擬研究方法，分析在主管支管共同作用下，關鍵設計參數對蓄熱地板的蓄放熱特性的影響，為新型太陽能熱風-地板輻射供暖系統的設計、運行提供參考依據。研究結果表明，當主管支管管徑比為2、風道面積比為1時，隨著熱風流量變大（65m3/h、160m3/h、255m3/h），熱風向蓄熱地板的傳熱作用和蓄熱地板的蓄放熱能力也越強，也能構建更加均勻的室內溫度場。

關鍵詞：太陽能熱風；蓄熱地板；主管支管；蓄放熱特性；數值模擬

中圖分類號：TK 519" " " " " " " 文獻標志碼：A

若能將太陽能熱風系統收集的熱量直接送入室內，利用室內蓄熱地板進行蓄放熱，以滿足房間熱需求，則可大幅降低供暖能耗。國內外學者對太陽能熱風系統蓄熱地板的蓄放熱特性進行了一系列研究，例如KITAGAWA H等[1]提出了一種基于相變材料蓄放熱的新型輻射地板冷卻系統，通過研究證明相變材料在維持室內溫度場穩定方面的作用。王闖等[2]提出一種混凝土地板蓄熱系統，并將其用于空氣式太陽能供暖系統，探究了系統設計參數，例如集熱器朝向、環境參數以及供風速度下該地板的蓄放熱特性。既往研究主要集中在單一管路作用下的設計參數（例如地板厚度、盤管水溫、管徑、管間距等）以及相變材料對地板蓄放熱特性的影響，而在主管支管共同作用下，設計參數對蓄熱地板的蓄放熱特性的影響研究相對較少?；诖?，本文提出一種擁有特殊內部管路（主管+支管）的太陽能熱風蓄熱地板結構，并針對主管支管共同作用下，關鍵設計參數（熱風流量、風道面積比、主管支管管徑比）對蓄熱地板的蓄放熱特性的影響規律進行數值模擬研究，為新型太陽能熱風-地板輻射供暖系統的設計、運行提供參考依據。

1 蓄熱地板蓄放熱特性數值模擬

1.1 物理模型

本文利用ICEM CFD建立物理模型（如圖1所示）。為節約計算資源，對物理模型進行簡化，簡化后的模型外墻尺寸為2000mm×2000mm×450mm（長×寬×高），混凝土地板尺寸為1500mm×1500mm×250mm（長×寬×高）。內部主管、支管的直徑分別為150mm、100mm，支管數為9個。

蓄熱地板選取的材料為水泥砂漿，風管材料為不銹鋼管拼接組成，墻體材料與風管材料的物性參數見表1。

蓄熱地板表面與室內空間的傳熱方式為對流換熱與輻射換熱，其他墻體表面均為絕熱；忽略蓄熱地板混凝土層與地板內風管的接觸熱阻。

1.2 數學模型

蓄熱地板內部管道空氣流動與傳熱控制方程的通用形式如公式（1）所示[3]。

（1）

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；U為空氣流速，m/s；φ為通用變量，代表空氣流速或溫度；Γφ為擴散系數；sφ為代表源項。湍流模型構建采用Standard k-ε兩方程模型[3]。

1.3 邊界條件及蓄熱地板結構參數設置

1.3.1 邊界條件設置

室內初始溫度為5℃，外墻溫度Twall=278.15K，蓄熱地板下表面敷設有隔熱層，視為絕熱壁面，蓄熱地板兩側表面為絕熱壁面，蓄熱地板上表面與房間發生熱交換，其熱邊界條件由熱量交換的動態過程決定（耦合傳熱問題），因此不能預先規定邊界[4]。將蓄熱地板入口段PIPE-WALL的邊界條件設置為絕熱壁面，INLET為速度入口邊界條件，OUTLET為壓力出口邊界條件。

1.3.2 蓄熱地板結構參數設置

將太陽能熱風蓄熱地板內部管道中的主管管徑與支管管徑的比值定義為主管支管管徑比，將太陽能熱風蓄熱地板中混凝土的散熱面積與風管側面積的比值定義為風道面積比。本研究針對不同的主管支管管徑比、支管數、風道面積比，設置了9種不同工況的太陽能熱風蓄熱地板結構，見表2。9種工況下熱風風速均為3m/s。風管入口風量如公式（2）所示。

Qin=900πDpi2?Vin （2）

式中： Qin為風管入口風量，m3/h；Dpi為風管入口直徑，m；Vin為入口風速，m/s。

1.4 求解器及網格劃分

本研究基于有限容積法FLUENT軟件對數值模型進行計算，采用SIMPLE算法求解蓄熱地板與熱空氣、室內空氣的耦合傳熱。壓力、動量、湍流動能、能量、湍流耗散率的離散方式均采用二階迎風差分格式，求解控制方程時的松弛因子均采用默認數值。采用ICEM CFD計算流體動力學軟件進行建模、分塊及網格劃分。蓄熱地板網格劃分模型如圖2所示。

