不同铺设材料和铺设方式对毛细管辐射系统热舒适性的影响研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2018-01-15 论文字数:35248字
论文编号: sb2018011420291119266 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是建筑论文,本文在分析了毛细管辐射系统的导热、对流换热、辐射换热的换热机理的基础上,通过实验测试与模拟相结合的方法来研究不同的地面铺设材料和不同铺设方式对毛细管网末端
第1章 绪论
 
1.1 课题研究背景及意义
自改革开放以来,由于国民收入不断的增长,人们对于居住环境的舒适度要求也越来越严格,随之建筑的能耗占比也水涨船高,而其中一半的能耗来自建筑采暖、通风、空气调节及相关系统。建筑暖通的节能问题再次成为了关注的焦点,因此我们必须更加重视建筑暖通的节能工作,开发新的建筑暖通节能技术,只有这样才可能实现整个社会的可持续性发展。暖通空调的主要目的是在消耗最少能源的前提下,将室内的“四度”:空气湿度、空气温度、空气流动速度和洁净度都控制在合理的范围内,从而为人们提供相对舒适健康的室内环境[1]。传统的空调系统使用同一个低温冷源把调节温度(降温)和调节湿度(除湿)两个过程同时进行,在实际运行过程中,有一半以上的显热负荷使用温度较高的冷源就可以处理,如果这两个过程都使用温度较低的冷源来处理就会使能源极大浪费。本文中的毛细管辐射系统不仅能为人体提供较高的舒适度,还能满足节能的要求。毛细管辐射系统的特点为调节温度与湿度的两个过程能够分别独立运行,降温过程是由毛细管网栅作为辐射换热末端来实现,除湿过程由新风系统独立进行,能够充分解决传统空调中两个过程使用同一低温冷源过度消耗能源的问题,从而达到节能减排的目的且能够提高建筑物的热舒适度。自我国从欧洲引进毛细管辐射系统以后,该系统逐渐受到业内人士和用户的认同,开始在一些高端住宅和建筑内安装使用,对于毛细管辐射系统的研究亦需紧跟其上[2]。毛细管辐射系统末端按铺设位置进行分类可以分为地面铺设、侧墙铺设以及顶板铺设三类,按照铺设的形式分类可以分为壁面抹灰层铺设、金属板吊顶铺设和干式辐射板铺设。本课题从毛细管辐射系统的铺设方式、所用铺设材料等方面来探究毛细管辐射系统的应用效果,具有一定的工程参考价值。
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1.2 毛细管辐射系统国内外研究及使用现状
 
1.2.1 国外研究及使用现状
在 20 世纪 50 年代,国外就有学者开始了对辐射供冷系统的研究。21 世纪初又开启了与新风系统相结合的尝试与探索。毛细管网辐射空调早期发源于德国,在欧洲的发展已有 20 多年的历史。1987 年在德国一项节能建筑展上 Donald Herbst[3]首次推出了以毛细管网为辐射换热末端的毛细管网平面辐射空调系统。后来经过很多专家和业内人士对这些以 PPR 为材料制作的毛细管网进行热物性试验,而且就在当年就已经有毛细管辐射系统用于实际的工程当中了,这是对毛细管辐射系统的肯定。后来以 Nestor Fonseca Diaz[4-7]为主的等人对毛细管网栅、辐射板两种类型的换热末端进行了研究,而且还对可能影响换热末端的室内环境各参数进行了分析,毛细管末端换热涉及多种换热方式,比如热传导、热对流以及热辐射,他们得出对辐射换热末端的换热能力影响较大的因素为室内的风环境。温湿度独立控制技术和独立新风系统(简称 DOAS)是毛细管辐射系统的两大基础技术。20 世纪 90 年代初,Stanly.A.Mumma[8, 9]教授对 DOAS 系统加深了研究,内容涉及节能技术等多个方面,这使得业内对于毛细管辐射空调的研究迈出了一大步。
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第2章 毛细管辐射系统的传热分析
 
