客服电话:15682930301

工程论文

当前位置: 毕业论文>工程论文 > 正文

低温地面辐射供暖系统调节措施方法研究

发布时间:2020-01-03 11:35文字数:9332字

  关键字:辐射供暖;公式;方法;热惰性;因素

  1.1 课题背景

  1.1.1课题来源

  我国建筑能耗的主要原因是不能按需求人为控制能耗,缺乏测控设施,即不能实现行为节能。二是一次性建设投资少,围护结构热工性能差。采暖的目的是提高冬季室内舒适度,同时保证采暖的安全性。但这种舒适安全的采暖不能依赖于不必要的能源浪费。舒适、安全、节能的采暖系统是一个合理、正确、高效的运行系统。为了达到舒适节能的效果,必须从建筑围护结构和采暖系统的各个环节入手,为了进行彻底的改造,从外壳结构上节约能源或仅从加热系统上节约能源是不可行的。实际上,围护结构的节能只是为建筑节能创造了条件,而采暖系统的节能是实现节能的关键。以北京市为例,建筑节能工作发展了10多年,已经建成了一批节能建筑,但采暖煤耗指标并没有明显下降,据说虽然节能建筑建成规模较大,但并没有真正节约多少能源,节能与未能包络的关键原因在于采暖系统的同步实施。结果是提高了外壳结构的隔热性能。但是,供热系统基本不变。没有必要的控制和调节手段。因此,室温升高甚至过热,煤的消耗没有显著降低。“节能建筑不节能”的被动局面已经形成。

  低温地板辐射采暖系统是一种舒适、节能、环保、美观、计量的采暖系统。它在国内外得到了广泛的应用。低温辐射地板采暖系统是一种低温热源,它所利用的原理是刺激人体皮肤深处的“热点”感知器从而使人感到温暖。刺激感知器的红外线辐射是埋在地板上的加热管通过加热产生的。出于对人体生理健康的考虑,在人长时间出于室内的情况下,地板的温度不能超过15度。所以,该系统的对供水的温度要求比较低,其热源完全可以采用太阳能、地热等低品位能源,这样做的成本就会比较低。如果低温热源不足,可增加辅助热源。辅助热源可采用电炉或瓦斯油燃烧器等清洁能源。特别是近年来,我国一些地区出现了“供不应求”和“峰谷”严重失衡的现象,作为一种具有较强蓄热能力的低温地面辐射采暖,如果能以低功率作为热源,在一定条件下会显示出其独特的优势。

  随着计量供暖技术在我国的实施和对建筑节能的日益重视,低温地板辐射供暖系统在我国民用建筑中逐渐受到重视,并得到了广泛的应用。然而,国内外对供热调节的研究还很少。在实际运行中,通常采用旧散热器采暖的调节参数来计算调节参数,并根据计算结果绘制调节曲线。这实际上使得难以满足用户对室温的要求,并且不节能。鉴于此,本文将对低温地板辐射采暖系统的采暖调节进行初步研究,找出实际操作可以借鉴的相对于合适的调节方法。

  与常规采暖系统相比,地板辐射采暖系统具有调节手段经济合理等诸多优点,那么这种采暖方式将更加节能,更加适应未来社会对住宅采暖方式的高要求。

  1.1.2 供热调节概述

  供热调节按照调节的位置不同可以分为三种,集中调节、局部调节、个别调节。集中调节集中在热源处。局部调节在供热站或用户热入口进行,单独调节直接在散热器上进行,如散热器、采暖风机或辐射地板采暖布水器。

  集中调节易于实施,操作管理方便,是调节的主要方式。集中供热调节分为数量调节、质量调节、相变流量质量调节和间歇调节。在实际情况中,可以根据具体的细节安装合适供热系统,并根据具体的需要采取不同的调节方式,这对降低成本、节约能源具有重要意义。目前,我国北方一些大中城市已经实行集中供热。与分布式供热相比,节能效果显著,但如果不重视科学管理,就无法达到最佳节能效果。近年来,一些城市集中供热,室温相对较高。房间温度在20℃以上,个别房间的温度高达25℃。因此,许多用户不得不打开窗户加热,调节房间温度,造成大量能源浪费。据估计,由于室温高于设计温度(按18°C计算) 2°C而导致的维护结构热消耗的增加在整个加热期间平均为7.3%,高出4℃将增加14.5%.例如按供热分区计算,只有一个项目,每个采暖期将有一吨以上的标准煤消耗,如果考虑到冷侵入式燃气窗所造成的影响,能耗将增加更多。因此,在热源上采取科学合理的调节措施,可以保证环境的舒适性,节约大量的燃料。

