DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.049

地板辐射供暖结合混合通风系统下室内换热实验研究

赵丽博，饶政华，戴文婷，胡雪姣，廖胜明

(中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

摘要：建立地板辐射供暖结合混合通风系统的实验平台，测定供暖系统处于不同供水温度和流量时小室的各内表面温度和室内空气温度，研究地板和其他表面间辐射换热以及地板表面对流换热情况。研究结果表明：地板辐射供暖系统中地板与其他表面的辐射换热量占总换热量的50%~70%，并且随供水温度的升高而减小。当供水温度一定时，地板与其他表面辐射换热的比例随着供水流量的增加而减小。提高供水温度或供水流量均导致地板表面温度的增加，但在需要改变地板温度的时候调节供水温度比调节供水流量更有效。系统达到稳定后，室内温度在垂直方向上的温差不超过2 ℃，具有较高的热舒适性。

关键词：地板辐射供暖系统；混合通风；辐射换热；对流换热

中图分类号：TU832            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)11-4348-07

Experimental study of heat transfer in room with radiant floor heating and mixing ventilation system

ZHAO Libo, RAO Zhenghua, DAI Wenting, HU Xuejiao, LIAO Shengming

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The experimental platform of a radiant floor heating and mixing ventilation system was established, and the temperatures of internal surface and indoor vertical air in the room were measured at different temperatures and flow rates of supply water. The radiation heat transfer from the heated floor to the other internal surfaces and the convective heat transfer near the floor in the room were studied. The results show that the radiation heat transfer from the heated floor accounts for 50%-70% of the total heat transfer, and this proportion decreases as the temperature of supply water increases. At the constant temperature, the proportion of the radiation heat transfer decreases gradually as the flow rate of water increases. The increase of the temperature or flow rate of supply water leads to the increase of the temperature of the heated floor, but changing the temperature is more effective compared to the changing flow rate. Under the steady state, the variation of indoor air temperature in the vertical direction is less than 2 ℃, which indicates the high thermal comfort by using this system.

Key words: radiant floor heating system; mixing ventilation; radiation heat transfer; convection heat transfer

辐射供暖是通过提升围护结构的内表面中一个或多个表面的温度，形成热辐射面，依靠辐射面与人体、家具及围护结构其余表面的辐射热进行供暖的技术方法^[1]，具有舒适、节能、系统效率高等优点^[2-3]，尤其适用于利用工业废热、太阳能热水等低品位热源的供暖系统，具有广阔的发展前景。辐射供暖系统下的室内换热分析是优化设计的基础，许多研究者对此进行了研究。Ramesh等^[4-5]研究了表面辐射对室内空气对流换热的影响，发现表面辐射会增大表面边界层的湍流强度，从而提高对流换热量。Mezhrab等^[6-7]采用有限容积法进行了传热分析，结果显示表面辐射对空气的流动状态以及换热有重要的影响。Rahimi等^[8]通过实验对地板辐射供暖系统在封闭房间内地板的换热进行了研究，发现地板的辐射换热量占了总热量的75%~80%。Lindstrom等^[9]通过实验对辐射顶板、辐射地板和辐射墙面采用不同壁面材料时，在强迫对流和自然对流2种情况下的辐射换热量进行了研究，结果表明辐射换热量受表面材料的影响不大。马良栋等^[10]采用k-ε模型耦合辐射模型，对地板辐射供暖系统室内温度分布及流动特性进行了数值模拟，得出辐射热流达到总热流的50%~60%。另外，Weitzmann等^[11-14]对不同管材和地板构造时的地板辐射换热也开展了研究。然而，实际空调通风系统中常应用混合通风，目前对带有混合通风的地板辐射供暖系统的研究不多，尤其是对其辐射与对流换热变化规律的研究未获足够的重视，部分理论分析也缺乏实验验证。本文作者建立地板辐射供暖结合混合通风系统的实验平台，测定小室的内壁面温度及空气温度，研究不同供水温度和流量下的辐射、对流换热变化规律，同时对比了不同工况下室内垂直空气温度分布。

