张大英，庄卫东，郭胜杰

黑龙江八一农垦大学

摘 要

为了进一步完善干式地暖研究，了解超薄地暖房间的热工性能，以东北地区住宅为模拟对象，利用Ansys 软件，采用理论分析与数值计算相结合的研究方法，将超薄地暖与传统地暖房间的热工性能参数进行比较。结果表明：在相同的进出水温度及室外计算温度条件下，超薄地暖的室内温度、地板辐射温度、地板散热量均高于传统地暖，超薄地暖比传统地暖更节能，但温度的均匀性不及传统地暖。

关键词

超薄地板辐射采暖；数值计算；温度分布；节能

0 引 言

低温热水地板辐射采暖因其舒适、节能等特点在我国北方得到广泛应用。随着技术的进步，一种新型的超薄地暖被引入我国。由于是新技术，目前尚无国家标准及规范可供参考[1-3]。对于该系统的研究成果，主要集中在结构层（埋管层的材料、厚度、盘管管径、管间距、管长度、装饰层厚度）的不同对地板温度分布和热流密度的影响，而对于房间热环境的影响，目前未见研究成果出现[1]。对于房间热环境的研究，有理论分析法、实验测试法和数值计算法三种。

实验测试法的缺点是测点数量有限，耗时长，测试误差大，测量参数有一定的局限性；数值模拟法成本低、耗时短、且可以得到准确的计算结果，在采暖方面的研究具有可靠性和可行性[4-9]。本文采用理论分析与数值计算相结合的研究方法，对超薄地暖与传统地暖的热工性能参数进行比较，旨在为今后类似工程的设计及系统的优化提供一些借鉴。

1 传统地暖构造与超薄地暖构造

图1 传统地板辐射采暖结图

传统地暖结构如图1 所示，该系统首先在结构层上方铺设导热系数不大于0.05W·m-1·K-1、厚度不小于20mm 的绝热材料作为保温层来阻挡热量的向下传递；再在保温层上方铺设铝箔作为反射层来强化传热；反射膜上方铺设地热盘管；采用等级不小于C15 的豆石混凝土进行回填；最后在填充层上方进行找平，铺设装饰材料；传统的地暖形式约占空间高度8cm。

图2 超薄地板辐射采暖结构图

超薄地暖又称干式地暖，其结构如图2 所示，保温层采用预制的环保挤塑保温成型板；加热管线镶入到预制保温板的凹槽内；该系统结构无豆石混凝土回填，加热管线上方铺设铝箔；铝箔上直接铺设地板等装饰材料；地暖模块整体厚度约为3.5cm。

与传统地暖相比，超薄地暖因无混凝土回填，故降低了结构层的荷载，且避免了由于热应力引起的地面开裂现象，同时还具有升温快、安装维修方便、占用空间小的特点；由于系统增加了保温层的厚度，故减小了热量的向下传递，提高了系统的能源利用效率；但亦因其无混凝土回填，超薄地暖的蓄热能力不及传统的湿式地暖。

2 传热模型

2.1 物理模型

以北方采暖建筑为研究对象， 房间尺寸5000mm×3000mm，外墙采用复合节能外保温结构墙体，围护结构的传热为第三类边界条件，主要材料物性参数见表1[3]。地热管管径20mm，管间距30mm，距外墙10mm。

表1 材料物性参数表

2.2 控制方程

流体的流动遵循物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，这些基本定律对应的控制方程如下[10]。

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

3 计算结果

两种供暖方式采用相同的初始条件及边界条件，供水温度50℃、回水温度40℃，室外计算温度248K；除地热管线外，无其他内热源，其计算结果如下。

3.1 室内温度分布及速度分布

传统地暖房间与超薄地暖房间的室内温度分布云图、辐射温度分布云图、速度分布云图及速度矢量图如图3~10 所示。

图3 传统地暖房间温度分布云图/K

图4 超薄地暖房间温度分布云图/K

图5 传统地暖房间辐射温度分布云图/K

图6 超薄地暖房间辐射温度分布云图/K

图7 传统地暖房间速度分布云图/m·s-1

图8 超薄地暖房间速度分布云图/m·s-1

图9 传统地暖房间空气速度矢量图/m·s-1

图10 超薄地暖房间空气速度矢量图/m·s-1

3.2 地表温度及空气温度

地表平均温度、地表辐射平均温度、空气平均温度见表2。

表2 地表温度及空气温度

4 结果分析

（1）温度分布规律：无论传统地暖还是超薄地暖，室内温度分布都较均匀，且满足供暖要求；地暖房间水平方向温度分布规律是中间高、两边低，即距离外墙越近，空气温度越低；竖直方向温度规律是下高上低，即越靠近辐射源地面，温度越高，越靠近外棚，空气温度越低；超薄地暖房间温度高于传统地暖房间；超薄地暖房间辐射温度高于传统地暖房间。

（2）空气流动特点：气流在中间处上升，遇冷壁面下降，房间出现两个涡流区，受热压影响，临近壁面处气流速度相对较高；房间内空气速度较小，传统地暖房间的气流速度不超过0.0123m/s；超薄地暖房间气流速度不超过0.0128m/s，超薄地暖房间气流速度略高于传统地暖房间。

（3） 计算结果表明传统地暖房间温度在294.9K~296.8K 之间波动， 超薄地暖房间温度在299.9K~302.7K 之间波动，超薄地暖房间温度高于传统地暖房间温度约5℃；传统地暖工作区水平方向温度在295.8K~296.3K 之间波动；超薄地暖工作区水平方向温度在298.9K~302.1K 之间波动；传统地暖竖向温度在295.2~296.8 之间波动；超薄地暖竖向温度在299.5K~306.1K 之间波动超薄地暖无论在水平方向还是竖直方向，温度梯度均大于传统地暖。

（4）超薄地暖地表温度比传统地暖地表温度高约7℃，室内空气温度高约5℃，超薄地暖系统的节能率高于传统地暖。

参考文献

[1] 黎天标, 秦红. 地板辐射采暖系统的研究进展[J].建筑节能,2016,44(4):15–18+40.

[2] 中国建筑科学研究院.GB 50736—2012 民用建筑采暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社,2012.

[3] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社.2008.

[4] 夏燚, 张小松, 汪峰. 干式地板辐射供暖系统特性的试验研究[J]. 流体机械,2015,43(8):59–63.

[5] A.K.Athienitis.1997,Numerical Studyof Thermostat Setpoint Profiles for Floor Radiant Heating and the Effect ofThermal Mass. ASHRAE Trans 103(1):939–948

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[7] 杨巍, 张于峰, 王荣光. 地板辐射供暖的传热模拟[J]. 暖通空调2001,31(1):73–75.

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[10] 朱红钧, 林元华, 谢龙汉. 流体分析及仿真实用教程[M]. 北京: 人民邮电出版社,2010.