  首先,调整方法系关於端散热装置。例如,散热器采暖和地板辐射采暖的调节方法,地板辐射采暖比散热器采暖更容易调节,散热器采暖可以是分户计量采暖系统,地板辐射采暖必须是分户计量采暖系统,散热器采暖系统阻力小,用户进行流量控制时,水力条件非常不稳定,无论水平管两个平行或交叉水平,影响用户在动态调节过程中的相互作用程度,地板采暖作为终端形式,其阻力一般是水表,独立用户在调节过程中,水力条件稳定,对相邻用户影响不大。另外,由于地板采暖的散热面积大,并具有一定的蓄热能力,当用户将室内温度降低时,温度下降缓慢而均匀,室内温度较高,特别是当室内温度很低时,有冷感,将调节阀全开,室内温度迅速上升,在这种动态调节过程中,与散热器相比,人体具有明显的热舒适性,并处于间歇状态。

  再则,在连续供暖和间歇供暖的两种供暖方式下,调节方式也不一样的,这主要取决于墙体和室内家具的蓄热能力。对于间歇供暖的建筑物,当停止供暖时,室内温度不会瞬间达到建筑物冻结的温度,它需要在开始供暖时经过一个降温期,室内温度的计算也需要一个采暖期,采暖期采取蓄热性能所需的时间取决于围护结构和室内物体。

  1.1.3 调节的必要性

  低温地板辐射采暖是和传统散热器采暖不一样的新型采暖方式。与散热器采暖相比,低温地板辐射采暖具有室内温度均匀、舒适性好、节能、易于实施分户热计量、维护管理方便等优点。随着计量供暖技术在我国的实施和节能重要性的日益提高,低温地板辐射供暖系统在我国民用建筑中得到了越来越多的重视,并得到了广泛的应用。

  在供热系统中,供热调节的依据是室外温度的变化情况。调节的目的在于使供热用户的散热设备与加热设备良好配合,以避免室内温度过高或者过低的情况。但是,有利用实地调查的用户,地面辐射采暖系统在采暖期是其他采暖方式的要求,因为房间太冷到达用户的舒适性要求,一些用户抱怨房间太热,相反,室内温度达到26°C,和调节效果没有打开窗户,导致能量的浪费。因此,正确分析低温地板辐射供暖系统存在的问题,特别是阐明采暖系统的调节过程,对于促进供暖系统的应用和提高供暖质量具有重要意义。

  1.2 低温地面辐射供暖系统简介

  1.2.1 低温热水地面辐射供暖技术的发展历史

  1907年,巴克教授首次在英国申请了地板辐射采暖专利,这是第一个国家地板辐射采暖专利。它标志着人们对地板辐射采暖这一特殊技术的认识。从那时起,世界各地的供暖工程师都致力于这一领域,推动了地板供暖技术的发展。

  早在20世纪30年代,国外有些高级住宅就已开始应用,由于当时地热管采用铜管,造价很高,所以没有广泛地推广起来。

  70年代,人们对室内环境舒适性的要求日益提高,建筑节能越来越受到人们的重视,这使得人们对地板辐射采暖系统的优越性有了更深刻的认识,导致了地板辐射采暖专用材料和设备的发展。瑞典无线组织首次研制出一种用于地板采暖的交联聚乙烯管,解决了原有钢管系统接触泄漏、施工复杂的问题,使地板采暖系统焕发出勃勃生机。

  在最近的几十年来,随着何种塑料管道的崛起,在全世界各个国家都得到了广泛的使用,并且取得了很好的成效。

  到19世纪90年代,法国安装了地板采热系统的住宅达是全部住宅的1/5,德国占到了2/5,奥地利由1/4的住宅安装了该系统,而瑞士有一半的用户安装了。美国Davis集团率先完成了地板采暖的计算机辅助设计系统许多国家为地板辐射采暖制定了许多标准,如NSF一一国家卫生组织;NSPC一一国家水管设备标准;PPI一一塑管协会;CSA一一加拿大标准协会;ASHRAE手册也对地板辐射采暖制定了许多设计原则。在我国的人民大会堂和华侨宾馆的建筑中也采用了地面辐射采热系统,不过由于工业较为落后,其中的管道使用的是金属水管。

