混凝土埋管式辐射冷顶板室内非稳态换热特性研究

摘要

辐射冷顶板系统节能和舒适等优点使之近几年受到人们的广泛关注和研究。混凝土埋管式辐射冷顶板便是该系统末端的一种形式。其工作原理是降低天花板的内表面温度来形成冷辐射面，依靠冷辐射面与室内其他围护结构内表面及家具、人体表面之间的辐射换热来达到供冷的目的。天花板内表面和室内其他表面的温度降低会导致室内空气与这些表面之间的对流换热加强，使室内空气温度同时降低，进一步加强供冷效果。混凝土埋管式辐射冷顶板与室内环境的主要换热模式是辐射换热和自然对流换热结合的综合换热模式，这一点与传统送风空调系统的强制对流换热模式不同。
　　混凝土埋管式辐射冷顶板的施工方法是将塑料水管或钢管绑在钢筋上直接现浇在楼板中，也可以在天花板上固定好水管后再做面层。这种辐射板具备较大热容量。目前关于换热机理的研究大多集中在辐射板内部或整个供冷系统的换热过程，少数针对辐射冷顶板与室内热环境之间辐射换热机理的研究也基本讨论的是稳态工况下的辐射换热。
　　实际情况中，室内的热辐射环境常处于非稳态工况。例如，各种外扰的变化会使传入室内的得热量改变，从而改变围护结构内表面温度;辐射冷顶板系统的启动、关闭或运行间隔，人员的进出以及热源的开闭等都会造成室内热辐射环境的改变。目前对非稳态工况下室内热辐射环境的换热机理和热响应特性还缺乏理论与实验数据支撑。本文针对以上问题，将理论研究、实验研究及数值模拟相结合，开展了相关研究。
　　文中改进了辐射换热计算的杰勃哈特法，针对辐射冷顶板房间内有热源参与的热辐射环境建立了矩阵方程形式的非稳态换热模型，使之能够将整个时间内所有表面上净辐射换热量的计算转化为矩阵运算。有效避免了传统方法在解决非稳态辐射换热时对方程组的多次求解，为计算机编程提供了便利。对有窗户的非封闭空间提出了辐射换热的求解办法。
　　将辐射冷顶板房间内复杂的换热问题抽象为三维封闭方腔中非稳态导热、辐射与自然对流的耦合换热问题，并给出了该问题的数值实施方法和具体的理论推导过程。采用附加源项法处理能量守恒方程的边界条件以及固体表面的辐射换热部分，并推导出相应的附加源项以及未知界面温度的计算表达式。
　　搭建热工实验平台来模拟混凝土埋管式辐射顶板系统在夏季供冷时封闭空间内的动态热响应过程，并验证了封闭空间内的非稳态辐射换热模型以及非稳态耦合换热数值模型。设计了不同非稳态工况（包括辐射冷顶板系统的启动和关闭、供水温度突然提高和下降、室内负荷突然提高和下降、供水温度周期性波动等）进行了实验研究。通过详细分析实验舱内的数据，对混凝土埋管式辐射顶板系统开始及停止供冷时的各项温变曲线进行一阶指数函数拟合。为保证工作时间内室内热环境的相对稳定，选定至少提前8个小时开启混凝土埋管式辐射冷顶板系统。得到了系统停止供冷后前8小时内每个小时的温度增长速率，以快速估算辐射冷顶板系统停止运行后的温度变化量。另外，冷水供水温度及室内负荷突然变化或冷水供水温度波动时，各项温度值的变化幅度及变化速率非常小。
　　分析非稳态耦合换热数值模型内的温度场、空气流场以及辐射热流密度场后发现，空间中的温度分布大致均匀;自然对流并不剧烈，空气的流线以向上浮升为主;微元表面上的辐射热流密度受到其他所有微元表面温度以及相对位置的综合影响。在辐射冷项板逐渐加载冷量的过程中，热源周围的涡流是逐渐形成的。
　　本文的创新性工作主要有:
　　(1)建立了混凝土埋管式辐射冷顶板房间内有热源参与的非稳态辐射换热模型;
　　(2)建立了混凝土埋管式辐射冷顶板房间内非稳态导热、辐射与自然对流的耦合换热数值模型并予以求解;
　　(3)对混凝土埋管式辐射顶板系统在夏季供冷时封闭空间内的动态热响应过程进行了实验结果的拟合分析与经验公式归纳。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

