摘要：簡要介紹了地板輻射采暖的原理及其優越性，利用CFD
技術模擬采用低溫地板輻射采暖的大空間建筑的溫度場，分析室內空氣溫度梯度和地板表面溫度，并與實際的測試結果相比較，證明了CFD模擬的可靠性與準確性，提出并驗證了地板輻射采暖同樣適用于大空間建筑。
關鍵字：低溫地板輻射采暖，CFD
技術，大空間建筑
1 引言
地板輻射采暖是一種利用建筑物內部地面進行供暖的系統，主要利用輻射換熱和對流換熱相結合的形式對室內進行冬季供暖，該系統具有節能、舒適、不占建筑面積以及環保等優點。低溫地板輻射采暖已在我國北方地區的住宅建筑中得到了日益廣泛的應用，從生理衛生方面和舒適度方面都優于其他供暖方式[1]。這種采暖方式是否也適用于大空間建筑，針對這一問題，本文利用CFD技術，模擬大空間內的溫度場分布情況，并實地測試供暖效果，與模擬結果對比分析，驗證CFD技術指導工程實際的可行性與準確性，充分發掘低溫地板輻射采暖的優越性。
2 室內溫度場模型
2.1 物理模型
天津市動物園長頸鹿館，長22.5米，寬14.5米，高8米，房間幾何模型如圖1，動物活動區與參觀廳用鐵護欄隔開，鐵護欄上布有四柱760鑄鐵散熱器。此供暖系統為采暖改造工程，原有散熱器保留，直接用地熱水為熱源，作為一次網供熱；回水經由熱泵制出45℃熱水進入地板盤管，使地板輻射采暖作為二次網供熱，為主要的供暖設備。
圖一 房間幾何模型
2.2 數學模型
CFD技術在室內熱環境中的應用是基于對室內空氣(視為不可壓縮氣體)質量、動量、能量守恒微分方程的離散化處理及數值解。室內無機械通風系統，空氣溫度分布完全依賴于輻射換熱和對流換熱的影響，假設室內氣流為不可壓縮常物性牛頓流體，計算的主要方法采用κ-ε雙方程湍流模型，通過求解湍能K和湍能耗散率ε的輸運方程得到湍流粘性系數。對于方程的離散和求解采用控制體積法。
計算用到的方程有[2][3]：
⑴連續性方程：
⑵動量方程：
⑶紊流脈動動能方程：
⑷紊流能量耗散率方程：
其中，
ui為速度矢量；ρ為流體密度；P為壓力；tij為粘性力張量；ρgi為體積力；Fi為由熱源、污染源等引起的源項；μ為運動粘性系數；μt為紊流粘性系數；Gk為平均速度梯度產生的湍流動能；Gb由浮力而產生的湍流動能；C1ε，C2ε，C3ε，σk，σε，Cμ均為常數，取值分別為：1.44，1.92，1，1.0，1.3，0.09。
2.3 邊界條件及離散求解參數的確定
室內設計負荷38kW，設計溫度18～22℃，室外環境溫度-9℃，外墻傳熱系數1.57W/(K·m2)，屋頂傳熱系數1.43W/(K·m2)，外門傳熱系數4.65W/(K·m2)，外窗傳熱系數5.82 W/(K·m2)，地板熱損失與地板輻射散熱共同的作用結果是散熱熱流密度90W/m2，散熱器負荷104.8W/m2。
湍流模型為標準k-ε雙方程模型；流動收斂準則為0.001；能量收斂準則為1×10-6；壓力離散格式為質量力加權法；溫度離散格式為二階迎風格式；動量離散格式為一階迎風格式；各參數的欠松弛系數均定為計算器的默認值；壓力AMG求解格式為V類型；溫度、動量、k、ε的AMG求解格式均為Flex類型。
2.4 計算網格的劃分
計算網格劃分質量直接決定計算的精度，館內離散網格采用六面體網格，并做如下設定：
⑴ 網格單元最大尺寸x，y，z尺寸為房間對應尺寸的1/20；
⑵在地板、散熱器及外墻附近網格加密細化。
