摘要：為將低品位可再生能源直接應用于采暖系統(tǒng)，提出了一種以碳鋼/水重力式熱管為加熱管的低溫輻射地板采暖方式，分析了其傳熱特性并對熱工性能進行了實驗研究。在不同供水溫度(35～45℃)、供水流量(0.12～0.37m3/h)以及地板表面初始溫度(26～30℃)下，分別得到了地板表面及熱管壁面的溫度分布、地板散熱量和傳熱滯后時間等參數(shù)。實驗結(jié)果表明：熱管輻射地板可以在較低的供水溫度下達到較高的散熱量，供水溫度可}匕常規(guī)塑料埋管地板降低5℃左右；地板升溫快、蓄熱好，升溫期時間約為降溫期時間的1/3；地板表面溫度梯度合理，有利于減小熱損失。根據(jù)實驗結(jié)果擬合了低溫熱管輻射地板的散熱量計算公式。
關鍵詞：碳鋼/水重力式熱管；低溫熱管；輻射地板；采暖；熱工性能
Experimental Research on Performance of Low-temperature Thermosyphon Radiant Floor Heating
ZHAO Wei，ZHANG Yufeng
Abstract：In order to apply low-quality renewable energy to heating system，a low-temperature thermosyphon radiant floor heating mode with carbon steel/water thermosyphon as heat plpe is proposed.The heat transfer characteristics of the thermosyphon radiant floor are analyzed，and the experimental research on its thermodynamic performance is carried out.Some parameters，such as temperature distribution on floor surface and heat pipe wall，the radiating heat from floor and heat transfer lag tiIne are obtained at different water supply temperatures(35 to 45℃)，water supply rates(0.12 to 0.37m3/h) and initial temperatures of floor surface(26 to 30℃).The results show that the thermosyphon radiant floor can reach a higher radiating heat at lower water supply temperature，and the water supply temperature of the thermosyphon radiant floor is 5℃ less than that of conventional plastic pipe floor.The thermosyphon radiant floor has rapid temperature rise and good heat storage，and the temperature rise time is one third of the temperature drop time.The floor surface temperature gradient is rational，which helps to reduce heat loss.The calculation formula of the radiating heat from low-temperature thermosyphon radiant floor is fit based on the experimental result.
Key words：carbon steel/water thermosyphon；low-temperature thermosyphon；radiant floor；heating；thermodynamic performance
理想的采暖系統(tǒng)可以在充分利用可再生能源的同時，以高效率傳熱，創(chuàng)造舒適的熱環(huán)境來滿足人們的需求。地板輻射采暖由于其舒適性與節(jié)能性，目前已經(jīng)被廣泛應用于各類建筑。但由于常規(guī)塑料埋管的導熱性能較差，采暖供水溫度一般要求在40～60℃，很難直接高效地將低品位的可再生能源應用于采暖系統(tǒng)。此外，熱水作為地板輻射采暖的傳熱介質(zhì)，循環(huán)流量大，增加了建筑結(jié)構(gòu)的載荷，從而提高了工程造價。
碳鋼/水重力式熱管(又稱碳鋼/水兩相閉式熱虹吸管)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、傳熱性能優(yōu)良、工作可靠等特點，在冶金、化工、建材、動力等行業(yè)有很多成功的應用實例[1]。隨著熱管技術的不斷成熟，其在建筑行業(yè)的應用引起了學者們的關注。JEBRAIL等制作了熱管散熱器并測試了其熱工性能[2]，國內(nèi)學者蔣愛華等對熱管輻射墻壁進行了探討[3]，羅清海等分析了不同工質(zhì)熱管散熱器的熱工性能[4]。本文擬將碳鋼/水重力式熱管與地板輻射采暖系統(tǒng)結(jié)合起來，以期利用其優(yōu)良的傳熱性能，在提供舒適熱環(huán)境的同時，達到降低供水溫度、減小熱水循環(huán)流量、提高系統(tǒng)整體運行效率和經(jīng)濟性的目的。本文在重力式熱管和串聯(lián)熱管傳熱性能研究的基礎上[5]，對低溫熱管輻射地板的熱工性能進行實驗研究。