主要符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 辐射冷顶板系统简介

1．2．1 辐射冷顶板系统概述及发展过程

1．2．2 辐射冷顶板系统末端类型

1．2．3 辐射冷顶板系统搭配送风系统

1．2．4 辐射冷顶板系统的优缺点

1．3 辐射冷顶板系统研究进展

1．3．1 国际研究进展

1．3．2 国内研究进展

1．4 辐射冷顶板房间内辐射换热的传统算法

1．5 本文的研究意义和主要工作

第2章 辐射冷顶板室内非稳态辐射换热模型

2．1 辐射换热基础理论

2．1．1 辐射换热基本定律

2．1．2 封闭空间及约束条件

2．1．3 物体表面的辐射热平衡

2．2 封闭空间非稳态辐射换热模型

2．2．1 杰勃哈特法及吸收因子

2．2．2 表面温度全部给定的非稳态辐射换热

2．2．3 部分表面给定热流量的非稳态辐射换热

2．2．4 计算机模型编程

2．3 非封闭空间辐射换热模型

2．3．1 半灰体近似法

2．3．2 长波辐射部分

2．3．3 短波辐射部分

2．4 本章小结

第3章 辐射冷顶板室内非稳态耦合换热问题的数值计算方法

3．1 非稳态耦合换热问题的概述与模型简化

3．2 控制方程

3．3 通用方程的离散过程

3．3．1 区域离散化

3．3．2 通用方程积分

3．3．3 界面总通量表达式

3．3．4 通用离散方程

3．4 附加源项法处理能量守恒方程的边界条件

3．4．1 封闭方腔垂直壁面的外表面边界

3．4．2 封闭方腔顶面边界

3．4．3 流固内界面边界

3．5 计算机模型编程

3．6 本章小结

第4章 混凝土埋管式辐射冷顶板室内非稳态辐射换热的实验设计

4．1 实验目的

4．2 实验台介绍

4．2．1 实验舱的搭建

4．2．2 混凝土埋管式辐射冷顶板构造

4．2．3 水系统设置

4．2．4 除湿设备

4．2．5 舱内负荷

4．2．6 测量仪器及测点分布

4．3 实验步骤及工况

4．4 封闭空间非稳态辐射换热模型验证

4．4．1 角系数及表面发射率

4．4．2 壁面与附近空气层的自然对流换热量

4．4．3 计算结果验证

4．5 本章小结

第5章 混凝土埋管式辐射冷顶板室内非稳态辐射换热的实验研究

5．1 混凝土埋管式辐射冷顶板系统的启动过程

5．1．1 温度变化趋势及曲线拟合

5．1．2 辐射换热热流的变化趋势

5．2 混凝土埋管式辐射冷顶板系统的停机过程

5．2．1 温度变化趋势及曲线拟合

5．2．2 辐射换热热流的变化趋势

5．3 冷水供水温度或室内负荷阶跃变化过程

5．3．1 冷水供水温度突然变化时的温度变化趋势

5．3．2 室内负荷阶跃变化时的温度变化趋势

5．4 冷水供水温度的周期性波动过程

5．5 不同冷水供水温度或室内负荷对舱内温度的影响

5．6 本章小结

第6章 混凝土埋管式辐射冷顶板室内非稳态耦合换热的数值模拟

6．1 实验舱数值模型的建立

6．2 终态结果分析

6．2．1 终态空间内的温度分布及验证

6．2．2 终态空间内的空气流场

6．2．3 终态各内表面的辐射热流密度场

6．3 非稳态过程结果分析

6．3．1 温度场的逐时变化

6．3．2 空气流场的逐时变化

6．3．3 辐射热流密度场的逐时变化

6．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间所发表的学术论文

攻读学位期间所参与的科研项目