此次模擬共生成粗網格13744個，節點18245個，細網格75592個，節點83063個，計算1500次后收斂。
2.5 數值模擬結果與分析
長頸鹿高約4～6m，為了保證它的正常活動區的溫度，就要使空間7m以內的溫度分布達到采暖要求。模擬結果顯示，應用地板輻射采暖系統能滿足溫度要求，整個空間的溫度分布比較均勻，總體溫度都在18℃以上。
由圖2可以看出，參觀廳地面溫度分布均勻，基本在25℃左右，外墻附近溫度低一些，也在20℃以上，符合采暖規范對地板溫度的要求；動物活動區最高溫度達到30℃，平均27℃左右，滿足動物冬季采暖需求；房間中間地帶溫度明顯高于其他部位，這主要是由于分布在周邊的散熱器在空間形成的渦流造成的。
圖2 地板表面溫度云圖
圖3 房間長度方向溫度分布云圖
圖4 房間寬度方向溫度分布云圖
如圖3、圖4，在靠近地面2m以內溫度變化較大，在2m以上溫度分布比較均勻。常規的地板輻射采暖房間的垂直溫度分布一般在0.5m以上就比較均勻了，本文的模擬結果之所以出現這種情況主要是由于房間屬于大空間建筑，且周圍對流散熱器的作用使熱氣流上升，因此在2m以下范圍內溫度波動較大。空間的上部溫度分布還是十分均勻的，這樣的溫度分布對高大的長頸鹿來說是舒適的，同時模擬結果也說明地板輻射采暖在大空間內也能滿足供暖要求。
3 實驗驗證與分析
供暖期間對供暖系統進行測試，所用的測試儀器有干、濕球溫度計、美國fluke公司生產的數據采集系統、熱電偶線等，對長頸鹿館空間垂直溫度分布情況和地面溫度分布情況進行多次測量，圖6為空間某點垂直溫度分布測試結果，與模擬結果圖5的溫度分布趨勢基本一致，驗證了數值模擬的可靠性。
模擬結果與測試結果也存在一些差異，分析其原因為：
⑴ 實測平均溫度偏高于模擬值，是由于在采暖季節，為減小圍護結構耗熱量，房間門窗外側都掛有擋風的棉被和塑料布等遮擋物，減小了房間熱負荷；地熱水溫度升高，現在從地熱井里出來的水溫為49℃，比設計值高出4℃，一次網散熱量變大，這也是一方面原因。
⑵ 溫度分布曲線不是很平滑，2米高度處有溫度波動，是由原有散熱器引起的，實際情況一次網溫度升高，散熱量加大，所以波動更大一些。
⑶ 實測地面溫度略低于模擬值，是由于在動物館舍，為防止動物踩壞或摔跤，鋪設較厚的混凝土地面，且印花，填充層比住宅地板的厚一些，因此地表溫度實測值比模擬值偏低。
圖五 模擬空間某點垂直溫度
圖六 實測空間某點垂直溫度
4 結論
⑴ 本文用Flunet公司推出的專業Airpak軟件對采用地板輻射采暖的大空間的溫度場進行了數值模擬，分析了室內空氣溫度梯度、地板表面溫度情況，做了模擬結果與實測結果的對比分析。
⑵ 實測與模擬的溫度分布趨勢的高度吻合性，說明了此模擬軟件和模擬方法的可行性與準確性，完全可以驗證和指導設計。
⑶ 地板輻射采暖方式同樣適用于大空間建筑，整個空間溫度分布均勻，溫度分布梯度很小，在7m高處仍然滿足溫度要求，其室內熱環境滿足人和動物（長頸鹿）的生理要求與衛生要求，充分顯示了地板輻射采暖的優越性。
參考文獻
[1]楊文帥,王榮光,凌繼紅,等.地板輻射供暖在生理衛生方面的特點[J].煤氣與熱力,2002,22(2):151～152.
[2]楊惠，張歡，由世俊。基于Airpak的辦公室熱環境CFD模擬研究[J]。山東建筑工程學院學報，2004,19(4):41～45.
[3]陶文銓.數值傳熱學[M].西安交通大學出版社.2001.
