干式地暖与湿式地暖房间热环境数值分析

张大英，邓书辉，王亚轩

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

干式地暖与湿式地暖房间热环境数值分析

张大英，邓书辉，王亚轩

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

为了进一步完善干式地暖研究，了解干式地暖房间的热环境特点及系统的节能情况，掌握其热工特性，以大庆地区的地暖建筑为模拟对象，建立辐射供暖房间传热物理模型，利用Ansys软件，采用数值计算与理论分析相结合的研究方法，将干式地暖与湿式地暖的房间热环境进行比较。结果表明：在相同的进出水温度及室外计算温度条件下，干式地暖的室内温度、地板辐射温度、地板散热量均高于湿式地暖，且干式地暖比湿式地暖更节能。

干式地板辐射采暖；数值模拟；温度分布；节能

低温热水地板辐射采暖因其舒适、节能等特点在我国北方得到了广泛应用，传统的地暖形式又称为湿式地暖。近几年，随着技术的进步，我国从欧洲引入一种新型的节能地暖，该系统因相对于传统地暖无混凝土回填，故取名干式地暖．又因其无填充层，相对于普通地暖减少了占用层高，故又名超薄地暖。对于干式地暖与湿式地暖的对比研究，目前国内的成果仅限于各自结构层内盘管管径、排管间距、材料层厚度对传热量的影响，而对于房间的热环境及系统的节能率等状态参数的比较，目前尚无研究成果出现[1-2]。在前人的研究基础上，通过数值计算方法，对干式地暖与湿式地暖的热工特性参数进行对比分析，旨在为今后工程设计中参数的选择及系统的优化改造提供一些借鉴。

1 干式地暖与湿式地暖

低温热水地板辐射采暖是一种在房间地面下埋设供暖盘管，通过温度不超过60℃（民用建筑供水温度宜采用35～50℃，供回水温差不宜大于10℃）的低温热水为载热介质来加热地面，再以整个地面作为散热面，通过辐射为主、对流为辅的换热形式向室内房间传热的供暖方式[3]。该系统因其结构层的不同，又分为湿式地暖和干式地暖两种。

湿式地暖结构如图1所示，该系统首先在结构层上方铺设导热系数不大于0.05 W·m-1·K-1、厚度不小于20 mm的绝热材料聚苯乙烯泡沫塑料作为保温层来阻挡热量的向下传递；之后在保温层上方加装反射膜无纺布基铝箔作为超导层来强化传热，反射膜上方铺设地热管线，一般为PE-RT、PE-X或PB管，采用石子粒径不大于10 mm、水泥砂浆体积比不小于1∶3、混凝土强度等级不小于C15的豆石混凝土进行回填；最后在填充层上方进行找平，铺设装饰材料。湿式地暖系统整体占用空间高度约8 cm。

图1 湿式地板辐射采暖结构图Fig.1 Structure of traditional floor heating

干式地暖又称超薄地暖，其结构如图2所示，与湿式地暖相比，干式地暖不设填充层，保温层采用预制的环保挤塑保温成型板XPS，加热管线镶入预制模块凹槽内，加热管上方直接铺设地表装饰材料，地暖模块整体厚度为3.5 cm。该系统无混凝土回填，重量轻，降低了结构层的荷载；且避免了由于热应力引起的地面开裂现象；由于保温层厚度的增加，减小了热量的向下传递，提高了系统的热效率；同时该系统还具有安装维修方便、占用空间小、升温快、更节能等优点；但由于其没有混凝土蓄热回填，故干式地暖的蓄热能力不及湿式地暖。

图2 干式地板辐射采暖结构图Fig.2 Structure of dry model radiant floor heating

2 传热模型

2.1 物理模型

以大庆地区的采暖住宅为分析对象，房间尺寸为5 000 mm×3 000 mm。其外墙采用复合节能外保温结构墙体，即20 mm水泥砂浆加370 mm普通砖加10 mm水泥砂浆加50 mm聚苯乙烯泡沫塑料板加20 mm水泥砂浆[4]。传热边界为第三类边界条件，传热系数23.26 W·m-2·K-1，内表面发射率0.9。其材料物性见表1。

表1 围护结构材料物性计算参数表[5]Table 1 Calculation parameters of envelope material properties

2.2 求解控制参数的设定

选用流动方程，能量方程，辐射方程[6]。离散格式采用PRESTO!、QUICK及二阶迎风格式，欠松弛系数采用标准值，求解格式采用AMG格式，循环类型压力为V型，动量、流动、能量、DO均为FLex型。

2.3 控制方程

流体流动遵循物理守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。这些基本定律对应的控制方程如下[7]：

连续性方程

动量方程

能量方程

3 计算结果

数值计算过程中，两种供暖方式采用相同的初始条件及边界条件，即供暖进水温度50℃、回水温度40℃，大庆冬季室外计算温度-26℃[8]；除地热管线外，无其他内热源，忽略门窗渗透风及人员活动对流场的扰动，其计算结果如下。

