混凝土冷辐射顶板传热模型构建及实验研究
Heat Transfer Model And Experimental Study on Concrete Ceiling Radiant Cooling Panel

辐射供冷系统是指降低室内一个或多个表面的温度,形成冷辐射表面,依靠冷辐射表面以辐射传热、对流换热的方式冷却室内环境与人员的供冷方式.其中辐射传热发生于冷辐射表面与人体表面、热源、室内设备表面及围护结构内表面之间,对流换热发生于冷辐射表面与室内空气之间.辐射供冷系统的传热通常以辐射传热方式为主,对流换热方式为辅.混凝土顶板辐射供冷系统是由塑料水管预埋于建筑现浇混凝土楼板中而形成,其将建筑楼板直接作为供冷的末端.混凝土顶板辐射供冷系统有节能、热舒适性好、转移峰值耗电、节约室内空间等诸多优点.混凝土顶板辐射供冷系统研究主要关注两方面内容:冷辐射板自身传热研究和顶板辐射供冷环境下室内热环境研究.本文的研究重点为前者,对于冷辐射顶板传热的研究是高效、节能地实现室内热环境达到设计标准和舒适要求的前提.对于这种新型末端的传热性能开展研究有助于解决现有辐射供冷存在的问题,进一步挖掘混凝土顶板辐射供冷技术的节能潜力.开展混凝土冷辐射顶板传热特性的研究具有重要的理论意义和工程应用价值.混凝土本身作为多孔介质材料,其传热和传湿过程存在相互关联性,本文基于多孔介质理论分析了混凝土热湿耦合传递机理,热湿耦合传递过程的求解非常复杂且存在诸多不确定性,而且从前人对于混凝土热湿传递特点的研究发现,在较小的时间尺度上,混凝土内部湿传递的传递速率与强度都是远远小于热传递过程的传递速率与强度的,因此在较小时间尺度上可以忽略混凝土湿传递对于热传递的影响,在混凝土内部只研究其传热过程.前人对于冷辐射顶板传热的研究多采用简化分析模型的方法,对于冷辐射顶板的内部传热利用等效或者简化的方法近似解析法求解.本研究为了更为精确全面地研究混凝土冷辐射顶板的传热,采用有限差分方法建立传热模型,编程计算求解混凝土冷辐射顶板内部温度场,再通过利用实验获得的混凝土冷辐射板内部温度场实测结果来验证该模型的正确性和准确性.对混凝土冷辐射顶板表面与室内环境的传热过程进行分析,得到顶板辐射供冷情况下冷顶板表面与室内环境的传热量计算公式,并推导和改进辐射传热系数和对流换热系数的计算式.根据混凝土冷辐射顶板的传热特点,对其传热过程作出合理的假设,建立求解混凝土冷辐射顶板三维稳态传热以及二维非稳态传热的有限差分数值模型,推导获得求解区域内部节点、边界节点的计算公式,确立了高斯-赛德尔迭代求解方法及迭代收敛判据,并对影响该数值模型计算精度的模型误差、空间隔断误差、时间截断误差等各种因素进行了分析.利用提出的有限差分模型对混凝土冷辐射顶板进行稳态、非稳态传热计算.并搭建了混凝土顶板辐射供冷系统实验台来验证有限差分模型.将计算结果与实测数据对比后发现稳态、非稳态传热的计算结果与实测数据吻合较好,证明该有限差分模型准确度较高.利用经过验证的有限差分模型分析混凝土顶板辐射供冷系统在不同运行参数(供水温度、供水流量)对其温度分布、热流密度分布的影响;不同冷辐射板结构参数(埋管间距、埋管深度、楼板上表面保温层)对其自身温度分布、热流密度分布的影响.因在较长时间尺度上混凝土自身湿传递对热传递的影响不能忽略,本文对因混凝土自身湿度在发生变化后对混凝土冷辐射板传热的影响也进行了计算分析,分析了湿传递对导热系数的影响,进而研究其对混凝土冷辐射板传热的影响.搭建混凝土顶板辐射供冷系统实验台,依据实际尺寸构筑混凝土冷辐射顶板的结构,获得不同冷辐射板结构和运行参数下的实验结果,分析混凝土顶板辐射供冷系统的实际运行特性,分别对其稳态运行、工况调节以及启动阶段的实际运行特点进行了探究.论文的创新性工作主要有:(1)基于混凝土为多孔介质材料的前提下,根据其热传递和湿传递的特点,分别确定不同简化方法.在较小时间尺度上,忽略混凝土内部湿传递对热传递的影响,只研究混凝土冷辐射顶板的传热问题.在较长时间尺度上,混凝土内部湿度变化不可忽略.本研究提出间接简化研究的方法,分析湿传递对混凝土自身导热系数的影响,进而分析导热系数变化对混凝土冷辐射顶板内部热传递的影响.(2)本研究提出求解混凝土冷辐射顶板稳态和非稳态传热问题的有限差分数值模型,确立基于顶板辐射供冷环境下的边界辐射传热和对流换热计算方法.并利用该模型对混凝土顶板辐射供冷系统在不同运行参数和辐射板结构参数下的传热情况进行研究.(3)本研究中通过实验模拟运行实际供冷工况,包括稳态和非稳态工况,采集相关实验数据并分析,获得混凝土顶板辐射供冷系统的实际运行特点,为混凝土顶板辐射供冷系统运行调节和控制的研究打下基础.