1  实验方案

1.1  实验装置

图1所示为实验装置和温度测点布置的示意图。模拟实验小室内部尺寸(长×宽×高)为3.95 m×3.25 m×2.75 m，在实验小室壁面6上安装有送、回风口，通风方式为上侧送，同侧下回，送风口的尺寸(长×宽)为0.80 m×0.30 m，中心距地面高度为2.45 m，回风口的尺寸(长×宽)为0.55 m×0.35 m，中心距地面高度为0.48 m。如图2所示，壁面结构从外到内依次是20 mm厚的彩钢板，60 mm厚的聚氨酯泡沫保温板和10 mm厚的不锈钢板，不锈钢板上敷设带有凹槽的10 mm厚的聚氯乙烯泡沫板，通有热水的PE-X(交联聚乙烯)管嵌置在泡沫上的凹槽中，PE管的外径为7 mm、内径为5 mm、管间距为8 mm，最后用墙纸(聚乙烯树脂)将整个墙壁内侧贴严。实验所需热水由空气源热泵(PHNIX:PASRWO6OB-CD)提供，热水经由储热水箱进入系统循环，实验房间6个面的供水均可单独控制从而实现不同区域的供热。

图1  实验小室结构和温度测点布置

Fig. 1  Geometric structure of experimental room and layout of temperature measuring point

图2  墙壁结构

Fig. 2  Structure of wall

图3所示为地板供热水管布置示意图。地板分为2个半区，每个半区通过集水器和分水器分别形成4个回路，2个半区之间则是独立的供回水系统。

1.2  实验步骤

实验开始前，对实验小室进行充分的通风，以排除里面的闷热空气，同时运行空气源热泵，将储热水箱里面的水加热到所需的温度，然后将热水送入地板管路中。采用JTNT-C建筑围护结构传热系数检测仪配套的封装数字温度传感器测量各温度，采用热线风速仪测量空气流动速度，壁面温度和垂直空气温度测点的分布如图1所示。辐射地板的2个半区各取1个回路(见图3)，每个回路随着水的流向等距离布置6个温度测点；在侧壁面垂直中线处由下向上依次等距离布置8个温度测点；顶板温度则是由前向后依次布置6个温度测点。以上温度稳定后采用加权平均法求出各个面的平均温度。在室内垂直方向上，距地面5，10，20，50，100，150，170，200，240和265 cm处布置10个温度测点，系统稳定后改变温度测点的水平位置，得到不同位置垂直方向的空气温度，取同一水平面上的温度平均值作为该水平方向的空气温度。在距离地板1 cm高处平均布置9个空间测点用来测量近地面空气的温度和风速，工况稳定后取均值。在供水水箱中布置供水温度测点，回水管末端布置回水温度测点来测量供回水温度。通过安装在供水管上的浮球流量计测定系统供水总流量，通过调节各个支路上的阀门开度可实现对系统流量的控制。

图3  地板管路布置

Fig. 3  Layout of under-floor water pipe

2  传热计算方法

2.1  辐射换热量

采用网络法^[15]求解多表面封闭系统的辐射传热，任意面与其他面的辐射换热量的计算公式为

              (1)

节点方程组为

        (2)

其中：E_b为表面的黑体辐射力，W/m²；J为表面的有效辐射，W/m²；为物体表面发射率；A为表面面积，m²；X_i-j为表面i对表面j的角系数。

表面的黑体辐射力可由式(3)求得：

               (3)

其中：T为表面温度，K。

2.2  对流换热量

辐射供暖表面的对流换热量可通过下式计算：

              (4)

其中：h_c为地板的实际对流换热系数，W/(m²·K)；T₁为地板的表面温度，K；T_a为近地面的空气温度，K。

本实验加入了机械通风，换热系数是在自然对流的换热系数的基础上进行修正^[16]：

          (5)

特征数方程为

        (6)

