间歇供暖预热期地板蓄热特性研究

间歇供暖预热期地板蓄热特性研究

0地板热特性的研究被动太阳房简单且易于操作，无运营能耗，但受气候条件和建筑物形状的限制，在夜间和其他时间段很难达到房间的热环境。为保证全天热舒适要求,这些时段需要间歇性启动采暖系统作为补充。在掌握被动太阳能得热规律的情况下,间歇供暖地板蓄热特性及表面散热特性,间歇采暖系统的投入运行时间、地板设计和运行参数等如何确定,成为保证室内热环境满足要求的关键所在。文献[1~3]分别针对地板辐连续供暖地板表面、室内空气温度分布等进行了研究,但未涉及间歇模式下温度分布特征;文献[4,5]虽然对地板辐射间歇供暖地板热特性进行研究,但均是从定性角度考虑,难以对具体工程提出间歇运行模式的指导。本文拟利用数值计算与实测验证相结合的手段对间歇供暖地板动态热过程进行分析,掌握预热期不同组合情况下地板蓄热特性以及盘管间距、管道水温、填充层厚度等地板设计、运行参数对其特性的影响,获得间歇时间与预热时间的对应关系,为对太阳能建筑地板间歇供暖模式、运行策略及地板结构参数选择提供依据。1理论分析1.1地板结构非稳态传热模型地板辐射间歇供暖预热期,按照间歇时间长短可分两种情况进行分析。工况1,间歇时间足够长,地板结构内蓄热量完全释放,即地板温度与室内温度近似相等,均为室温允许下限14℃;工况2,间歇时间较短,地板结构内蓄热量尚未完全释放,其地板温度遵从间歇期结束时结构层内温度分布规律。辐射地板的物理模型如图1所示。辐射地板结构二维非稳态传热数学模型及所采取的假设条件[6~8]为:1)地板结构层中同一材料层材质均一;2)辐射盘管停止运行,管道表面可认为绝热;3)水温沿管道轴向变化不大,忽略轴向传热[9~11];4)相邻地板盘管间对称;a)两相邻地板盘管中心线和结构层下表面边界,即和y=0为绝热边界:b)地板上表面边界条件为第三类放热边界:式中,a———热扩散系数,m2/s;l———盘管间距,m;h———地板上表面位置,m;qλ、qc、qr———地板上表面导热、对流、辐射换热热流密度,W/m2;αc、αr———地板表面对流换热系数和辐射换热系数,W/(m2·K),根据文献[12,13]中的研究成果进行取值;Ta———室内空气温度,℃,停暖后,地板结构层内蓄热量的缓慢释放减缓了室温下降速度,在该过程中,允许最低室温取14℃,即室温在14~18℃之间波动变化,本文研究重点为地板结构层蓄放热规律,室温取其平均值16℃。c)盘管表面为温度边界:式中,R———盘管半径,m;Ts———盘管运行水温,℃。2温允许下限工况1:间歇时间足够长,地板结构层内蓄热量完全释放,即地板温度与室内温度近似相等,均为室温允许下限14℃;工况2:间歇时间较短,地板结构内蓄热量尚未完全释放,地板温度为间歇期结束时结构层内温度分布规律:式中,g(x,y,n)———间歇n小时后地板结构内温度分布规律,通过Matlab构造插值函数int(x,y,n)作为预热阶段初始条件进行数值计算。1.2知识产权实际蓄热量的计算计算单元地板结构二维简化物理模型仍如图1所示。其中计算单位定义为:长度为盘管间距l,宽度为1m的地板结构。预热期计算单元地板表面和盘管表面瞬时散热量分别为:式中,q1、q2———预热期某时刻地板表面和盘管表面热流分布规律,W/m2;s———地板辐射盘管半圆弧长,m。预热期各时刻地板结构层内瞬时蓄热量应等于盘管表面散热量与地板表面散热量之差:式中,qs———预热期计算单元地板瞬时蓄热量,W。上述理论分析可通过数值计算得到结果,即可得到预热期各时刻瞬时蓄热量qs(τi),对瞬时蓄热量数值进行拟合分析,获得数学拟合表达式。最后,对该表达式在预热时间内求积分即可得到预热m小时后地板总蓄热量。式中,qs(τ)———预热期各时刻计算单元地板瞬时蓄热量,W;qs,fit(τ)———预热期计算单元地板瞬时蓄热量随时间变化规律拟合表达式,W;Qs,m———预热期计算单元地板总蓄热量,J。1.3数值计算方法数学模型采用数值方法进行求解,利用有限元法编制的数值分析软件COMSOLMultiphysics4.1进行计算,并且对数值计算结果利用Matlab软件进行插值处理,得到插值函数int(x,y)或int(x,y,n)作为初始条件,进行后续计算。2预热期地板表面温度利用现场实测结果与数值计算结果进行对比分析(如表1),验证分析模型准确性。连续运行期,在室内空气温度和盘管平均温度一定的情况下对比分析其地板表面温度最大值、最小值和平均值。预热期,对比地板表面平均温度变化规律。测试对象地板结构及系统运行工况为:室内空气温度为17.2℃,采暖盘管供、回水及平均水温分别为31.5、26.5和29.0℃,填充层为50mm碎石砂浆,辐射盘管间距为300mm。根据表1,通过实测获得的地板辐射供暖连续运行地板表面温度最大值、最小值和平均值与模型数值计算结果分别相差5%、6.9%、6.6%。