地面辐射供暖的室内环境模拟仿真

摘要：建立地面辐射采暖数学模型，模拟了房间内气流速度场和温度场的分布情况。

关键词：地面辐射采暖热舒适性节能

我国北方冬季室内的采暖设备主要是散热器，近年来地面辐射采暖得到了广泛地使用。低温地板辐射采暖方式与常规的散热器采暖方式相比，具有节能、室内温度梯度小、舒适性好等优点，為了适应地板辐射采暖的发展和设计，国家出台了《地面辐射供暖技术规程》，对低温热水地板辐射采暖的特点了作了介绍，本文建立低温热水地板辐射采暖房间数学模型，模拟房间室温和气流分布情况。

一、物理模型的建立

本文选用北方常见的住宅房间建立模型，房间的长宽高分别为：5m×4m×3m。室外的计算温度为-8℃，供暖室内的温度为20℃。低温盘管采用《地面辐射供暖技术规程》中推荐的回折式，管间距250㎜，管材料PB管。

（一）墙壁的内表面温度

在稳定传热的条件下，外墙的传热阻、室内、外空气温度、外墙的内表面温度之间有如下关系式^[1]：

通过计算可得室内墙壁的温度为14.6～15.4℃，可见室内墙壁温度波动很小，假定墙内表面为常壁温边界条件，取平均值为15℃。

（二）地面温度

假设地面辐射采暖的供水温度为50℃，回水温度为40℃，地面装修考虑铺有厚地毯，采暖管间距为250mm，单位面积的散热量为70.4W/㎡^[2]，计算地表温度为27.0℃，为了简化计算，可设地面为常温条件，温度取平均值27℃。

（三）屋顶温度

采用上述方法和相关参数，可得屋顶的内表面温度为14.4～16.6℃，简化屋顶的内表面为常壁温取平均值为15.5℃。

二、控制方程

根据建立的房间物理模型设定的边界条件，可以得到计算模型。计算模型模拟采用标准K-ε两方程模型进行求解，浮升力模型采用非线性Boussinesq假设，控制方程的通用形式为：

三、数值模拟

根据所建立的模型，分别对两种采暖方式下的室内的速度场和温度场模拟如下。（注：X—房间的进深方向，Y—房间的高度方向，Z—房间的宽度方向）。

地面辐射供暖的室内速度场和温度场模拟结果如下。

由图1、图3、图5是地面辐射供暖室内的速度场，图1、3可见，地面辐射供暖在房间的中部有较大的气流速度场，最大约为0.36m/s。速度场以此为中心对称分布形成两个旋涡，这是由于上升气流遇到屋顶阻挡下降形成的，图5可见在房间主流区域速度场分布均匀，在墙角处存在四个气流小旋涡。图2、图4、图6是室内的温度场，图2、4可见地面辐射供暖室内高度方向的温度分布，房间底部垂直方向温度分布均匀，室内上部空间温度较低，高度方向温度梯度较小，图6可见房间水平方向温度分布，房间主流区域温度分布均匀。

四、低温地板辐射采暖方式特点分析

（一）通过模拟可知低温热水地板辐射供暖主要以辐射的方式进行传热，这种传热方式无需经过传热介质，传热效率高，房间能达到较高辐射温度，辐射温度越高，人就越感到热，因此地板采暖可以用较低的室内设计温度取得与传统散热器较高室内设计温度相当的采暖效果。《地面辐射供暖技术规程》规定地板采暖时，室内的设计温度的取值比对流采暖系统的室内设计温度降低2℃，或取对流采暖计算总负荷的90%～95%。

（二）由图2～6可见地板辐射供暖系统，辐射供暖地板的温度高于室内设计温度，距地面附近垂直方向温度变化不大，室内上部空间温度低，因而大大地减少了上部空间向外的无效热损失，在高大的公共建筑空间，节能效果十分显著。

五、结语

本文建立了地面辐射采暖数学模型，对这种采暖方式下的房间的速度场和温度场分别进行了模拟，可得以下结论：

（一）地面辐射供暖室内气流速度和温度分布均匀，地表温度和边界条件对室内环境影响较大，房间中部温度较高，建议在工程设计中应减小房间中部的盘管密度，室内高度方向温度梯度小，房间温度下高上低，形成了“脚暖头凉”的热环境，房间的热舒适性好。

（二）地面辐射供暖热源温度较低，可以利用大量的低品位能和太阳、污水能可再循环能量，避免了能源的浪费。

参考文献：

[1]汪健生，胡静，陈占秀.四种供暖方式的分析比较.暖通空调.2005.04

[2]杨春英，王革，黄仕启.地板辐射采暖系统的数值模拟.应用能源技术.2005.05

作者简介：姓名：孟岩勇 出生年月：（1981.02.27）性别：男 民族：汉 籍贯：河北省石家庄市 学历：硕士研究生 职称：高级工程师 研究方向：通风空调。