采用散热器和低温地板辐射供暖的室内热环境与能耗研究

　　z去-H-厶匕建筑节能与空调采用散热器和低温地板辐射供暖的室内热环境与能耗研究刘艳峰，刘加平（西安建筑科技大学，陕西西安710055）3计算软件对低温地板辐射供暖房间和散热器供暖房间的温度场进行了仿真模拟。建立了供暖房间热过程数学模型，对两种房间进行了编程计算。两个模型计算结果反映了低温地板辐射供暖房间的室内热环境优于散热器供暖房间。根据各自热环境特点，计算了两种房间的能耗。发现低温地板辐射供暖房间比散热器供暖房间节能10%~ 12%，其节能的主要原因是消除了空气局部高温区，避免了外围护上的附加传热量。

　　房间热环境包括室内空气温度场和由各辐射表面形成的辐射温度场。采用散热器供暖时，房间各内表面由空气加热，温度差别不大，因此房间热环境可近似由房间空气温度场代替。但散热器供暖房间存在明显的温度分层，这样，外围护结构内表面换热计算，就不能用房间平均温度代替外围护结构内表面附近的空气温度。而采用低温地板辐射供暖，房间内空气温度分布均匀，在外围护结构内表面对流换热计算中，故可采用房间空气平均温度代替外围护结构内表面附近的空气温度。另一方面，因后者基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（50125821）的地板表面温度明显高于其他表面温度，表面之间辐射换热不可忽略，所以房间的热环境分析计算时应综合考虑空气温度场和辐射温度场。

　　低温地板辐射供暖房间的热环境和能耗特点主要体现在以下几个方面：①在相同热舒适条件下室内设计温度可以降低2°C~3°C，由此可降低室内外空气对流热损失；②垂直温度分布均匀，降低了房间上方温度，从而降低了上方围护的传热损失；③消除了散热器附近外围护的室内外热流短路。

　　1室内空气温度场模拟模拟对象为三面内墙和一面外墙的供暖房间；表1控制方程各变量具体形式控制方程变量0扩散系数r源项S连续性方程u动量方程v动量方程能量方程k方程S方程为简化计算假设：房间为封闭空间，两相对内墙之间的空气分布对称，房间内空气为二维自然对流，同时考虑温差形成的浮力作用。模拟过程将忽略门窗渗透风和人员活动等因素对流场的扰动，房间内除散热设备外不安装其他内热源，并将外窗热损失平均到外墙上，房间内各壁面温度或热流均匀。

　　1.1数学模型因室内空气流速低，故采用二维低Re数k-e湍流模型。模型包括连续性方程、动量方程、能量方程和湍流脉动动能k方程和湍流脉动能量耗散率e方程。其中动量方程的扩散系数考虑了空气粘度系数和流场中湍流脉动作用形成的附加粘度扩散系数，在v动量方程（竖向）中引入温差产生的浮升力作用。因研究对象Re数低，附加粘度扩散系数应包括湍流扩散系数和分子扩散系数两部分，在k控制方程中壁面附近脉动动能耗散为各向异性。各模型中各方程的统一格式如下：表1中。分别为热力学温度和计算热内表面热平衡方程：热量，W/m围护结构传热控制方程：第i个围护结构传热系数Ki，其中的5、A和分别为第i个围护结构的厚度、导热系数和外表面换热系数，m、W/（m*°C）和表面辐射换热控制方程：第i个内表面辐射温度及其对应的平均辐射温度，K一第i个内表面的发射率2.3模型计算被计算房间面宽3.房间有一面南向外墙，外窗为1. 5mx1.7m双层铝合金玻璃窗；其余围护结构为内围护结构。又：采暖季室外平均温度1°C，外窗渗透换气量取7kg/h，内门换气量取1.5kg/h（内门关闭）；当邻室不供暖时邻室房间基础室温取15°C，供暖时取18°C；各表面发射率都取0.94，散热器供暖房间散热器裸装，平均水温82°C.利用房间热过程数学模型编制计算程序，并对以上条件的房间计算，结果表明：在相同的作用温度下，散热器供暖房间的平均空气温度比低温地板辐射供暖房间高1.0°C~1.3°C；平均辐射温度低1.0°C~1.3°C.这说明即使在房间温度完全均匀的情况下，当室内空气温度相同时，低温地板辐射供暖房间也要比散热器供暖房间更舒适，也就是说，对于相同的热舒适度，低温地板辐射供暖房间可适当降低室内空气温度；若再考虑到散热器供暖房间顶部高温区对房间空气平均温度的提升作用，那么在相同热舒适条件和只存在热压时，低温地板辐射供暖房间空气温度可比散热器供暖房降低2°C~ 3房间能耗计算为方便分析，将外围护结构传热量分为基础传热量和附加传热量：基础传热量是指以房间空气平均温度为基础，由外围护内表面温度和室外温度计算所得的外围护结构传热量，其值由以上热过程数学模型计算；附加传热量是指由于室内空气温度场局部变化对外围护结构传热量的附加修正。散热器房间的附加修正包括房间上部高温区影响修正和散热器上部高温气流影响修正两项：其中房间上部高温区影响修正又包括顶层房间屋顶传热量修正和各层房间外墙上部传热量修正。

