低温地板辐射采暖技术应用

低温地板辐射采暖技术应用撰写人：审核人：1.摘要、主题词、关键词：低温地板辐射供暖；覆盖物；数值模拟；Fluent；1、采暖的发展趋势世界和我国的统计数字均表明，建筑能耗在社会全部总能耗所占的比率在30%左右，是能源消耗的一种主要形式，用于暖通空调的能耗又约占85%。最大限度地减少能量消耗，减少有害物质的排放，并充分利用可再生能源成为供暖与供冷技术的发展要求。随着人们生活水平的不断提高，当今建筑采暖方式的舒适性已逐渐引起人们的重视，人们已经意识到它对人的心理，生理健康的影响。医学界呼吁一种能使室内气温适当、让人体感觉舒适、不危害人体健康的采暖方式。采暖方式的节能，环保以及舒适成为现代采暖技术发展得一个基本方向。多年来，随着我国能源结构的变化，大中城市的大气环境日益恶劣，住宅日益商品化，人们对室内热环境要求不断提高，传统供热系统和体制面临着大的变革。目前，我国城镇供暖方式主要采用以热水或蒸汽为热媒的散热器供暖系统。这种系统供暖方式的弊病越来越引起人们的普遍关注。例如：室内空气卫生条件差、散热器占用房间的有效使用面积，装修麻烦及频繁维修等。在上述社会背景下，通过对采暖方式的评价指标体系进行系统的研究，针对不同实际情况得出最优化、适宜的采暖方式就显得很有必要，具有重要的实践指导意义。低温地板辐射采暖由于其舒适性高、卫生条件好、能充分利用各种低品位能源等优点，越来越受到人们的关注，是当今较为先进的一种采暖方式，也是目前国内外公认的最为理想的采暖方式。因此对低温地板辐射采暖系统的原理及实际应用进行深入的研究是十分必要的。2、低温地板辐射采暖的特点及应用场所低温地板辐射采暖系统是利用低温热源，通过埋置于地面构造层内的加热盘管或电缆加热地表面，由被加热的表面放射出远红外线对室内环境进行加热，以达到采暖目的的一种采暖方式。纵观它的发展过程，之所以能克服各种阻力取得较大的发展，主要在于它具有许多其它采暖方式所无法比拟的优点。1、舒适性采用地板辐射采暖时的室内温度垂直分布如图1所示，由于生理卫生要求，地板表面温度不宜高于30℃，地面上空气温度迅速降低达到设计温度，地面50cm以上垂直方向的温度基本保持不变，室内空间各水平面的温度基本相同。因此，采用地板辐射采暖时，使人们有“足热头凉”的舒适感。而在采用以对流为主的散热器采暖时，由于这种采暖方式是以对流散热为主，靠近散热器的空气被加热后密度变小，热空气上升，形成空气对流，因此室内垂直面的温度变化很大，人体下部处于采暖的低温区，头部处于较高的温区。与对流采暖方式相比，采用地板辐射采暖时，室内空气温暖柔和，湿度适宜，因此其舒适性明显好于以对流为主的散热器采暖方式。2、卫生健康,采用地板辐射采暖不容易产生灰尘，清洁卫生有益于健康，4、高效节能低温热水地板辐射采暖系统热源的主要特点是要求供水温度低，所以低温地板辐射采暖直接采用低品位能，如地热水、太阳能等可再生能源或各种低温余热等低品位能作为热源。当低温热源数量不足时，可根据需要增设辅助热源。辅助热源可以采用电加热炉或燃气（燃油）炉等洁净能源。特别是近期，我国某些地区电力出现“供大于求”和“峰谷”严重失调现象，作为具有较强蓄热能力的低温地板辐射采暖，如果能采用低谷电力作为热源，在一定条件下会显示其独特的优越性。据资料[4][5]显示，在全世界的能源消耗中，建筑能耗据首位。因此，各国都把建筑的节能问题放在重要位置。在建筑能耗中，采暖能耗是大户，约占我国总能耗的9％，是建筑能耗的30％左右。