低温热水地面辐射供暖加热管内流速对散热量影响的实验研究

近年来，地面辐射供暖技术在我国得到了迅速发展和应用。地板辐射供暖较之传统的散热器供暖更加舒适，与这种舒适直接相关的就是地面的散热量。影响地面散热量的因素很多，包括地面层材质与厚度、填充层厚度及材质、管间距、管径、水温及室温等，有关这些影响因素的研究也很多。然而，对加热管内流速对地面散热量的影响的研究几乎没有，本文以实验和理论分析相结合的方法研究了加热管内流速变化对地面散热量的影响。

实验在哈尔滨工业大学市政环境工程学院的ISO国际标准低温热水散热器试验台上完成。模拟地面按照《地面辐射供暖技术规程》(JGJ 142-2004)（以下简称《规程》）的做法构建，在小室内搭建4 m²(长×宽=2 m×2 m)的辐射地板供暖，其各个构造层的厚度、材料完全采用工程上的常用做法，示意图见图1。

图1 地板辐射供暖构造层示意图

构造层最下面是100 mm厚钢筋混凝土楼板，在楼板上面铺设密度为20 kg/m3、导热系数为0. 04 W/(m·k)、厚度为20 mm聚苯乙烯泡沫作为保温层，在保温层上铺设了铝箔层；填充层采用厚度为40 mm的C15豆石混凝土；地面层选用实木地板，导热系数为0. 20 W/(m·k)，在地板搭接处下部垫厚度为15 mm的地板条龙骨；加热管管间距取工程上普遍采用的300 mm。为了使实验更具代表性，在4 m2地板辐射供暖构造层周围作了保温，认为实验中的地板辐射供暖只有向上向下的传热；在楼板下面垫4根厚度为100 mm的方木，使楼板下部空气与室内空气自由流通。如图2和图3所示。

            图2 加热管盘管           图3 面层为木质地板的模拟地面

地面辐射供暖总散热量是通过测量系统加热管进出口的热水温差与流量，进而计算得到的。热水温度和室内温度测量采用分辨率为0.01℃的铠装铂电阻温度计测量，流量采用重量法计量，测量时用转子流量计粗调，称重用的天平为国际标准四级天平。测量准确度达到ISO国际标准低温热水散热器试验台的规定。

测量时保证换热达到了完全的热平衡状态。温度测量的精度应达到±0.1℃、流量精度达到±1%。在确认稳定后测量4h以上，每10 min取值一次。

实验中控制供回水平均温度与室温温差∆t(℃)，分别测出流量为225 kg/h，350 kg/h和500 kg/h时的地面散热量，地面层为木质地板时不同∆t下地面的散热量如表1所示。

表1 地面层为木质地板的试验数据表

由表1回归出3种流量下地面散热量与∆t的关系式(1)，(2)和(3)：

Q'=4.81∆t^1.00             （1）

Q"=5.02∆t^1.00              （2）

Q'"=5.54∆t^0.97            （3）

式中  Q' ——流量为225 kg/h时的散热量，W/m²：

     Q" ——流量为350 kg/h时的散热量，W/m²：

     Q'" ——流量为500 kg/h时的散热量，W/m²。

将∆t分别固定为37℃，27℃和17℃，由式(1)～(3)可计算出相应A下，流量分别为225 kg/h，350 kg/h和500 kg/h时的地面散热量，由此得到地面散热量随流量的关系曲线，如图4所示。

   
图4 不同温差时流量与散热量的关系曲线

由图4可以看出，地面辐射供暖在常用热水流量下，散热量会随着流量的加大而变大，流量越大这种变化趋势越平缓。流体在管内流动时，流体和壁面间进行换热，引起壁面法线方向上温度分布的变化，形成一定的温度梯度，近壁处流体温度发生显著变化的区域称为热边界层或温度边界层。热边界层与流动边界层有密切的关系，流体的流速增加，流动边界层的厚度就会减小，热边界层厚度也减小，从而减小了流体与管壁热阻，增强了换热。因此，散热量随着流量的增大而增大。

在流体处于层流状态时，流量对散热量的影响非常明显，而在过渡流时影响相对较小，在湍流时影响就非常小了。下面从流体流态的角度分析流量对地板散热量的影响。流体在加热管内流动时的雷诺数为

式中R_e ——流体在加热管内流动时的雷诺数；

    u_m——加热管内流体的流速，m/s；

    d ——一当量直径，m;

    v ——运动黏度，m²/s。

当R_e <2 300时，流体处于层流状态；当2 300< R_e <10 000时，流体处于过渡流状态；当R_e >10 000时，流体处于旺盛湍流状态。由此，计算出不同温度、不同流速下流体的流态见表2。

表2 加热管内热水流态的判断

《规程》规定：为了带走加热管内的空气，管内流速不得小于0. 25 m/s，所以实验选用大于0.25m/s的流速。由表2可知，流体处于过渡流和湍流区域。为了分析流态对散热量的影响，笔者让加热管(PE-RT管)的供回水平均温度和室温的温差固定为17℃，对流态为过渡流、流量为225 kg/h和流态为湍流、流量为500 kg/h两种工况进行了计算，得到的散热量分别为81.8 W/m²和86.5 W/m²，后者比前者高出5. 9%，可见流量变化对散热量的影响是比较大的，而《规程》中并未考虑流量对地板散热量的影响。同样，以《规程》为依据分析管间距对地板散热量的影响，对于PE-X加热管，供回水平均温度与室温温差固定为17℃，管间距由300 mm变到200 mm时，单位面积散热量由78.6 W/m²增大到85.7 W/m²，增大9%。由此可见，流量对散热量的影响接近管间距对散热量的影响，在实际工程中应同等考虑。

由实验数据对这种影响进行分析计算，从图4中曲线回归出三种∆t下地面散热量与∆t的关系式(5)，(6)和(7)：

Q₁=125.44G^0.0640       (5)

Q₂=91.54G^0.0639            (6)

Q₃=57.64G^0.0639            (7)

式中Q₁——供回水平均温度与室温温差为37℃时的散热量，W/m²；

    Q₂——供回水平均温度与室温温差为27℃时的散热量，W/m²；

    Q₃ ——供回水平均温度与室温温差为17℃时的散热量，W/m²；

   G ——流量，kg/h。

由式(5)～(7)可以看出，在三种供回水平均温度与室温温差下，地面散热量与∆t的关系式的指数基本相同，也就是在常用流量和供回水平均温度范围内，流量对地板散热量的影响是一致的，约为0. 063 9次幂的关系。

由以上分析可知，流量对散热量的影响比较大，与管间距对散热量的影响一样须加以考虑，在工程设计中可根据具体情况对实际流量下地面的散热量进行修正。

[1] 中国建筑科学研究院．JGJ 142-2004地面辐射供暖技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2004

[2] 丁有虎．低温热水地板辐射供暖传热的实验研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007