  1979年,我国研制成功了一种具有耐高温、耐压、耐腐蚀、耐老化等性能的交联聚乙烯管材。随着建筑业的发展和人民生活水平的提高,特别是独立供暖,分户计量等相关政策,地板辐射采暖具有强大的生命力,地板辐射采暖技术已被广泛应用于餐饮、购物中心、体育场馆等公共建筑,住宅,商业和个人获得高级住宅,特别是大跨度的加热和短窗模型的建立,对它的普及和推广,是在供热领域的一场革命。

  1.2.2 地面辐射供暖系统的形式与特点

  1.2.2.1 地面辐射供暖系统的形式

  低温热水辐射采暖是将热水加热到一定温度后进入埋在地板结构层中的采暖盘管。在热传递通过结构层之后,地板表面被加热。加热地板的表面主要通过辐射对房间进行散热,以弥补房间的热损失,达到采暖的目的。

  结构层中的加热盘管与建筑结构相结合,主房间地面无任何管道设备。根据房间大小,可以在一个房间中设置一个或多个循环,也可以在一个小房间中的多个房间中设置一个循环。各回路的供、回水管与分配总管连接,各用户的分配总管通过建筑物的供、回主管与室外管网连接。加热盘管的布置如图1-1所示。

  图1-1 加热盘管的布置图

  1.2.2.2 地板构造层的形式

  地暖采暖层一般采用混凝土埋管形式(图1 - 2 ),其主体结构为地板、保温、采暖管、填充层、找平层、地面。同时,外墙应加保温层以减少热量损失。在第一层或直接在地面上的第一层,还应加防水层,以避免水渗入土壤,损坏保温层,降低加热功率。

  1.楼板层 2.复合保温层 3.锚固卡钉

  4.加热管 5.混凝土填充层 6.找平层 7.面层

  1.2.2.3 地面辐射供暖系统的特点

  由于加热机理不同,低温热水地板辐射采暖具有对流散热器采暖的优点和节能效果。

  (1)高舒适度。室内地面温度均匀,温度自下而上逐渐降低。由于空气对流给头脑冷静的人带来温暖和舒适,避免了灰尘飞扬和室内环境的清洁。

  (2)节能效果明显。低温地板辐射采暖与常规散热器采暖相比,室内设计温度可降低1~3℃。指出通过降低室内设计温度可以节省燃料10,并且可以使用各种低温热源或废热来节省常规能源的消耗

  (3)地面上没有管道设备。它不占用房间和地面的有效面积。它不仅增加了用户的使用面积,而且美观大方。

  (4)易于调节和控制。只要在分集水装置上设置调节或控制装置,就可以容易地调节和控制,以满足每个房间所需的不同工作条。

  (5)便利住户计量。目前,我国的供热收费都是按供热建筑面积计费的方法,这种方法有很多弊端,无论室内温度如何,无论室内采暖是否全部收费相等,都会造成很大的能源浪费,最合理的计费方法应该按照每个用户的实际用热量来计费。

  (6)热稳定性好。构造层的混凝土蓄热能力大,因此室温变化缓慢,温度波动较小。

  1.3 国内外研究现状

  1.3.1 国内的研究状况

  最近几年,我国地板辐射供暖系统的研究重心在地板的内部导热结构上。在对内层导热模型建立的同时,对管盖的厚度,管与管的间距以及铺设的方式上面也有涉猎。但是在调节领域的研究却不为多见。

  针对低温热水地板辐射采暖系统热负荷随室外温度变化、蓄热能力强的特点,天津大学王荣光、宗杰教授探讨了小型独立别墅住宅或集中居住建筑低温地板辐射采暖系统的调节方法。调节控制的一种方法是采用调峰热源两位置局部控制方法,另一种方法是集中控制。