其中：Re=ul/v，为雷诺数；Pr=v/α，为普朗特数。

2.3  能量平衡

各个工况下整个系统的能量平衡关系为

              (7)

系统提供的总热量可通过下式计算得到：

           (8)

其中：Q为系统总热量即储热水箱提供的总热量，W；Q_c为地板的对流换热量，W；Q_r为地板的辐射换热量，W；ρ为水的密度，kg/m³；V为水的体积流量，m³/s；c_p为水的比定压热容，J/(kg·K)；t_g和t_h分别为供水和回水温度，℃。规定Q取正是向外放热，取负是吸热。

3  结果和讨论

通过改变供暖系统的供水温度和供水流量，研究不同工况下系统稳定运行时室内辐射换热和对流换热情况。混合通风的设定参数为：送风温度18 ℃，风量1 600 m³/h。

3.1  供水温度对换热的影响

在供水流量恒定为220 L/h的情况下分别对供水温度为40，45，50，55和60 ℃时室内各参数进行测量。室内热环境稳定后，不同工况下实验小室6个面的内表面温度测量结果见图4~6。

由图4可见：在相同的供水温度下，4个壁面的表面温度变化趋势基本一致，均随距地面高度的增加而逐渐降低，其中壁面6的温度变化幅度最大。壁面3和壁面4在相同的高度处温度相近(相差0~1.5 ℃)，而在相同高度处壁面5和壁面6的温度相差则相对较大(相差0~3.0 ℃)。不同供水温度下，4个立面中壁面6的平均温度最高，壁面3和壁面4次之，壁面5最低，随着供水温度的升高壁面间平均温度的差值逐渐增加。这主要是因为壁面6上的风口使得表面的平均风速较高，壁面6与空气的对流换热作用较强，所以，其平均温度也较高。

图4  壁面表面温度

Fig. 4  Surface temperature of wall

图5  地板表面温度

Fig. 5  Surface temperature of floor

由图5可见：地板表面的温度沿流程逐渐降低，由于热水在房间的流程不大，地板表面在水平方向上的导热性比较好，使得地板上的温度降低的比较缓慢，但是由于回风口的存在，靠近壁面6侧的地板表面与近地面空气对流换热作用较强，因此，其温度变化幅度相对于靠近壁面5侧地板表面温度变化幅度较大，同时随着供水温度的升高地板的平均温度逐渐升高且热水沿流程的温度梯度也逐渐增大。

图6所示为顶板表面的温度分布图。由图6可见：相同工况下顶板的温度分布比较均匀，只是在靠近壁面6处的温度略有升高，这是因为靠近墙角处的顶板表面空气的流动速度较弱，送风口送出的冷风与其表面的换热较少，因此，其表面温度相对于其他地方温度略有升高。

采用加权平均法计算得到各个表面的平均温度，然后根据辐射模型计算得到不同供水温度下地板与实验小室内其他内表面的辐射换热量Q_r，然后根据能量守恒得出地板的对流换热量Q_c，为了校验结果的准确性，同时采用对流换热模型计算得出对流换热Q′_c，并进行对比分析，结果见表1。

图6  顶板表面温度

Fig. 6  Surface temperature of ceiling

由表1可见：系统总的供热量随着供水温度的升高而升高，这是由2个方面的原因导致的，一是新风的通入，随着供水温度的升高，室内温度逐渐升高，新风所带来的负荷也随之升高，系统所提供的总供热量就会升高；二是供水温度的升高，通过围护结构散失的热量也会有一定程度上的升高，这也会导致系统总供热量的升高。另外，根据能量守恒计算出的对流换热量与根据对流模型计算出来的对流换热量相差幅度在3%~29%之间，为了减少测量过程以及经验公式所带来的误差，对流换热量采用能量守恒方法计算。