且数值计算结果均大于实测结果,主要由于盘管下表面为50mm聚苯乙烯泡沫板保温材料,在数值计算中,为计算方便将其简化为绝热处理,忽略向下的传热,导致计算结果与实测结果存在一定差异。可看出,当将盘管下表面保温材料当绝热处理时,引起的误差不超过7%。由图2可知,预热期地板表面温度实测值与数值计算结果相差最大时为0.8℃,平均值相差0.5℃。实测与数值计算结果相近,误差在允许范围内,表明数学模型和数值计算方法合理准确。3计算结果和分析3.1地板主要结构特点盘管运行水温分别为40、50、60℃,填充层厚度分别为50、60、70mm,管间距分别为100、200、300mm,盘管管径取16/20mm。地板主要结构:面砖层:砖砌体,厚度为10mm,密度为1900kg/m3,导热系数为1.1W/(m·K),比热容为1.05kJ/(kg·K),蓄热系数(24h)为12.72W/(m2·K);填充层:碎石混凝土,密度为2300kg/m3,导热系数为1.51W/m·K,比热容为0.92kJ/(kg·K),蓄热系数(24h)为15.36W/(m2·K)。3.2温度和热流密度的变化规律3.2.1盘管水温对热水时动态的影响预热期不同盘管运行水温条件下,地板表面温度及热流密度随时间变化规律如图3所示;不同填充层厚度和不同盘管间距条件下,地板表面温度随时间变化规律分别如图4和图5所示。由图3可知,盘管运行水温分别为30、40、50℃时,地板预热过程中地板表面平均温度及热流密度变化规律相似。盘管水温越高,地板表面温度和热流密度增大越快。但是,不同盘管运行水温条件下地板预热过程,加热至稳定状态所需时间基本相同,约为5h,可见,盘管运行水温对完全释放的辐射供暖地板预热至稳定状态所需时间影响较小。由图4可知,当填充层厚度越小时,地板表面温度越高。还可看出,填充层厚度越小,预热至稳定状态所需时间越短。但是,不同填充层厚度条件下,预热时间差别较小,可见,在常用的填充层厚度范围内,填充层厚度的变化对完全释放的辐射供暖地板加热至稳定状态所需时间的影响较小。由图5可知,盘管间距越小,地板表面温度越高,且预热至稳定状态所需时间也越短,盘管间距为100、200、300mm时,预热时间分别约为2.5、5.0、7.5h。可见,盘管间距对完全释放的辐射供暖地板加热至稳定状态所需时间的影响较大。3.2.2预热至稳定状态所需时间的影响当间歇时间较短,地板蓄热量未完全释放时,地板内温度降低,当间歇n小时后又开始加热,则地板由间歇n小时后的结构层内温度分布情况再预热至稳定状态。不同盘管运行水温和不同盘管间距预热期地板表面平均温度变化如图6和图7所示。由图6可知,分别间歇0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、10.0h后开始预热,预热至稳定状态所需时间分别约为0.5、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5h。可看出,间歇时间较短时,加热所需时间与间歇时间相当;当间歇时间较长时,加热所需时间小于间歇时间;当间歇时间足够长后(约为12.0h),即可认为前期蓄热量基本全完释放,则预热时间约为5.0h。盘管运行水温为50℃时,其表面平均温度高于盘管运行水温为40℃时,但预热至稳定状态所需时间无明显差别。由图7可知,预热开始后,与盘管间距200mm相比,盘管间距为100mm时其表面平均温度升高较快,且加热至稳定状态所需时间较短。在间歇时间相同的情况下,盘管间距越小,加热至稳定状态所需时间越短,不同盘管间距下间歇时间与加热至稳定状态所需时间(预热时间)关系如表2所示。3.3分别选取适宜的树种利用前述分析方法,计算得到不同填充层厚度地板结构间歇期计算单元地板总蓄热量随时间变化规律如图8所示,其中盘管间距为200mm,盘管运行水温为40℃,填充层厚度分别为50、60、70mm。由图8可知,填充层厚度分别为50、60、70mm时地板蓄热总量有较大差别。填充层厚度较大时地板蓄热大,同时地板蓄热总量达到最大值所需时间较长;填充层厚度小时地板蓄热总量小,地板蓄热总量达到最大值所需时间较短。填充层厚度为50、60、70mm时,地板结构层热阻分别为0.042、0.049、0.055(m2·K)/W,计算单元地板蓄热总量分别为3.2×102、4.7×102、5.3×102kJ,达到最大值所需时间分别约为7.0、10.0、12.5h。4盘管间距对知识产权法的影响利用理论分析、数值计算和实测验证相结合的方法对地板辐射间歇供暖地板预热过程进行了研究,得到以下结论:1)针对地板预热期预热时间,盘管间距影响最大,盘管运行水温及填充层厚度影响较小。给出了不同盘管间距情况下间歇时间与预热时间的关系。2)填