1 低溫熱管輻射地板傳熱特性及敷設
低溫熱管輻射地板不同于塑料埋管地板，區(qū)別在于：塑料埋管地板中，熱水作為傳輸介質(zhì)將熱量帶入塑料埋管，并通過對流換熱的方式加熱管壁，進而以整個地板表面為輻射面，使圍護結(jié)構(gòu)和空氣溫度升高；熱管輻射地板中，熱水仍作為熱量的傳輸介質(zhì)，但放熱過程是通過熱管內(nèi)工質(zhì)的冷凝來實現(xiàn)的。
熱管的工作原理為：加熱水套將熱管蒸發(fā)段加熱，由于管內(nèi)處于負壓狀態(tài)，工質(zhì)吸熱汽化，在微小的壓差作用下流向冷凝段，向外界放熱，凝結(jié)為液體。在重力式熱管中，冷凝液體在重力的作用下返回蒸發(fā)段。如此反復循環(huán)，將熱量由一端傳向另一端。熱管內(nèi)部主要是工質(zhì)的相變傳熱，熱阻很小，因此以較小的溫差就能獲得較大的熱流量。此外，熱管內(nèi)工質(zhì)基本處于飽和狀態(tài)，沿管長方向具有優(yōu)良的等溫性。
將碳鋼/水重力式熱管與地板輻射采暖相結(jié)合，就必須考慮熱管的制備、工作條件與連接方式，以達到合理、高效、經(jīng)濟的傳熱效果。文獻[5]的研究已經(jīng)證實，熱管串聯(lián)連接與單根熱管相比，傳熱性能同樣優(yōu)越，并且熱管傾角為1～2。即可滿足地板采暖對熱流量的要求。碳鋼/水重力式熱管結(jié)構(gòu)見圖1。熱管為長800mm、內(nèi)徑為12mm、外徑為15mm的普通鋼管，管內(nèi)壁經(jīng)過物理化學處理，管內(nèi)充有16g的蒸餾水。實驗采用的低溫熱管輻射地板結(jié)構(gòu)見圖2，其中熱管向蒸發(fā)段傾斜2°，蒸發(fā)段和冷凝段高差為28mm，熱管以串聯(lián)方式連接，即每兩根相鄰熱管的水套通過鍍鋅鋼管相連[5]，熱水進水方向為順流、逆流交替。地板構(gòu)造中各層的熱工參數(shù)分別為：瓷磚地面的熱導率為1.1W/(m·K)，厚度為10mm；找平層的熱導率為0.93W/(m·K)，厚度為10mm；混凝土填充層的熱導率為1.84W/(m·K)，厚度為60mm；保溫層的熱導率為0.044W/(m·K)，厚度為20mm。
2 實驗裝置、參數(shù)及方法
① 實驗裝置
為對低溫熱管輻射地板的熱工性能進行測試，參照IS0 3148—1975《用空氣冷卻閉式小室確定輻射散熱器、對流散熱器和類似設備散熱量的試驗方法》建立了實驗系統(tǒng)，見圖3。恒溫小室長為2.4m、寬為2.4m、高為2.0m，內(nèi)設1臺空調(diào)模擬房間的熱負荷。16根熱管分兩組串聯(lián)，供水依次通過每根熱管的水套，熱管間距均為300mm。熱管冷凝段、蒸發(fā)段和絕熱段的外表面共布置6個直徑為0.1mm的銅/康銅熱電偶，以測量熱管的壁面溫度。地板表面均勻布置16個熱電偶，垂直地面方向布置5個熱電偶，與地面的垂直距離分別為100mm、200mm、600mm、900mm、1800mm，頂棚均勻布置2個熱電偶，四周墻壁壁面中心各布置1個熱電偶。所有測點的溫度均通過數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34970A)進行采集。實驗系統(tǒng)由恒溫水箱提供熱水，供回水流量通過丹佛斯組合式熱表(M-CAL COMPACT)進行計量，供回水管上各設置1個熱電偶以測量水溫。
② 實驗參數(shù)及實驗方法
實驗供水溫度tg為35～45℃，供水流量qv為0.12～0.37m3/h，在地板表面初始溫度分別為30℃、28℃、26℃的條件下，考察了熱管輻射地板的放熱時間。各種實驗工況下，小室基準溫度to均控制在(20±0.5)℃。從給系統(tǒng)供水開始，數(shù)據(jù)采集儀每30min采集一次各熱電偶的溫度值，記錄供水流量，直至地板表面溫度穩(wěn)定，則升溫過程結(jié)束；然后停止供水，每30min測試一次熱管輻射地板的降溫情況。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 地板表面及熱管壁面溫度分布
tg=45℃，qv=0.23m3/h的系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，輻射地板表面及熱管壁面的溫度分布見圖4。其中，原點0位于地板的左下角，x、y、z分別為沿恒溫小室長、寬、高方向的坐標，地板所在平面z=0。
由圖4可以得到以下結(jié)論：a.地板表面溫度沿供水方向波動變化，總體趨勢是降低的；b.地板表面溫度沿熱管傳熱方向降低；c.熱管蒸發(fā)段溫度高于冷凝段溫度，中部溫度介于兩者之間。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是：熱管的傳熱機理決定了蒸發(fā)段和冷凝段溫差的存在；熱管的連接方式為熱水順流、逆流交替，逆流有強化傳熱的作用，所以以逆流方式進水的熱管熱流量增大和壁面溫度相應升高，而沿供水方向熱量不斷損失，故熱管壁面和地板表面溫度的總體趨勢下降。
測試得到低溫熱管輻射地板表面平均溫度為28.9℃，最高溫度為32.3℃，溫度不均勻度為8.4%，如果提高熱管的排列密度，不均勻度可以大大下降。此外，地板表面的較高溫度分布在房間中部，較低溫度分布在熱管冷凝段對應的房間邊緣，不同于普通塑料埋管地板，這種溫度梯度有利于減小地板由邊緣向外部的熱損失。
3.2 室內(nèi)垂直方向溫度分布
