一种低温地板辐射采暖系统热工性能的实验研究工业设计论文

摘要　　为了推广应用具有节能和热舒适特性的低温地板辐射采暖系统，各种型式的地析辐射系统的热工特性的研究势在必行。通过对PTR（改良聚丙烯）管材，等密度双回型铺高方式的低温地板辐射采暖的实验研究，获得了此系统的热工特性曲线，反映了流量，散热量，供水温度之间的变化关系。对比传统的采暖方式--散热器采暖中的钢制柱式散热器的传热特性，结合实验数据，笔者提出了在供水温度在30℃～65℃之间，水系统流量在0.03M³/H～0.60 M³/H时此种低温地板辐射采暖系统中地板辐射的热工特性计算公式，并将部分实验值与理论计算值进行了对比分析，初步地验证了此公式的有效性。
　　
关键词　　地板辐射采暖；热工特性；实验研究

一、问题的提出
　　
　　低温地板辐射采暖是一种利用建筑物内部地面进行供暖的系统。在我国，低温地板辐射采暖是一种新兴的供暖方式。当前，对此系统的热工特性和供热的基本规律的认识尚不完备和成熟。因此，笔者通过对天津大学环科院的地板地板辐射采暖系统实验小室（4000CM×2960 CM×2000CM）进行了实验研究和分析，希望获得主要热工参数之间的变化规律，并试图在结合此系统的热工特性实验数据的基础上，回归出系统热流量与计算对数温差和系统流量的数量关系(计算公式)。
　　
二、实验装置介绍
　　
　　1　实验装置平面示意图
　　
　　　　　　　　　
　　
　　2系统装置说明
　　本低温地板辐射采暖系统是由热工参数测量子系统，温度控制子系统，地板辐射采暖子系统构成。
　　（1）参数测量子系统：
　　由DANFOSS智能化热力参数测量仪完成供回水温度，水系统瞬时流量和水系统散热量的测量。室内温度由标准水银温度计测量而得。同时采用红外线温度测量仪测出地板表面的温度值，以供实验参考。
　　（2）温度控制子系统
　　由四组电加热管（每组热功率2000瓦），调压箱，220伏特交流电源，电路连接用铜线组成。
　　（3）地板辐射采暖子系统：
　　水箱一个（热源），闸阀（三个）改良聚丙烯（PTR）管材，实验用水管组成。

地板辐射采暖铺设图（一）

地板辐射采暖地面做法剖面图（二）
　　a.图一中，地板辐射的PTR管材的管径为DN20。
　　b.图二中，剖析面从下到上各部分依次为（1）基础地面，（2）聚苯乙烯保温层，（3）铝箔，（4）卵石混凝土，（5）水平找平层，（6）地板面。
　　
三．实验内容：
　　
　　1．实验数据采集方案：
　　采用定供水温度变流量法（参考文献⁴）：通过选定供水温度，调节系统瞬时流量，使流量满足欲先选定值。待系统稳定后，读取其它测量参数数据。
　　2．选定数据分布
　　供水温度：65℃，55℃，45℃，40℃，35℃，30℃（摄氏度）
　　流量：0.03M³/H，0.05 M³/H，0.10 M³/H，0.150 M³/H，0.20 M³/H，0.30 M³/H，0.45 M³/H，0.60 M³/H(立方米/小时)
　　
四．数据图表输出：
　　
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　地板辐射采暖系统流量M³/H（横坐标）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　--热量KW（从坐标）关系图象（图二）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　不同的标记线代表不同的供水温度下的测量曲线*
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　柱式散热器的流量M³/H（横坐标）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　--热量KW（从坐标）关系图为（图三）参考文献³
　　
　　1．从图二中，我们直观的可以得出以下结论：
　　水系统流量在0.03 M³/H～0.6 M³/H之间变化时，随着流量的增加，系统散热量对水系统流量的变化量将逐渐减小。
　　2．从"图表二"和"图表三"的对比中，我们直观的可以得出以下结论：
　　参考典型柱式散热器的热工特性，通过图二与图三的直观对比，笔者发现柱式散热器与地板辐射的热工特性，通过图二与图三的直观对比，笔者发现柱式散热器和地板辐射的热工特性相似性。所以，本系统的Q（系统的散热量）由ΔT（计算对数温差）和G（系统流量）共同决定，即Q（系统的散热量）是ΔT（计算对数温差）和G（系统流量）的函数。
（系统向供热空间的散热量）=Q₀（系统的散热量）×0.9
定Q₁（向下供热量）为Q₀（系统的散热量）的10%
Q₀= Q Q₁
关于ΔT（计算对数温差）和G（系统流量）的具体定义见"公式一"的说明部分