　　表2两种供暖房间各部分能耗比较，W/m2地板辐射散热器项臼顶层中间层顶层中间层冷风渗透传热量32. 6屋顶修正传热量-26.1-外墙修正传热量——3. 3.1房间上部高温区影响修正顶层房间屋顶传热量修正：Ata一屋顶内表面附近空气温度与室内平均温度之差，根据室内空气温度场模拟结果取5°C Kz包括内表面对流换热系数的屋顶总传各层房间外墙上部传热量修正：一包括内表面对流换热系数的外墙总传热系数，W/（m2*°C）AtZ―外墙上部高温区内表面附近空气温气温度场模拟结果取5°C3.2散热器上部高温气流影响修正散热器安装于外窗下，散热器上部高温气流主要影响外窗传热。本文只对外窗进行修正：t：―外窗内表面附近空气温度，根据室内外卜窗总传热系数（对应外窗内表面附其中，AOn为由于热气流影响产生的外窗内表面附加表面对流换热系数，根据计算得出散热器供暖房间外窗内表面附加对流换热系数Aan为Kz为外窗总传热系数，（对应房间平均空气温（m2.°C），其值对应上Aan为0. 3.3能耗计算结果根据室内空气温度场模拟结果，取散热器供暖房间人体活动区的空气温度小于空气平均温度1.0°C.以相同的实际作用温度17.5°C为基础，计算条件同前述热过程模拟条件。计算结果见表2.从表2可见，当两种房间的实际作用温度相等时，低温地板辐射供暖与散热器供暖相比，节能率为10%~12%.当然，这一结论是针对采暖季平均室外气温为1°C，对单面外墙的节能建筑进行计算的结果；而在室外气温较低的地区，如果建筑物的保温性能又较差或外围护结构多，那么由于建筑外围护结构基本传热量的增加幅度将大于修正传热量的增加幅度，节能率将稍低于该计算值，但仍在10%左右。另一方面，从表2可知虽然低温地板辐射供暖房间的冷风渗透传热量明显小于散热器房间，而房间外围护结构的基础传热量仅稍大于散热器房间；可见低温地板辐射供暖建筑节能的根本原因并不是由于房间空气温度可以降低，而是消除了房间中空气局部高温区，避免了由此产生的在外围护上的附加传热量。

　　4结论地板辐射供暖房间空气温度竖向分布较散热器房间均匀，在房间内无明显的高温区；比散热器供暖符合人体热舒适对温度的分布要求。

　　在相同热舒适条件下和只存在热压时低温地板辐射供暖房间空气温度可比散热器供暖房降低2……~低温地板辐射供暖比散热器供暖可节能率低温地板辐射供暖建筑节能的根本原因是消除了空气局部高温区，避免了外围护上的附加传热量。