在不同供水溫度和流量下，室內(nèi)垂直方向溫度分布見圖5。由圖5可知：①隨著高度的增加，空氣溫度迅速降低，在距地面200mm處溫度基本達到穩(wěn)定，而在距地面1800mm以上溫度迅速降低。②隨著供水流量的增大與供水溫度的升高，各測點溫度也相應升高，且在地面附近溫度差異明顯，在頂棚附近溫度沒有明顯變化。這種現(xiàn)象反映r熱管地板輻射采暖與普通地板輻射采暖的特點一致，即室內(nèi)空氣垂直方向溫度梯度小。
3.3 低溫熱管輻射地板散熱量的研究
地板表面散熱量是評價輻射地板熱工性能和對地板采暖進行設計計算的重要依據(jù)。地板的傳熱包括：熱水與熱水管道內(nèi)壁的對流換熱、熱水與熱管蒸發(fā)段的對流換熱、熱管蒸發(fā)段與冷凝段的導熱、熱管及熱水管道與地板的導熱、地板與空氣的對流換熱及與房間各壁面的輻射換熱。地板散熱量受地板結(jié)構(gòu)、材料、熱管間距、敷設方式、供水溫度、供水流量、房間溫度和房間各壁面溫度等因素影響，計算比普通散熱器復雜。
① 低溫熱管輻射地板散熱量的實驗研究
低溫熱管輻射地板內(nèi)部熱流和溫度分布與常規(guī)塑料埋管地板有較大差異，筆者首先通過實驗方法測試了其表面散熱量，部分測試結(jié)果見表1。由表1可知：a.熱管輻射地板供水溫度為35～45℃即能滿足采暖要求，比常規(guī)塑料埋管地板要求的供水溫度降低5℃左右。b.表面散熱量、地板表面平均溫度和墻壁及頂棚平均溫度均隨供水溫度的升高和供水流量的增大而升高。c.與常規(guī)塑料埋管地板相比，供水流量的變化對散熱量的影響顯著，流量增大1倍，散熱量提高約40%。這是由于熱管內(nèi)部主要是工質(zhì)的相變傳熱，傳熱熱阻很小，因此傳熱效果比塑料管顯著提高。加大供水流量和提高供水溫度，熱管蒸發(fā)段與熱水的對流換熱量增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高；同時熱管工作溫度升高導致冷凝段蒸汽工作壓力升高，冷凝段液膜變薄，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)也相應提高。由于熱管蒸發(fā)段和冷凝段的換熱均得到強化，故其壁面溫度升高，熱流量增大，地板散熱量增大。在實際應用中，可以通過改變供水流量和供水溫度，改變熱管工作狀態(tài)，進而調(diào)節(jié)地板散熱量。
表1 低溫熱管輻射地板散熱量部分測試結(jié)果
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供水溫度/℃
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回水溫度/℃
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流量/m3·h-1)
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熱流密度/(W·m-2)
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地板平均溫度/℃
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室內(nèi)溫度/℃
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墻壁及頂棚平均溫度/℃
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40.2
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37.4
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0.12
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68.51
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26.5
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19.5
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16.5
|
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44.9
|
41.5
|
0.12
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87.17
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27.8
|
19.6
|
16.8
|
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34.7
|
33.2
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0.23
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100.88
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25.7
|
19.8
|
16.6
|
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45.0
|
43.4
|
0.23