2.1 毛细管辐射系统的理论特点
2.1.1 毛细管空调系统的工作原理
毛细管技术为辐射空调提供了一套新的技术方案。这项技术将毛细管网栅安装在房间围护结构内部,并将毛细管内部充满热水或冷水[19]来调节室内墙体、地板、顶板的温度,室内人员和墙体、地板以及顶板通过热对流和热辐射的方式来进行热量交换,这样的空调方式和人体自身的热量控制相符合,舒适性极高,可以说毛细管仿生系统给房子注入了生命。如图 2-1 所示为部分人体血液循环(左图)与毛细管的对照图,网栅管径为4.3×0.8mm,网栅间距为 20mm(右图)大量液体/血液在管道中均匀分配,流入导管中。网栅和人体毛细血管中的液体流速基本相同为 0.05m/s~0.2m/s。毛细管网栅可以直接置于地板下面。所有地板表面都适合于此,例如瓷砖、复合材料、油毡、镶木地板、PVC 或地毯,如图 2-2 所示。低结构高度(最少5mm)以及灵活性不仅仅为新建筑提供了最大的设计自由,也可以应用于老建筑的地板采暖安装。这个升级版的装置不仅仅提升了居住便捷性,也扩大了生活空间。可以排除掉存在的静态问题,即充水后的毛细管系统质量仅仅只有900g/m2。
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2.2 传热理论分析
建立抹灰壁面和地面铺设材料的导热过程中的地面物理模型,本文研究中忽略毛细管支管间的横向传热,将其看做无限大平板非稳态传热问题,已知毛细管网栅层的壁面温度,属于第三类边界条件,将此传热过程作为一维传热过程来进行处理。毛细管网末端和室内环境的传热过程是一个热对流和热辐射并存的热量传递过程。分别以热对流过程的控制方程和热辐射的辐射传递方程来描写辐射-热对流过程。本章从理论基础和基本概念出发,主要从毛细管空调系统理论特点、传热理论分析、毛细管网空调系统环境的传热分析三个部分展开叙述。其中毛细管空调系统理论特点主要介绍了毛细管辐射空调的详细情况,为后面进行模拟和实验奠定理论基础。第二部分分析了导热、对流传热和辐射传热的传热机理、计算方法等内容,并针对地板敷设毛细管向地面铺设材料表面传热的传热过程进行了理论分析,主要包括抹灰壁面和地面铺设材料的导热以及地面铺设材料表面辐射-对流复合换热两大过程,为后续的模拟研究提供了重要理论依据。
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第 3 章 地面铺设材料热物性参数的测试.........11
3.1 地面铺设材料的热物性 ..........11
3.2 地面铺设材料热物性的测试 ...........12
3.2.1 测试仪器-第三代 C-Therm TCi 热导率分析仪 .....12
3.2.2 测试原理 ....12
3.3 测试结果 .......16
3.4 本章小结 .......19
第 4 章 毛细管末端用地板表面温度的数值模拟......20
4.1 毛细管网地板层的物理模型及计算方法 .........20
4.2 地面敷设毛细管采用节能型抹灰层采暖换热数值模拟 ............23
4.3 地面敷设毛细管采用普通型抹灰层采暖换热数值模拟 ............34
4.4 本章小结 .......43
第 5 章 毛细管辐射系统热环境的数值模拟.....45
5.1 室内热舒适理论 ....45
5.2 室内热环境物理模型 .....48
5.3 网格的划分 ............49
5.4 边界条件 .......50
5.4.1 负荷计算 ....50
5.4.2 定义边界条件和参数 ...........51
5.5 地板毛细管辐射采暖的情况分析 ............51
5.6 墙壁毛细管辐射采暖的情况分析 ............54
5.7 墙壁毛细管辐射供冷的情况分析 ............57
5.8 顶板毛细管辐射供冷的情况分析 ............60
5.9 综合分析 .......64
5.10 本章小结 ............65
 
第5章 毛细管辐射系统热环境的数值模拟
 
本章通过 fluent 软件对以不同的铺设方式下铺设毛细管网时室内的热环境进行了模拟,得到了室内的温度分布情况,并利用 Matlab 软件编制 PMV-PPD方程,PMV 值是评价人体热舒适度的参数,分别探讨地板铺设毛细管网采暖和墙壁铺设毛细管网采暖、顶板铺设毛细管网供冷和墙壁铺设毛细管网供冷时对室内人员热舒适度的影响情况。
 
5.1 室内热舒适理论
本文以昆山某别墅一朝南向阳卧室为物理模型,昆山市夏季室外干球温度31.3℃,湿球温度 27.9℃;冬季室外干球温度  4 ℃。如下图,房间的尺寸为5000mm   4000mm   2800mm,房间只有南外墙、南外窗和室外空气有热量交换,其余内墙忽略和其他房间的传热,其中南外墙面积26.7m ,南外窗面积24.5m ,房间内的主要热源是人体和日光灯。网格的划分对送排风口、灯具以及人体采用局部加密的方式,采用尺寸为3的三角形网格,窗户和壁面采用尺寸为5的三角形网格,所有面向房间内部的面都设置了三层边界层,内部采用六面体网格,最大网格为10.
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结论
 
本文利用导热系数仪试验测试市面上常见的瓷砖,石材,地板的热物性参数,利用测出的地面铺设材料的热物性参数,以 fluent 模拟为主要研究手段,研究了某一毛细管网供水温度下,抹灰层分别以节能型和普通型两种类型的水泥砂浆为材料,铺设材料分别为瓷砖、石材和木地板时室内地面温度的分布,以模拟出的地面温度为数据基础,模拟房间的热环境,并以 Matlab 软件编制热舒适性方程,计算房间 PMV 值,研究室内人员的热舒适感的情况经过研究得出的主要结论如下: 建立毛细管网辐射采暖模型得出同等采暖工况下,地板辐射采暖工况时房间的平均温度比墙壁辐射采暖时高出 3℃,地板辐射采暖更容易满足室内温度要求,有利于节能。用 Matlab 对 PMV-PPD 公式进行编程,计算得出地板辐射采暖时房间的 PMV 值为-0.1~0,墙壁辐射采暖时房间的 PMV 值为 0~0.3,因此两种采暖房间相比条件下,地板辐射采暖的热舒适度优于墙壁辐射采暖。建立房间毛细管网辐射供冷模型得出同等供冷工况下,墙壁辐射制冷时房间的温度为 27~28℃,顶板辐射制冷的温度为 25.5~30℃,温度梯度大,相比之下,墙壁辐射制冷房间温度分布更加均匀。同等供冷工况下,墙壁辐射制冷 PMV 值都处于 0~0.3 之间,顶板辐射制冷 PMV 值处于 0.1~0.5 之间,墙壁辐射制冷能够获得更好的热舒适性。
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参考文献(略)

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