黃嶺,李楠,雷俊瑤
(東北林業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱,150000)
近年來室內(nèi)供暖問題受到了廣泛關(guān)注。如何調(diào)整供水流量使得室內(nèi)溫度維持在一個(gè)令人舒適的范圍內(nèi),成為了許多人研究的重點(diǎn)課題。水暖暖氣片廣泛應(yīng)用于家庭及辦公室等場合,特別是東北三省地區(qū)。我國的水暖產(chǎn)業(yè)也逐漸發(fā)展起來,尤其是鋼制和銅,銅和鋁復(fù)合型水暖暖氣片,市場較為廣闊。主要的原因是熱穩(wěn)定性能好,無噪聲,比較節(jié)能,供暖充足。問題為當(dāng)進(jìn)水流量和室外溫度一定時(shí),求解房間動(dòng)態(tài)溫度分布,在此研究背景下,研究人員可以根據(jù)已經(jīng)建立好的模型進(jìn)行預(yù)估判,合理的調(diào)整進(jìn)水與出水口的管流量,以達(dá)到室內(nèi)溫度為最理想的一種狀態(tài),具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。
假設(shè):出水口溫度設(shè)為30℃;室內(nèi)平均溫度為21℃
(經(jīng)查閱數(shù)據(jù)資料可得,水暖供熱進(jìn)水口溫度與出水口溫度相差10℃,由于題目中進(jìn)水口溫度40℃,故出水口溫度應(yīng)為30℃。)
故構(gòu)建暖氣片產(chǎn)熱溫度模型如下:
Q—管段的熱負(fù)荷[3](W);G—管段的流量(kg/h);F—暖氣片產(chǎn)熱面積(m2);
tsg—散熱器進(jìn)水溫度(℃);tsh—散熱器出水溫度(℃)
F=2m×1m=2m2G=1×500kg/h=500kg/h
故暖氣片的總產(chǎn)熱為Q產(chǎn)=2Q1=2×5813.95=11627.9W
室內(nèi)的溫度設(shè)為平均值21℃,室外的溫度為0℃,故熱量向室外擴(kuò)散,熱量擴(kuò)散分為兩部分:①熱量通過窗戶向的散失 ②熱量通過墻體的散失。
(1)第一部分通過窗戶向室外散熱[4]散熱過程可簡化為為三個(gè)過程
室內(nèi)熱量向玻璃內(nèi)側(cè)擴(kuò)散→玻璃內(nèi)側(cè)向玻璃外側(cè)擴(kuò)散→玻璃外側(cè)向室外擴(kuò)散
假設(shè):玻璃厚為a1=4mm;導(dǎo)熱系數(shù)為b1=0.78W/(m·k)
已知兩扇窗戶的面積規(guī)格為2m×1.5m,根據(jù)已知條件可求得窗戶的傳熱系數(shù)k1;
K1——傳熱系數(shù)[5];m1——21℃時(shí)空氣對流換熱系數(shù);
m2——0℃時(shí)空氣對流換熱系數(shù);b1——玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)
帶入解得k1=7.22W/(m2·k)
通過整個(gè)窗戶的散熱功率為Δt
(2)第二部分墻體的熱量散失
由于此房間僅南北墻和外界接觸,故南北墻體散熱面積2.8m×5m-2m×1m=12m2
(此面積為減去窗戶之后南北墻的散熱面積)
假設(shè):墻體厚度為a2=26cm,墻體導(dǎo)熱系數(shù)為 b2=0.8W/(m·k)
同理解得墻的傳熱系數(shù)k2=2.18W/(m2·k)
n1——21℃時(shí)空氣對流換熱系數(shù);n2——0℃時(shí)空氣對流換熱系數(shù);
b2——墻體的導(dǎo)熱系數(shù)
在求得房間內(nèi)凈產(chǎn)熱量后利用熱源溫度場迭加法計(jì)算溫度
熱源溫度場迭加法(熱源法) 的基礎(chǔ)是瞬時(shí)點(diǎn)熱源在無限大介中,發(fā)出一定熱量后任何時(shí)刻的溫度場。
熱源為持續(xù)發(fā)熱面熱源,本題中熱源即為暖氣片,并且是將暖氣片看作是恒溫的熱源,其發(fā)熱量為Qm(J/m·s),此Qm為產(chǎn)熱與散熱計(jì)算量的疊加值。
熱源開始發(fā)熱后任何時(shí)刻τ,任何地點(diǎn)M處的溫升為
固態(tài)鋁的熱導(dǎo)率:237W/mk
鋁的線膨脹系數(shù)為α=2.35×10-5m/(m.k)
面膨脹系數(shù)為β=3α=7.05×10-5m/(m.k)
由熱量分布計(jì)算得距暖氣片最高點(diǎn)不同距離的熱量為:
Qm(0.3)=9392.13W Qm(0.6)=9055.20W
Qm(0.9)=8706.24W Qm(1.2)=8369.29W
Qm(1.5)=8062.43W Qm(1.8)=7761.60W
通過熱量的分布可以得到相應(yīng)的溫度分布如表1所示。
表1 溫度分布表
水暖供水流量問題備受關(guān)注,如何調(diào)整供水量使得房間的溫度達(dá)到一個(gè)合適的范圍是非常重要的問題。本文通過對循環(huán)水供暖房間室內(nèi)溫度場分布的研究,得到了不同的管流量下對應(yīng)的房間的動(dòng)態(tài)溫度分布,對應(yīng)室內(nèi)溫度的分布呈層狀自下而上逐漸由溫度較高的等溫區(qū)域,平行向較低的區(qū)域過度,即室溫溫度隨著空間高度的增加而平穩(wěn)的減小。在不同的管流量下,暖氣片有著不同的的產(chǎn)熱量,由于室內(nèi)溫度與室外溫度的差值是處在變化之中,房間的散熱也處于變化之中,那么對于整個(gè)房間的熱量也處于變化,此時(shí)為了使房間的溫度達(dá)到一個(gè)合適的值,就可以調(diào)整管流量,改變產(chǎn)熱,使得房間的溫度維持在一個(gè)合適的范圍。本文研究的房間的動(dòng)態(tài)溫度中,在水平面上認(rèn)為溫度是保持不變的,而在豎直方向上存在梯度,并且離散的研究了在室外溫度和管流量為定值的情況下,距暖氣片最高點(diǎn)不同距離處的溫度分布,考慮到直接研究溫度的連續(xù)分布比較困難,所以我們用了采樣的方法,即取一些離散的值進(jìn)行研究,進(jìn)而推斷出連續(xù)時(shí)的大概分布問題。
研究總結(jié)循環(huán)水供暖問題,是為了合理的調(diào)整參數(shù),使得整個(gè)系統(tǒng)在能量的利用和能源消耗上都能有一些合適的值,關(guān)系到舒適標(biāo)準(zhǔn)、衛(wèi)生要求和能源節(jié)約,設(shè)置合適的管流量,即在滿足熱舒適度的基礎(chǔ)上,節(jié)約能源。近幾年來,室內(nèi)溫度已經(jīng)成為室內(nèi)空氣質(zhì)量的一個(gè)重要組成部分,調(diào)整好合理的管流量與暖氣片參數(shù)等,使用戶有更高更好的體驗(yàn),因此研究此類問題具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。