037-低温热水地板辐射采暖室内空气温度场模拟与分析

1、低温热水地板辐射采暖室内空气温度场模拟与分析东北石油大学 徐颖 王忠华 刘晓燕 张兰双摘要：建立低温热水地板辐射连续供暖房间室内空气温度场三维稳态传热物理及数学模型，用Fluent软件模拟计算了室内空气速度及温度场，分析了速度及温度的分布状况及形成的原因。关键词：地板辐射 温度场 Fluent 模拟1引言由于低温热水地板辐射采暖房间与其他类型采暖房间的热过程差别，造成其室内热环境异于其他供暖房间。在封闭的供暖房间里，室内空气被散热器部件加热后，在温差产生的热压作用下形成自然对流场，影响室内空气温度分布。低温热水地板辐射供暖的散热部件为整个地面，温度较低、且分布较均匀，室内辐射作用明显，在较低的

2、空气温度条件下也可以达到同样的室内舒适性。此差异使得在设计计算该类供暖系统以及评价热环境时，应采用区别其它供暖的方法和参数。本文利用自然对流空气湍流流动与传热理论，对低温热水地板辐射连续供暖房间室内空气温度场进行研究，建立室内空气和各围护结构内表面热平衡方程，对室内各内表面平均温度和室内空气平均温度进行研究，分析在某一地板表面温度和室外温度条件下，地板辐射采暖房间室内温度分布和热舒适性。2模型建立2.1物理模型图1为室内空气温度场数值模拟物理模型，图中长方体房间的中心为坐标原点，x方向坐标从2.1m到2.1m；y方向坐标从-1.8m到1.8m；z方向坐标从-1.35m到1.35m，外墙厚度为0

3、.47m。图1 室内空气温度场模拟物理模型2.2数学模型2.2.1假设条件1：（1）考虑温差形成的浮力作用，忽略门窗渗透风和人员活动等因素对流场的扰动；（2）房间内无其它内热源，并将外窗热损失平均到外墙上，房间内各壁面温度均匀。2.2.2数学方程2.2.2.1控制方程（1）质量方程 （1）式中：、速度在x、y、z方向的分量，m/s。（2）动量方程 （2） （3）（4）（2）、（3）、（4）式中，左侧为对流项，右侧前两项为扩散项，、为源项， （5） （6） （7）式（7）右侧最后一项为考虑温差产生的浮升力作用，采用Boussinesq假设修正项。为有效扩散系数， （8）式中：气体的动力粘度系数，

4、kg/(Sm)。为考虑流场中湍流脉动作用形成的附加粘度扩散系数，因研究对象Re数低，该项包括湍流扩散系数和分子扩散系数两部分： （9） （10）其中， （11）式中：经验系数；湍流脉动动能；单位质量流体脉动动能耗散率。（3）能量方程 （12） （13）式中：空气的导热系数，W/(m K)；空气的热容，kJ/(kgK)；经验系数。源项包括内热源 （14）以上方程中引入了和，方程组不再封闭，需要引入和的控制方程。（4）方程 因研究对象Re数低，在控制方程中，壁面附近脉动动能耗散为各项异性。其中： （15） （16）（5）方程 （17）其中， （18）以上方程中，。2.2.2.2边界条件其它表面：

5、，； （19）外墙表面： ，。 （20）3 模拟计算模拟房间为某住宅楼，计算房间的相关参数如表1所示，模拟软件采用Fluent2软件中的3D求解。相关模拟计算所需参数如表1所示。表1 计算房间相关参数房间类型卧室房间外墙数1面北外墙房间尺寸（m3）4.2×3.6×2.7外墙传热系数（W/m2）0.93地板表面平均温度（）33.73室外温度（）-9南墙内壁平均温度（）30.49顶棚表面平均温度（）30.39东墙内壁平均温度（）30.34西墙内壁平均温度（）28.69建立地板辐射采暖房间的三维网格，外墙为第三类边界条件，与室外空气进行对流换热，其它表面为定壁温，地板表面与其它表

6、面进行对流和辐射换热。图2为x=0剖面空气流速矢量图，图3为z=0剖面速度矢量图。图2 x=0剖面速度矢量图3 y=0剖面速度矢量由图2可见，地板表面温度较高，热空气向上流动，冷空气向下流动，冷空气到地板附近被加热，继续向上运动，因此形成旋流。图中左侧为外墙边界，室内空气通过外墙与室外空气进行换热，所以空气流速较大，形成的旋流比内墙侧旋流流速大。图4 z=0剖面速度矢量图5 北外墙内表面温度分布曲线由图3可见，由于西墙表面温度低于东墙表面温度，所以左侧（西墙侧）旋流较右侧（冬墙侧）旋流速度大。由图4可以看出，空气流速最大点并不在地板表面中心处，而是靠近较暖的两面内墙。图5为北外墙内表面温度分布

7、曲线。图中横坐标为地板表面，纵坐标为距地板表面的垂直距离。由图可以看出，距离地板较近处，温度较高，随着高度的增加，外墙表面温度逐渐降低；而且由于西墙表面温度较低，所以外墙表面左侧温度低于右侧。图6至13给出了垂直于z轴剖面的室内温度分布曲线，图中x轴为边界为南墙，y轴边界为西墙。 图6 z=-1.25剖面温度分布曲线图7 z=-1.0剖面温度分布曲线图8 z=-0.8剖面温度分布曲线图9 z=-0.5剖面温度分布曲线图10 z=0剖面温度分布曲线图11 z=0.5剖面温度分布曲线图12 z=0.8剖面温度分布曲线图13 z=1.0剖面温度分布曲线由图6至13可以看出，随着距地板表面垂直距离的加

8、大，水平面的温度逐渐降低，而且同一水平面内温度分布不均匀，由于距离外墙和外窗较近处，由于受冷空气流的影响，温度波动不规律，所以，最高点温度并不是出现在地板中心，而是靠近两面较暖的内墙。图18 x=0剖面温度分布曲线图19 x=1.0剖面温度分布曲线图16 y=1.0剖面温度分布曲线图17 x=-1.5剖面温度分布曲线图14 y=-1.0剖面温度分布曲线图15 y=0剖面温度分布曲线图14、15和16为垂直于y轴剖面室内空气温度分布曲线。图中x轴为地板表面，y轴为距地板表面的距离。图17、18和19为垂直于x轴剖面的室内空气温度分布曲线，图中右边界为外墙表面。由图1419可见，靠近西墙的室内空气

9、温度较低。而且靠外墙越近的剖面，温度越低，这主要是受外墙冷空气的影响所致，与实际测试中室内空气的温度分布规律相同。由图17、18和19可以看出，随着距地板表面距离的增加，室内空气温度逐渐降低，但变化不大，与实际测试的室内垂直方向空气温度分布规律相同。4结论1、建立了地板辐射采暖房间室内空气温度场三维稳态物理和数学模型，利用Fluent软件模拟计算了室内空气速度及温度场，分析了速度及温度的分布状况及形成的原因。2、模拟结果表明，室内空气温度随着距地面越远，温度逐渐降低，而且同一水平面内温度分布不均匀，靠外墙越近的剖面，温度越低，但变化不大。参考文献1 刘艳峰. 地板供暖设计与运行基础理论研究. 西安: 西安建筑科技大学, 2004.2 韩占忠，王敬，兰小平. FLUENT流体工程仿真计算实