系统稳定后地板的辐射换热量总体达到50%及以上，并且随着供水温度的升高，辐射换热量占总换热量的比例逐渐减少，对流换热量占的比例逐渐增加，变化幅度均逐渐减小。这与Mostafa 等^[8]的研究结果相符，但由于Mostafa仅考虑了封闭房间的自然对流换热，所以其所得的辐射换热所占比例高达75%~ 80%，而对流换热所占比例则相对较少。混合通风下地板表面的空气流动速度较大，对流换热强度较强，因此供水温度的升高引起地板表面温度升高时，对流换热量的变化相对较大。

3.2  供水流量对换热的影响

在供水温度恒定为40 ℃的情况下，分别对供水流量为160，220和280 L/h时室内参数进行测量，然后根据加权平均法计算得到不同供水流量下各个内表面的平均温度，进而计算出辐射换热量和对流换热量，计算结果见表2。

当供水温度一定时，随着流量的增加供回水温差略有降低，但是变化不大，当流量增大到一定时，供回水温差基本不变，同时流量的增加会增加系统的总供热量，但是增加的幅度比较小，所以通过调节流量来改变系统的供热效果并不理想。另外，根据能量守恒计算出的对流换热量与根据对流模型计算出来的对流换热量相差幅度大约为30%。系统稳定后，随着供水流量的增加，地板辐射换热所占的比例逐渐降低，变化幅度逐渐增大，这主要是因为流量的增加虽会使得系统的总供热量和地板的辐射换热量增加，但是辐射换热量增加的相对较少。

表1  不同供水温度下的辐射和对流换热量

Table 1  Radiation and convection heat transfer at different supply water temperatures

表2  不同供水流量下的辐射和对流换热量

Table 2  Radiation and convection heat transfer at different water flow rates

3.3  室内垂直方向空气温度

图7所示为不同供水温度和流量时，室内垂直方向空气的温度分布。由图7可见：供水温度的升高以及供水流量的增加均会使得室内的空气温度升高。室内空气不参与辐射换热，其温度分布由空气与各表面的对流换热决定。由图7可见：空气温度分布大致可分为3层：1) 距地面0~0.5 m高度范围内，空气温度随着高度的增加而减小，室内冷空气下降，紧挨着地面的空气与高温地面的对流换热较强是导致温度梯度形成的主要原因；2) 距地面0.5~2.0 m高度范围内，热空气上升而形成的热空气层，热空气受热逐渐上升，并且远离高温地面，所以该层空气温度较高且温度分布均匀无明显的梯度；3) 距离地面2.0 m以上的高度范围内，由于送风口的影响该层空气温度有所降低。系统稳定后，室内垂直空气温度的波动不超过2 ℃，并且波动幅度随着供水温度的提高以及供水流量的增加而减小，同时这种温度波动不大的空气分层具有较高的舒适性^[17]。

图7  室内垂直方向空气温度

Fig. 7  Indoor vertical air temperature

4  结论

1) 供水温度的升高以及供水流量的增加都会导致辐射地板表面温度的升高，但是供水温度的改变对表面温度的影响比流量的改变对表面温度的影响大很多，在需要改变地板温度的时候调节供水温度比调节流量更有效。

2) 4个壁面的温度随着距离地面的高度的增加缓慢减小，但是幅度很小，不超过2 ℃，有风口的壁面平均温度比没有风口的壁面的平均温度略高。

3) 地板辐射供暖系统中地板与室内其他内表面的辐射换热量总体占地板总换热量的50%以上，并且随着供水温度的升高及供水流量的增加，该比例缓慢地降低，对流换热量的比例缓慢地升高。

4) 稳定后室内空气温度具有明显的分层且垂直方向波动幅度小于2 ℃，波动幅度会随着供水温度的升高和流量的增加而减小，这种分层具有较高的热舒适性。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-11-07；修回日期：2015-02-14

基金项目(Foundation item)：广东省省部产学研结合引导项目(2011B090400338)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2013ZZTS206) (Project(2011B090400338) supported by the Integration of Industry, Education and Research of Guangdong Province; Project(2013ZZTS206) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

通信作者：廖胜明，博士，教授，博士生导师，从事工程热物理、暖通空调、新能源及建筑节能等研究；E-mail: smliao@csu.edu.cn