摘 要：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。

 

关键词：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。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。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0.05W·m^-1·K^-1、厚度不小于20mm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10mm、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8cm。

 

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3.5cm。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。

 

 

◎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5000mm×3000mm。其外墙采用复合节能外保温结构墙体，即20mm水泥砂浆加370mm普通砖加10mm水泥砂浆加50mm聚苯乙烯泡沫塑料板加20mm水泥砂浆。传热边界为第三类边界条件，传热系数23.26W·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

 

图1 湿式地板辐射采暖结构图

 

图2 干式地板辐射采暖结构图

 

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。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：

 

连续性方程：

 

◎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℃；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/℃

 

图 4 湿式地板辐射采暖房间温度分布等值线图/℃

 

图 5 干式地板辐射采暖房间温度分布云图/℃

 

图 6 干式地板辐射采暖房间温度分布等值线图/℃

 

图 7 湿式地板辐射采暖房间速度分布矢量图/m/s

 

图 8 干式地板辐射采暖房间速度分布矢量图/m/s

 

3.2 竖向空气温度分布

 

房间净高3m，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

 

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

 

◎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0.02m·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0.2m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19.93W。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%。