五、数据分析：
　　
　　1．数据的分析：
　　应用的非线形三元两因素回归方法，在不同标准供水温度下，均均选取21组测量数据得到--供水温度在30℃～65℃之间，水系统流量在0.03M³/H～0.60M³/H时，管间距为200MM，管径为ＤＮ20，埋深为60MM，管材为PTR（改良聚丙烯），等密度双回型铺设方式的低温地板辐射采暖系统热工特性的计算公式（参考文献²）：

　　q=a0 a1ΔT^k1 a2ΔG^k2 a3ΔT^k3G^k4 公式一

　　其中，a0,a1,a2,a3,k1,k2,k3,k4由实验确定：
　　　　a0=125315W；a1=-123247W/℃；
　　　　a2=-4455J/KG;a3=388J/(KG/℃)；
　　　　k1=0.01;k2=1.61;k3=0.94;k4=0.22；
　　　　q：系统的单位面积散热量；（q=Q/S）W/M²；
　　　　S:系统散热面积，2.96 M²×4.00M²；
　　　　ΔT（计算对数温差）=ΔT_gh/Ln[(T_g-T_n.c)/(T_h-T_n.c)]；
　　　　ΔT_gh =ΔT_g-T_h；
　　　　G:系统流量，KG/S；
　　　　Tg：供水温度℃；
　　　　Th：回水温度℃；
　　　　Tn.c：实测室内温度℃。

　　2．误差分析：通过回归得到"公式一"的有效性指标：R（相关系数）=0.994；
　　剩余标准误差=11.23；最大误差=26.76；平均误差=9.93；AVGS（平均相对误差）=4.74%
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表一

ΔT：计算对数温差（℃ ）	G：系统流量（KG/S）	Q1：测量系统散热量（W）	Q2：计算系统散热量（W）	Φ：相对误差（%）
26.68	0.0086	81	86.51	6.8
35.03	0.0422	228	228.42	0.2
28.61	0.055	184	194.58	5.7
18.73	0.0083	62	55.81	10
28.22	0.1667	300.6	279.58	7
21.12	0.0278	104.4	107.72	3.2
21.47	0.1669	215	204.42	4.9
14.68	0.0081	41	42.92	4.7

　　系统散热量的随样要点的相对误差Φ的计算表
　　其中：Φ=（Q1-Q2）/Q1*100%
　　　　　根据"表一"的数据显示，Φ相对误差<15%
　　3．误差分析结论：
　　由"1"和"2"可初步验证"公式一"的有效性
　　
六．实验结果：
　　
　　1．获得了不同供水温度下地板辐射采暖系统流量M³/H（横坐标）--热量KW（纵坐标）关系图，得出此种低温地板辐射采暖水系统流量在0.03M³/H～0.6 M³/H之间变化时，随着流量的增加，系统散热量对水系统流量的变化率将逐渐减小，即当流量较大时，系统的量调节能力变弱的实验结论。
　　2．通过与柱式散热器的对比分析，获得了供水温度在30℃～65℃之间，水系统流量在0.03 M³/H～0.60 M³/H时，管间距为200MM，管径为DN20，埋深为60MM，管材为PTR（改良聚丙烯），等密度双回型铺设方式的低温地板辐射采暖系统热工特性的计算公式并初步验证了公式的有效性。为此种低温地板辐射采暖系统的设计计算提供了依据。
　　
七、实验研究展望
　　
　　1．扩大流量测量范围，获得此种低温地板辐射采暖系统的全面数据，重新拟合测量数据，简化计算公式同时保证计算公式的有效性。
　　2．由于，在地板辐射中，总的系统散热量最多有50%是以辐射方式进行的（参考文献2），而传统散热器采暖系统中，以辐射方式散出的热量占总散热量的比例很小。所以，低温地板辐射采暖系统与传统散热器采暖系统的传热计算在质的相似性中，存在着不同传热方式之间的散热量分布的量的显著差异。因此，建立标准低温地板辐射采暖系统的实验台，开展多种型式的低温地板辐射采暖系统的热工特性的实验研究有其自身的特殊意义。
　　
　　
参考文献
　　
　　1．王荣光，低温地板辐射采暖，煤气与热力（天津）。V01.19 N0.4 1999;
　　2．宗立华，塑料埋管地板辐射供暖的热性能分析，暖通空调（北京），2000第30卷第1期。
　　3．张双喜等，钢制柱式热管散热器的研究，青岛建筑工程学院学报（青岛）。V01.15 N0.1 1994；
　　4．孙祥泰，张双喜，王大恩，杨子明，热管散热器热工性能实验，青岛建筑工程学报（青岛）。V01.14 N2 1993。
　　

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