  山东建筑工程学院设计工程师肖振宇从动态角度对低温地板辐射采暖系统的传热过程进行了分析,介绍了低温地板辐射采暖系统的调节原理,并通过改变室内回水管道上阀门的开度来实现调节方法。可在热源处调节低温地板表面的平均温度。但调整后,由于混凝土楼板的滞后时间(包括容量滞后和纯滞后),楼板表面的平均温度不能立即变化,直到滞后时间过后,调整才会开始发挥作用。

  青岛理工大学胡军博士利用家用燃气灶作为对带热源的低温地板辐射采暖系统进行了实验研究。分别测量了围护结构的室内温度和表面温度。通过引入作用温度的概念,分析了连续和间歇工况下地板表面温度的热舒适性。同时对两种模型的能耗进行了比较。实验结果表明,间歇运行方式节能效果显著,对室内热环境影响不大。

  北京建筑工程学院城建系副教授秋霖对具体的地暖结构给出了切实可行的控制方法,并进行了试验研究。地暖系统的运行控制通常有两种控制方法:室内温度控制和室外温度控制。室内温度控制方式属于反馈控制,室外温度控制方式实际上属于前馈控制。当楼层体系结构层的热惯量较小时,室内温度控制方法较为合适。

  天津大学李建星博士等对外墙外保温地板辐射采暖系统进行了试验研究。结果表明,在既有建筑节能改造后,室内采暖系统可通过间歇调节实现节能。与计量收费相结合,建筑节能投资可以通过节约热成本来回收。

  1.3.2 国外的研究状况

  低温地板辐射采暖是最早的启停控制调节方式,即当室内温度达到一定要求时停止采暖,当低于一定温度时开始采暖。目前最常用的调节方式仍然是启停调节,这是由地板辐射采暖本身的热惯性特性决定的。然而,热惯性也可能导致室温变化的延迟,导致室温偏离期望温度,因此需要引入一些替代的调节手段。

  MacCluer在保证建筑物热损失稳定的前提下,对地板辐射采暖的室外温度设置控制进行了研究。认为建筑热需求与室外气温成线性关系。采用与供水温度相关的比例系数或控制斜率来适应室外空气温度的变化,并建立了控制方程。根据室外空气温度的降低,或增加供水温度或增加流量。为了改进早期稳态传热模型,maccluer建立了恒定流量、供水温度与室外空气温度成正比的静态传热模型。补偿率不再是恒定的,而是室外空气温度和房间维护结构的函数。然而,室内空气温度不仅与室外空气温度和维护结构有关,还受室内热增益和太阳辐射的影响。考虑到这些因素,麦克克鲁尔提出了室内空气温度反馈的室外温度设定控制。

  T.Y.Chen将改进的预测控制( GPC )应用于地板辐射供暖系统,并对辨识系统进行了计算机仿真。并与其它两种控制方法(启停控制和比例参数( pi )控制)进行了比较。实验结果表明,仿真数据与试验数据吻合较好,控制方法优于其它两种方法。

  S-H.Choa,M.Zaheer-Uddinb开发了一种预控方式,为提高地板辐射采暖的能效,进行了仿真实验和计算机仿真,并与传统控制方式进行了比较。结果表明,预控能在冬季节约10~20戈瑞,在冬季节约更多。

  Myoung-Souk Yeo博士通过仿真和实验研究,得出水温控制比流量控制在保持室温和地板表面温度稳定性方面更优的结论。通过将设定的室外温度应用于启停控制,可以有效地减小室温和地温的波动。第二章 低温地面辐射供暖的供热调节方法

  2.1地面辐射供暖系统的初调节

  2.1.1初调节的必要性

  在以前的散热器采暖系统中,初始调节是一定需要的,对于地面辐射采暖系统的初始调节应给予更多的重视,许多文献都提到了初始调节的必要性。在传统的系统中,如果初始调节不合理,可以通过增加系统流量进行补偿,造成大流量、小温差运行,既保证了系统的稳定性,又降低了系统的可调性。对于地面辐射供暖系统来说,这种调节是其最大的优点之一,也是其根本所在。用户的调节或多或少会影响其他用户。如果做好系统的初始调整工作,可以有效地减少已建管网中用户之间的相互干扰。系统流量越大,终端用户的室温越高,近端用户和终端用户之间的室温偏差越小,液压扰动对热扰动的影响越小。供热系统的大流量运行是通过控制终端客户的流量来达到系统产热工作平衡的。然而,大流量运行并没有从根本上消除系统的水力失调,也没有解决各热用户流量分配不均的问题。大流量运行具有以下缺点:

  (1)降低可操作性。

  (2)需要较大的水泵,能耗大。

  (3)增大初投资和运行费用。

  初始化调配通常是在系统正式运行前完成的,是为了达到的理想流量而进行的传输流量调整,也就是说满足实际用户的及热流量需求。当供热系统快要竣工时,理想流量就是初始流量。这样做的目的主要是解决客户流量分配不均匀的问题,如果不进行初始化调节。则整个系统就会发生失调,同时通的总传输热量通常是超过理想流量的总数的。

  2.1.2初调节方法

  用手进行初始调整的方法有很多,如阻力系数法、预定计划法等。,但由于现场调整工作量大或工作量大,一般难以实际使用。由于供热系统冷屏现象普遍存在,近年来国内外专家和工程技术人员提出了初调、比例法、补偿法和计算机模拟法、模拟分析法、电阻法、温度控制法、自调节法和简易法等多种方法。在实际供热系统中具有实用价值,并具有不同程度的简便、准确、可靠的特点。

  2.2低温地面辐射供暖系统的集中运行调节

  2.2.1直接连接地面辐射供暖系统的调节方法

  由于低温辐射采暖系统直接与地面连接,设计供回水温差小,故标准≤10℃,循环水流量系统较大。

  (1)如果仅采用质量控制的方法,系统将始终保持设计流量运行,供水温度变化对地板表面散热的影响很大,对于导热系数最小的面层材料地毯,管道间距为300 mm,供水温度为5℃,地板表面散热增加15W/ m2,导热系数最大的面层材料大理石,管道间距为300 mm,供水温度为5℃,地板表面散热增加31 W/ m2,室温变化对散热的影响相对较小

  (2)如果是只使用集中的调节方式,则室外温度一旦变化,系统中的循环水量也会发生变化,供水的温度和设计值都会保持不变。在系统循环流量的是理想流量的一半时,流量的变化会对地板表面产生较为显著的影响。反之,在系统循环流量的是理想流量的两倍时,流量的变化会对地板表面的影响几乎为零

  由此可见,对于直接连接的地面辐射采暖系统,采用量调节,只有当系统的循环流量较小时才有较好的调节性能,而且我们知道,地面辐射采暖系统对于回水温差较小,在热负荷恒定的情况下,系统流量很大,是散热器采暖的2.5倍,因此不建议地面辐射采暖系统采用量调节。

  (3)分阶段调整流量质量,可根据室外温度的变化,分阶段减少循环量,同时保持循环流量不变,实行集中质量控制。这种调节方法是质量控制和数量调节相结合的方法,它吸收了两种调节方法的优点,克服了它们的缺点。适用于尚未推广使用变速泵的中小型供热系统。

  2.2.2间接连接地板采暖系统调节方法

  以上分析了地面辐射采暖系统直接连接的采暖调节方法,对于通过换热器间接连接的热交换器采暖系统,该调节方法适用于地面辐射采暖系统的二次管网。

  一次网和二次网网络结构以及供热调节方式都非常相似,每个热力点就是于一个热用户。

  2.2.2.1一次网采用质调解

  2.2.1分析了直接连接的可行性及对地面辐射采暖系统中使用的质量控制,间接连接到地板采暖系统的一级和二级网络的水不接触,是两个相对独立的封闭系统,然后第二网络也可以使用质量控制的方法,与原网络调整可以使用以前的散热器加热控制方法。

  一般采暖条件下,平均的辐射和对流换热系数分别为6.2W/(m2?℃)和4. 3 W/(m2?℃),故地板表面的综合换热系数为10.5W/(m2?℃)。则地板表面处的边界条件变为:

  对于加热管外壁处由于处理成第一类边界条件比较复杂,为了简化问题,把外壁处理成第三类边界条件,可以在管壁处作如下简化:

  假设热媒和混凝土的解除为0(如图5-2),将管壁的导热情况转化为对流换热,以能量守恒定律为依据,可以将对流换热系数计算出来。设h为管子内壁对流换热系数,h、为管外壁的当量对流换热系数。