1.5 網格無關性驗證

對物理模型的非結構化網格進行網格無關性驗證，結果表明，在滿足計算精度、節約計算資源的前提下，采用的最小網格數量為2337646個[5]。

1.6 數值模型準確性驗證

在熱風流量為190m3/h、試驗與模擬用蓄熱地板入口溫度相同時，將蓄熱地板出口溫度的試驗測試與數值模擬計算結果對比，如圖3所示。

圖3表明，在相同的運行工況下，試驗結果與數值模擬結果吻合度較高，說明所建立的數值模型能很好地預測地板的蓄放熱特性。

2 太陽能熱風蓄熱地板蓄放熱特性數值分析

本文主要研究關鍵設計參數（熱風流量、風道面積比、主管支管管徑比）對太陽能熱風蓄熱地板蓄放熱特性的影響。

2.1 熱風流量對太陽能熱風蓄熱地板蓄放熱特性的影響

表2中9個工況的數值模擬結果及分析可參照文獻[5]。本文研究當主管支管管徑比2.0、風道面積比1.0時，熱風流量對蓄熱地板蓄放熱特性的影響，通過數值計算得到不同熱風流量下的蓄熱地板在Z為125mm平面溫度分布云圖，如圖4所示。由圖4可知，在太陽能熱風集熱器產熱充足的情況下，隨著熱風流量不斷增加（65m3/h、160m3/h、255m3/h），蓄熱地板內部熱風管道的溫度升高，均勻性均逐漸提高，熱風流量越大，越能強化熱風向蓄熱地板的傳熱作用，蓄熱地板的蓄放熱能力也越強，能構建更加均勻的臥室溫度場。但是在太陽能熱風集熱器產熱不足的情況下，隨著熱風流量變大，熱風流量與蓄熱地板的換熱時間會越短，且熱風本身溫度也會降低，不利于蓄熱地板蓄熱。

2.2 關鍵設計參數對蓄熱地板蓄放熱特性的綜合影響

本文研究當熱風流量（65m3/h、160m3/h、255m3/h）不同時，在風道面積比與主管支管管徑比的共同作用下，熱風蓄熱地板蓄放熱特性的變化情況。蓄熱地板溫度如圖5所示。

由圖5可知，當主管支管管徑比為2時，隨著風道面積比由0.89（支管數7）增至1.02（支管數9），地板表面的平均溫度分別由45.4℃升至45.6℃（熱風流量65m3/h），54.4℃升至54.6℃（熱風流量160m3/h），57.5升至57.9℃（熱風流量255m3/h）。研究表明，隨著熱風流量增加，地板表面的平均溫度上升約10℃，不同熱風流量下，隨著面積比由0.89增至1.02，蓄熱地板平均溫度分別升高約0.2℃（熱風流量65m3/h）、0.4℃（熱風流量160m3/h）、0.4℃（熱風流量255m3/h），隨著風道面積比增加，熱風與蓄熱地板的換熱面積增加，因此蓄熱地板表面的平均溫度也隨之增加。

但是隨著風道面積比增至1.24（支管數12），地板表面平均溫度反而降低了約0.2℃，隨著支管數增加，熱風管道內局部阻力也增加，熱風不能充分流入每個支管，且隨著風道面積比增加，地板內部風管所占空間越大，地板蓄熱材料占比減少，此時地板的蓄熱量也會減少，因此會降低地板對熱需求房間溫度的調節能力。

在不同的熱風流量（65m3/h、160m3/h、255m3/h）下，主管支管管徑比為2時，不同風道面積比下的蓄熱地板表面熱流密度對比如圖6所示。

由圖5、圖6可知，當主管支管管徑比為2時，風道面積比在1以上，當繼續增加時，地板表面平均溫度增量在1℃以內，但地板表面熱流密度卻下降了15W/m2，除了受局部阻力系數的影響，隨著風道面積比變大，地板內部風管所占空間也變大，地板蓄熱材料占比減少，此時地板的蓄熱能力也會降低，因此會降低地板對熱需求房間溫度的調節能力。

3 結論

當主管支管管徑比為2，風道面積比為1時，熱風蓄熱地板的蓄放熱性能最好。當主管支管管徑比為2、風道面積比為1時，隨著熱風流量不斷變大（65m3/h、160m3/h、255m3/h），越能強化熱風向蓄熱地板的傳熱作用，蓄熱地板的蓄放熱能力也越強，越能構建更加均勻的臥室溫度場。但是隨著熱風流量增加，蓄熱地板對溫度的平抑作用將變小、客廳的送風溫度波動會變大、送風速度也會提升，這會影響客廳熱需求房間的熱舒適性，因此在實際應用中，應在保證太陽能熱風集熱器產熱被充分利用、滿足熱需求房間的熱舒適性情況下，盡可能使系統的熱風流量變小。

參考文獻

[1]KITAGAWA H， ASAWA T， KUBOTA T ，et al. Thermal"storage effect of radiant floor cooling system using phase change materials"in the hot and humid climate of Indonesia[J]. Building and Environment，"2022，207（1）：1-13.

[2] 王闖， 趙金玲， 陳濱. 太陽能空氣集熱耦合地板蓄熱系統熱特性試驗研究[J]. 制冷與空調（四川）， 2014， 28（2）： 112-115，121.

[3] 陶文銓.數值傳熱學[M].2版.西安：西安交通大學出版社， 2001.

[4] 王斌. 集熱蓄熱墻傳熱過程及優化設計研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2012.

[5] 郭星辰. 太陽能熱風-地板輻射兩級晝夜差異化供暖系統運行特性及設計優化研究[D]. 西安：西安建筑科技大學， 2024.

通信作者：朱常琳（1969—），女，湖南雙峰人，副教授，主要研究方向為建筑熱環境模擬與調控技術。電子郵箱：93050688@qq.com。