低温地板辐射采暖系统，不仅改善室内环境条件，同时与对流采暖系统相比可降低建筑能耗。具体体现在以下三个方面：(1)世界范围内的能源危机促进了太阳能、地热能、工业余热等的开发利用，5、节省室内空间普通散热器的采暖系统需将散热器安装在室内，占用了房间的有效使用面积。一般的散热器约占1～3％采暖建筑面积，给室内装修和家具的摆放均造成了麻烦；而地板辐射采暖和建筑构造相结合，房间的地面上没有任何管道设备，不占用房间有效面积。6、热稳定性强实验及大量资料均表明，地板辐射采暖的热稳定性好，充分利用其热惰性采用间歇采暖的调节方式时，室内温度波动幅度较小。7、适于热计量我国采暖收费基本上是采用按采暖面积计费的方法，这种收费方法导致了能源的巨大浪费。合理的计费方法应该是按照各用户实际用热量来核算。相关资料表明，北欧一些国家采用热计量收费制度后可降低能耗20％～30％[4]。采用单户热计量的收费方法，先决条件是用户对采暖系统必须能进行单独的调节控制和热量的计量，而地板辐射采暖则是一种便于进行单户热计量的采暖方式，用户各房间环路相互独立，各环路均并联于分水器上，只要在分水器处分别为各环路设置调节和控制装置，就可以实现方便地对不同房间的供热量进行调节和控制，在分配器前安装热计量装置即可方便的进行单户的热计量。8、施工与管理方便低温热水地板辐射采暖采用的塑料管材重量轻、柔韧性好，施工技术的改进使其便于施工，减轻了劳动强度。地板辐射采暖系统采用热融焊接，泄漏问题得到很好地解决，因此运行期间其操作简便，维修工作量少，只需定期检查过滤器即可。9、节约金属材料，延长使用寿命目前低温热水地板辐射采暖系统采用的交联聚乙烯(PE-X)、无规共聚聚丙烯管(PP-R)、嵌段共聚聚丙烯管(PP-B)、聚丁烯(PB)、铝塑复合管(XPAP)等管材都具有耐温范围广、耐压强度高，抗腐蚀、抗锈、抗水垢、抗冻等特点，而且无味无臭、安全卫生。这些管材既可用于低温地板辐射采暖系统，也可以用于生活热水及管道煤气上，不仅可以大量替代钢材，还可以提高系统的使用寿命。10、初投资较高、11、土建费用增加、可维修性较差。3、覆盖物对地板辐射采暖的影响建立有地面覆盖物的地板辐射采暖系统温度场二维稳态传热物理及数学模型，用Fluent软件对地板内部温度分布进行模拟计算，并对模拟计算结果进行分析。2.3数值模拟计算实例及结果分析低温热水地板辐射采暖数值模拟计算实例以某办公楼房间为例，对本文所建模型进行模拟计算，该房间有一面北外墙，墙体为370mm的砖墙加外保温，其它相邻房间均供暖，其房间相关参数如表2-1所示，房间地板层结构如图2-1所示。表2-1模拟计算所需相关参数房间类型办公室房间外墙数1面北外墙室内设计温度16℃房间尺寸（内）3m×3.6m××3m设计供水温度54℃室外设计温度-26℃埋管间距200mm设计回水温度46℃管径20×2mm埋管类型PE－RT管传热管埋深60mm埋管长度166m热水管壁平均温度度50℃下表面相邻房间设设计温度16℃建立有覆盖物的低温热水地板辐射采暖结构层数学模型：以混凝土填充层中心为坐标原点，建立坐标系，覆盖物中心点在y坐标轴上。混凝土填充层尺寸为3m×0.06m。图2-1采暖房间地板层结构根据以上数据，对该房间的低温热水地板辐射采暖地板层温度分布用Fluent软件进行数值模拟，模拟结果图2-2～图2-11所示：图2-5覆盖物宽度为0.2m时，地板结构层内温度场覆盖物宽度为0.8m覆盖物宽度为0.8m覆盖物宽度为0.6m覆盖物宽度为0.4m覆盖物宽度为0.2m无覆盖物地板表面温度（℃）结构层横坐标（m）图2-12不同覆盖物宽度时地板表面的温度分布从图2-12可以看出，在房间A的条件下，随着覆盖物宽度的增加，被覆盖物覆盖的地板表面温度会增加。当覆盖物宽度到0.6m时地板表面温度达到与热水管相同的温度50℃。继续增加着覆盖物宽度，地板表面温度不会继续增加，被覆盖物覆盖的地板表面达到50℃的面积会增加。散热量（W）散热量（W）覆盖物宽度（m）图2-12不同覆盖物宽度时地板的散热量表2-２覆盖物长度对温度、散热量的影响覆盖物长度0m0.2m0.4m0.6m0.8m地面最高温度37℃46℃49℃50℃50℃单位宽度3m长地地板的散热量量(W／m)10571008934869793从图2-13、表2-２可以看出，在房间A的条件下，随着覆盖物宽度的增加，地板散热量会减少。覆盖物的面积与地板的散热量减少成正比。低温加热电缆地板辐射采暖数值模拟计算实例以某办公楼房间为例，对本文所建模型进行模拟计算，该房间有一面北外墙，墙体为370mm的砖墙加外保温，其它相邻房间均供暖，其房间相关参数如表3-1所示，房间地板层结构如图3-3所示。表3-2模拟计算所需相关参数房间类型办公室房间外墙数1面北外墙电缆功率18W/m房间尺寸（内）3m×3.6m××3m室内设计温度16℃室外设计温度-26℃电缆间距200mm电缆类型DPIP-18电缆直径8mm电缆埋深60mm建立有覆盖物的低温热水地板辐射采暖结构层数学模型：以混凝土填充层中心为坐标原点，建立坐标系，覆盖物中心点在y坐标轴上。混凝土填充层尺寸为3m×0.6m。图2-14采暖房间地板层结构根据以上数据，对该房间的低温热水地板辐射采暖地板层温度分布用Fluent软件进行数值模拟，模拟结果如图所示：覆盖物宽度为0.5m覆盖物宽度为0.5m覆盖物宽度为0.3m覆盖物宽度为0.4m覆盖物宽度为0.2m覆盖物宽度为0.15m地板表面温度（℃）结构层横坐标（m）图2-25不同覆盖物宽度时地板表面温度分布曲线图2-26不同覆盖物宽度时地板表面温度分布曲线从图2-25、图2-26可以看出，在房间B的条件下，随着覆盖物宽度的增加，被覆盖物覆盖的地板表面温度会不断增加。当覆盖物宽度到0.5m时地板表面最高温度达到70.11℃、加热电缆的最高温度达到85.14℃，加热电缆的最高温度超过了加热电缆的长期使用的耐热温度80℃。继续增加着覆盖物宽度，地板表面温度和加热电缆的最高温度继续电缆的最高温度继续增加着覆盖物宽度，地板表面温度不会继续增，被覆盖物覆盖的地板表面达到50℃的面积会增加。表3-1 覆盖物长度对温度、散热量的影响覆盖物长度0m0.15m0.2m0.3m0.4m0.5m地面最高温度17.99℃27.88℃31.44℃40.26℃53.3℃70.11℃管道最高温度点35.55℃42.99℃46.49℃55.29℃68.33℃85.14℃地面最高温度与覆盖物长度进行曲线拟合（2-8）式中----地面最高温度，W/m2；----覆盖物长度，W/m2。管道最高温度与覆盖物长度进行曲线拟合（2-9）式中----地面最高温度，W/m2；----覆盖物长度，W/m2。2.4本章小结本章用Fluent软件对低温热水地板辐射采暖与低温加热电缆地板辐射采暖的地板内部温度分布进行模拟计算，模拟出地板内部及地板表面的温度场。数值模拟结果分析：（1）在低温热水地板辐射采暖情况下，覆盖物面积加大地面供暖系统的热量难以通过地表面充分散热就会造成局部升温，回水温度会升高，地板温度不