  对于加热管外壁处理成第一类边界条件特别麻烦,出于对问题简化的考虑,我们将其处理成第三类边界条件,于是可以作如下简化:

  则每米管长的管内壁对流换热量为:

  每米管长管壁的导热量为:

  则l长的管壁散热量为:

  由式(5一9)可得管外壁的当量对流换热系数为:

  3.2有限单元法简介

  本文采用有限元法计算了地板的非稳态传热模型。下面简要介绍有限元法。

  目前,有限元法和有限差分法都被广泛应用于近似计算中。有限元法是一种基于变分理论的数值方法。对于几何和边界条件复杂的对象,用三角形单元代替有限差分法中的正方形单元划分网格,用多段线代替边界上的曲线。与有限差分法的梯形线相比,单元的形状和密度可以任意改变,节点数少,逼近效果更好。

  有限单元法的离散原理:

  首先将导热偏微分方程(5-1)写成泛函的形式:

  然后将所要求解区域划分成若干单元。然后对单元三个节点上的温度利用三个节点的坐标进行插值,将单元中每个点的温度都写成其坐标的函数,如下所示:

  将多项式(5-13)代入泛函(5-11)后,泛函就成为了J(T1,T2...)的多元函数,这样就把变分问题转化为多元函数求极值问题,即:

  再将每一个节点的函数表达式(5-13)带入式(5-14)就可以得到n个节点的离散方程:然后求解由(5-15)组成的方程组,就可以求得

  3.3计算结果及分析

  本章使用的计算方式是有限元法进行数值,为了配合楼板模型中的圆形边界,网格类型使用三角形单元,由于温度梯度比较大,加热管周围的网格密度比较大,对于对计算精度的考虑,其他位置的网格密度较小,分区结果如图3 - 1所示。利用Matlab编程,分别计算了地毯地面材料的平均温度(以下简称地温),大理石地面材料的地温随时间的变化曲线(图3 - 3 至 3 - 6 ),时间步长为2分钟,计算时间为20小时,每种情况下的地温均有稳定。采用自动控制理论,结合工程应用,误差小于5°,可以认为是稳定的。也就是说,当地板表面温度达到理想的稳定温度95°时,它是稳定的。达到该温度的时间是地板热传递的滞后时间。具体数据见表3 - 1至表3 - 2。

  在相同的水温下,在相同的混凝土厚度下,不同的地板材料的滞后时间是不同的,对于上述四种地板材料,仅计算了用于地毯和大理石地板的热传递的表面层的滞后时间。

  一般的质量掌控方式是通过室外温度的变化改变系统的供水温度,两者相互调节,是室内的温度保持在16度,处于稳定状态。考虑到北边围栏的热惯性比较大,室内如果通过围栏来散热,通常情况下需要3-5天左右,加上窗户对其的影响,散热的时间可以控制在1-2天左右。在实际运行的过程中,往往是通过前一天的室外温度来判断系统的供水温度调节供水温度,这种运行调节模式是可行的,因为散热器的传热滞后时间约为1小时,这远小于外壳的散热时间。对于辐射地板采暖,地板传热的滞后时间约为4~5小时。与围护结构的散热时间相比,地板传热的滞后时间仍然较小。因此,对于地板辐射采暖系统,可以采用前一天的室外平均温度来确定当天的供水温度,然后再进行质量调整,对室内温度影响不大。

  第四章 结论

  低温地板辐射采暖系统是一种舒适、节能、环保、美观、易于测量等一系列优点的采暖系统。国内外对供热调节的研究主要集中在控制方面。关于调节原理的调节公式和调节曲线的研究较少。通常采用原散热器供热调节公式来计算调节参数,并根据计算结果绘制调节曲线,以便进行调节。这实际上难以满足用户对室温的要求,并且节能效果差。对于间接连接方式,二次网侧地板辐射采暖系统可完全采用直接连接地板辐射采暖的调节方法,一般采用质量调节方法。一次网络调节与散热器采暖调节方法差不多。通过对地板传热的滞后时间的计算,并与围护结构进行对比,得出调整时仍可用前一天的室外平均温度来确定当天的供水温度,即调整时不考虑地板传热的滞后。


移动版:低温地面辐射供暖系统调节措施方法研究

本文标签: