毛细管辐射吊顶表面温度的动态变化特性

宫树娟

毛细管辐射吊顶表面温度的动态变化特性

宫树娟

（中信建筑设计研究总院有限公司 武汉 420100）

毛细管网在结构层内换热是一个三维传热过程，吊顶表面温度的动态变化特性非常复杂。采用CFD数值模拟，得到毛细管吊顶表面温度随供水温度及时间变化的动态曲线。

毛细管辐射吊顶；动态变化；数值模拟；温度

0 引言

毛细管网在结构层内换热是一个三维传热过程，是通过毛细管供回水与施工结构层及室内环境间的换热平衡过程，其热平衡关系复杂、影响参数众多。目前有较多文章对毛细管辐射末端的换热性能进行了相应研究[1-6]，但对于吊顶表面温度的动态特性研究还相对较少，因此，本文建立了毛细管辐射末端三维动态换热模型及房间动态换热模型，对边界条件进行简化处理，利用此模型分析吊顶表面温度的动态变化特性。

1 毛细管辐射空调系统动态换热模型

1.1 物理模型

本文对毛细管辐射吊顶直接抹灰的施工方式进行讨论，结构层示意图如图1所示。毛细管网在其中的换热过程均可看作是毛细管网在多层材料中的换热问题，毛细管辐射板换热过程可分解为4个阶段：第1阶段，毛细管内水与管壁换热；第2阶段，毛细管内壁与外壁换热；第3阶段，毛细管外壁与换热表面换热；第4阶段，换热表面与室内环境换热。图2为毛细管辐射末端的物理模型（沿毛细管长度方向截取的一部分），其中毛细管长3m，颜色深的部分为毛细管。

本文在模型的网格划分中，首先对模型中的毛细管进行了单独地划分，采用结构网格，网格尺寸为1mm，每根毛细管划分约1.7万个网格。然后对找平层采用非结构网格进行划分，以毛细管壁为源，递增率为1.1，网格尺寸最大值不超过4mm，经统计模型约划分为200万个网格。

1.2 数学模型

1.2.1 假设条件

毛细管网在结构层内换热是一个三维传热过程，是通过毛细管供回水与施工结构层及室内环境间的换热平衡过程，其热平衡关系复杂、影响参数众多。本文建立数学模型重点在于对换热表面温度进行计算和对比，研究对象为不同供水参数及找平层参数下的结构层。因此，可对环境参数作为已知的边界条件进行一定假定，确定不同供水参数及找平层参数对换热的影响。同时，为使问题得以简化，有必要对这一过程作以下几点假设：

（1）毛细管网与埋管层材料接触良好，施工材料与冷水管接触良好，忽略不同层间的接触热阻。

（2）每根毛细管入口参数相同，忽略水流在集管中的热量损失。

（3）水在毛细管内流动为恒定流动。

（4）各层材料的各物性参数为常数，不随温度的变化而变化。

图1 吊顶直接抹灰方式

图2 毛细管辐射末端物理模型

1.2.2 边界条件的处理

通常情况下，毛细管管内径在2mm～4mm之间，管内水流速在0.05m/s～0.5m/s，故雷诺数范围Re=100～2000<2300，可知毛细管在管内换热为层流换热。对于动量方程，给定入口的平均速度值，即给定了相应的入口质量流量，将出口定为压力出口；对于能量方程，给定入口的平均温度值。楼板上表面及吊顶下表面综合换热，对流换热系数选用Min提出的自然对流换热系数计算公式[7]：

系统发射率计算公式：

吊顶周边实际工程中均设有保温措施，且周边面积与吊顶换热面面积相比比例很小，只有少部分与外围护结构接触，故可认为周边导热可忽略不计。具体的边界条件的处理如表1所示。

表1 边界条件

2 毛细管辐射吊顶表面温度动态变化特性

毛细管辐射空调系统开机时首先开启风系统进行除湿，当室内露点温度达到某一状态时再开启辐射吊顶。关机时首先关闭辐射吊顶，当吊顶表面温度达到某一状态时再关闭送风系统。本文采用毛细管辐射末端动态换热模型研究开机、关机过程中毛细管辐射吊顶表面温度（指吊顶表面平均温度）动态变化特性。

2.1 开机过程辐射吊顶表面温度动态变化特性

2.1.1 不同室内空气温度下辐射吊顶表面温度动态变化特性

施工结构层的参数设为定值，管间距设为40mm，供水流速为0.1m/s，抹灰厚度为20mm。首先考虑相同供水温度、不同室内空气温度下辐射板表面温度随时间的变化规律，图3为供水温度16℃时，室内空气温度为26℃、28℃、31℃下辐射板表面温度随时间的变化曲线。从图3可以看出，室内空气温度为26℃与28℃时吊顶表面温度相差2.5%，室内空气温度为31℃与28℃时吊顶表面温度相差2.8%，计算得到：室内空气温度相差1℃，吊顶表面温度相差0.15℃。所以在模拟吊顶表面温度时可假定室内空气温度一定，不随时间发生变化。