3.1 室内温度及气流矢量分布

通过数值计算，得出房间内的温度分布及速度矢量分布，其结果如图3～图8所示。

图3 湿式地板辐射采暖房间温度分布云图/℃Fig.3 Temperature contour map of traditional floor heating

图4 湿式地板辐射采暖房间温度分布等值线图/℃Fig.4 Temperature contour line of traditional floor heating

图5 干式地板辐射采暖房间温度分布云图/℃Fig.5 Temperature contour map of dry model radiant floor heating

图6 干式地板辐射采暖房间温度分布等值线图/℃Fig.6 Temperature contour line of dry model radiant floor heating

图7 湿式地板辐射采暖房间速度分布矢量图/m/sFig.7 Vectors map of traditional floor heating

图8 干式地板辐射采暖房间速度分布矢量图/m/sFig.8 Vectors map of dry model radiant floor heating

3.2 竖向空气温度分布

房间净高3 m，其竖向空气温度分布如图9所示。

图9 湿式及干式地暖房间竖向温度分布Fig.9 Comparison of vertical temperature distribution between traditional floor heating and dry model radiant floor heating

3.3 室内平均温度、地板平均辐射温度及地板散热量

房间内的空气平均温度，地板表面平均辐射温度及地板总散热量如表2所示。

表2 室内温度、地板辐射温度及散热量汇总Table 2 Indoor temperature，radiant floor radiation temperature，radiant floor heat transfer rate

4 结果分析

通过对干式地暖及湿式地暖的数值计算，得出以下结论：

（1）从温度云图及等值线图可以看出，无论湿式地暖还是干式地暖，室内温度分布都较均匀，靠近辐射源（地面）处空气温度较高，外墙、地板、顶棚附近处等温线比较密集，空气温度梯度相对较大；房间中心位置温度高，气流在中间处上升，遇冷壁面下降，房间的气流速度不高于0.02 m·s-1。在相同的供回水温度下，干式地暖房间比湿式地暖房间温度更高。

（2）传统的采暖方式，房间的顶部温度大约是30℃，而人体所处的位置尤其是脚部仅有15℃甚至更低，房间的温度分布特点是上热下冷。湿式地板辐射采暖的脚部温度为25.3℃，头部温度为21.4℃，温差大约4℃；干式地板辐射采暖的脚部温度为30.2℃，头部温度为26.3℃，温差大约6℃。地板辐射采暖的房间温度分布是下热上冷，即脚热头冷，符合人体的舒适性要求。

（3）地板辐射采暖房间的竖向温度分布较均匀；临近地面0.2 m以内，温度梯度较大，湿式地暖温度波动范围是21～25℃，干式地暖温度波动范围是26～30℃，原因是地板温度相对较高，空气的对流换热系数较大，热流密度较高；在稳态传热时，人员活动区域温度梯度较小，温度变化范围在0.05～0.1℃之间，温度较高（两种采暖方式温度均在20℃以上），符合人体的舒适度及供暖要求（国标规定冬季室内设计参数为18～22℃）。

（4）在相同的供回水温度下，干式地暖房间内的空气平均温度比湿式地暖房间高出4.9℃，地板平均辐射温度干式地暖比湿式地暖高出5.1℃，干式地暖地板散热量比湿式地暖高出19.93 W。可见，干式地暖比湿式地暖更具有节能优势，且其节能率较传统湿式地暖高出11.6%。

［1］ 黎天标，秦红.地板辐射采暖系统的研究进展［J］.建筑节能，2016，44（4）：15-18.

［2］ 夏燚，张小松，汪峰.干式地板辐射供暖系统特性的试验研究［J］.流体机械，2015，43（8）：59-63.

［3］ 丁传炜.基于Web-IOU的大型企业网的设计与开发［J］.长春大学学报，2015（8）：32-37.

［4］ Zhang Daying，Zhuang Weidong，Gong Keqin.Simulaton study on the radiant tube installation height for the Gasinfrared heated system［J］.Advanced Materials Research，2013，614（1）：239-244.

［5］ GB50736-2012.民用建筑采暖通风与空气调节设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［6］ 杨忠国，郭胜杰，郭志龙.混合通风与置换通风数值模拟的对比研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2015，27（3）：84-87.

［7］ 朱红钧，林元华，谢龙汉.流体分析及仿真实用教程［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［8］ 陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

Numerical Analysis of Dry and Wet Model Radiant Floor Heating Thermal Environment

Zhang Daying，Deng Shuhui，Wang Yaxuan
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to study the thermal environment characteristics and energy-saving situation of the dry model radiant floor heating，Physical model of floor heating building was established in Daqing.An analysis software was used to compare the thermal environment between wet radiant floor heating and dry model radiant floor heating.The results showed that the indoor temperature，floor radiation temperature and floor heat radiation of dry model radiant floor heating were higher than those of wet radiant floor heating under the same inlet and outlet water temperature and outdoor temperature，and dry model radiant floor heating was more energysaving than wet radiant floor heating.

dry model radiant floor heating；numerical simulation；temperature distribution；energy-saving

TU-023

A

1002-2090（2017）02-0093-04

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.02.018

2016-08-02

张大英（1980-），女，讲师，东北石油大学毕业，现主要从事供热、供燃气、通风及空调工程的教学与研究工作。