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123.12
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28.9
|
20.3
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16.8
|
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35.1
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33.5
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0.37
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119.64
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26.3
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20.1
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16.9
|
|
45.0
|
43.2
|
0.37
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138.84
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30.3
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20.5
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16.7
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② 低溫熱管輻射地板的散熱量計算公式
許多研究人員通過有限差分、有限元等數(shù)值方法計算輻射地板的散熱量時，將其分為對流、輻射兩部分，并將表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和輻射傳熱系數(shù)簡化為定值[6～7]，而實際上它們是地板表面溫度和室溫的函數(shù)，計算結(jié)果必然有偏差。此外，數(shù)值計算方法繁瑣，不適用于工程計算。文獻[8]指出地板輻射與柱型散熱器的熱工性能相似。通過對實驗現(xiàn)象的分析，筆者在柱型散熱器工作性能函數(shù)的基礎上，引入供水流量、地板平均溫度、墻壁及頂棚平均溫度3個變量，得到低溫熱管輻射地板的工作性能函數(shù)。在本文實驗工況下，地板散熱量計算公式可簡化為Q=f(tg，th，qV，t0，tdp，tbp)。將所有溫度項合并為計算對數(shù)溫差，見式(1)。
式中△t——計算對數(shù)溫差，℃
tg——供水溫度，℃
th——回水溫度，℃
tc——室內(nèi)實感溫度，℃，計算見式(2)
式中t0——室內(nèi)平均溫度，℃
tdp——地板平均溫度，℃
Ad——地板表面積，m2
tbp——墻壁及頂棚平均溫度，℃
Ab——墻壁及頂棚總表面積，m2
應用非線性兩元三因素回歸方法，地板散熱量計算公式為：
式中q——地板熱流密度，W/m2
qV——供水流量，m3/h
a1、a2、a3、b1、b2、b3、b4由實驗確定為3.261、-1.48×10-7、0.557、0.732、1.338、-0.01332、0.887，回歸相關系數(shù)為0.996，平均相對誤差為1.6%。
3.4 低溫熱管輻射地板傳熱滯后時間的研究
輻射地板的蓄熱性導致傳熱的滯后性，滯后時間是地板輻射采暖運行控制的重要參數(shù)。實驗測試了低溫熱管輻射地板升溫過程和降溫過程中地板表面的溫度變化。供水流量為0.37m3/h時，不同供水溫度下地板表面平均溫度升高過程和停止供水后不同地板表面初始溫度下的地板降溫過程見圖6。由圖6可知：①熱管輻射地板表面的平均溫度相對于供水溫度有明顯延遲。②升溫過程和降溫過程中地板表面溫度都呈指數(shù)規(guī)律變化。實驗工況下，升溫過程經(jīng)過約4.5h地板表面溫度達到穩(wěn)定，降溫穩(wěn)定時間約需12h，升溫期時間為降溫期時間的1/3，這說明熱管輻射地板具有升溫快、蓄熱性好的特點。③熱管輻射地板的滯后時間主要取決于熱管間距、覆蓋層厚度等因素；供水溫度對升溫時間無明顯影響；地板表面初始溫度高則降溫時間長，反之則降溫時間短。
4 結(jié)論
① 熱管輻射地板在供水溫度為35～45℃時即可滿足采暖要求，比常規(guī)塑料埋管地板要求的供水溫度降低5℃左右。熱管輻射地板可以與低品位能源如太陽能、地熱能等直接結(jié)合應用于采暖系統(tǒng)。
② 低溫熱管輻射地板表面溫度分布受熱管壁面溫度分布的影響，地板中部溫度高、兩端溫度低的溫度梯度有利于減小地板由邊緣向外部的熱損失。
③ 熱管輻射地板表面的平均溫度相對于供水溫度有明顯延遲。升溫過程和降溫過程中地板表面溫度都呈指數(shù)規(guī)律變化，本文實驗工況下，升溫期時間為降溫期時間的1/3。
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(本文作者：趙薇1，2 張于峰2 1.遼寧工業(yè)大學 土木建筑工程學院 遼寧錦州 121000；2.天津大學 環(huán)境科學與工程學院 天津 300072)
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