图3 不同室内温度下辐射板表面温度随时间变化

2.1.2 不同初始温度下辐射吊顶表面温度动态变化特性

其次考虑到毛细管内水流及找平层的初始温度对吊顶表面温度也有一定的影响，为了简化计算，本文中设毛细管内水流及找平层的初始温度相同，后续章节中的初始温度即整个毛细管辐射末端的初始温度。本文计算了初始温度分别为29℃、30℃、31℃时，吊顶表面温度的动态变化趋势，见图4。从图4可以看出，初始温度分别为29℃、30℃、31℃时，吊顶表面温度动态变化趋势相差不大。

图4 不同初始温度下辐射板表面温度随时间变化

2.1.3 不同供水温度下辐射吊顶表面温度动态变化特性

从前述模拟得知，室内空气温度、初始温度对吊顶表面温度时影响很少，几乎不随时间发生变化，因此在模拟不同供水温度下辐射板表面温度动态变化特性时，设定室内空气温度为29℃，毛细管辐射末端的初始温度均为30℃。不同供水温度下辐射板表面温度动态变化特性如图5所示。

图5 不同供水温度下辐射板表面温度随时间变化（开机）

2.2 关机过程辐射吊顶表面温度动态变化特性

从图5可以看出，吊顶表面温度在2h后已经达到稳定，本节中考虑达到稳定状态时停止供水后吊顶表面温度的动态变化特性。这里模拟工况设为供水温度从16℃到21℃，以图5中的2h为关机工况的初始时间点，即此时将供水流速改为0，得到不同供水温度时吊顶表面温度的动态变化曲线，结果如图6所示。

图6 不同供水温度下辐射板表面温度随时间变化（关机）

从图6可以看出，稳定阶段的供水温度越高，关机的初始阶段吊顶表面温升速率越慢，但总体温度较高。关机6h过程中，供水温度为16℃和21℃时的吊顶表面温差从初始的5℃减小到2℃。

3 结论

综上，本文主要得到以下结论：

（1）在管间距、供水流速及抹灰厚度相同的情况下，室内空气温度及毛细管末端初始温度对吊顶表面温度的动态变化影响很小，误差在5%左右，因此在模拟吊顶表面温度的动态变化时可将室内空气温度设为定值。

（2）模拟得到了系统开机时毛细管吊顶表面温度随供水温度及时间变化的动态表面温度曲线，并拟合回归成了公式。

（3）模拟得到了系统关机时毛细管吊顶表面温度随供水温度及时间变化的动态表面温度曲线，并拟合回归成了公式。

[1] 李青,刘金祥,陈晓春,等.U形毛细管席冷却顶板换热性能数值模拟与分析[J].暖通空调,2010,(4):136-140.

[2] 李炅,高珊,贾甲,等.毛细管辐射供冷系统性能的试验及数值模拟研究[J].制冷技术,2014,(4):18-22.

[3] 徐祥洋,杨洁,宫树娟,等.毛细管平面辐射空调换热性能的数值模拟研究[J].制冷技术,2014,(4):35-40.

[4] 王赟,谢东,莫顺权,等.毛细管辐射冷却顶板供冷性能的数值模拟研究[J].制冷与空调,2016,(3):287-290.

[5] 刘晓蕊,郑德葱,张淑娟,等.毛细管网辐射空调末端换热性能试验研究[J].能源与节能,2014,(12):171-173.

[6] 朱备,翟晓强,尹亚领,等.毛细管辐射供冷的换热及结露特性的实验研究[J].制冷技术,2013,(4):5-10.

[7] T CMin, L F Schutrum, G V Parmelee, et al. Natural convection and radiation in a panel heated room[J]. Ashrae Trans, 1956,62:337-358.

Dynamic Analysis for the Temperature on Surface of Capillary Radiant Ceiling

Gong Shujuan

( CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, WuHan, 420100 )

The heat transfer process of capillary radiant ceiling was a three-dimensional unsteady that was very complicated. This paper analyses the dynamic change characteristics of the average temperature of surface ceiling by using CFD numerical simulation.

capillary radiant ceiling; dynamic change; numerical simulation; temperatur

TU822

A

1671-6612（2020）03-331-04

宫树娟（1985.02-），女，硕士研究生，工程师，E-mail：gsj219@126.com

2019-06-24