混凝土冷輻射頂板傳熱模型構(gòu)建及實驗研究.pdf

1、輻射供冷系統(tǒng)是指降低室內(nèi)一個或多個表面的溫度，形成冷輻射表面，依靠冷輻射表面以輻射傳熱、對流換熱的方式冷卻室內(nèi)環(huán)境與人員的供冷方式。其中輻射傳熱發(fā)生于冷輻射表面與人體表面、熱源、室內(nèi)設(shè)備表面及圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面之間，對流換熱發(fā)生于冷輻射表面與室內(nèi)空氣之間。輻射供冷系統(tǒng)的傳熱通常以輻射傳熱方式為主，對流換熱方式為輔。
　　混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)是由塑料水管預(yù)埋于建筑現(xiàn)澆混凝土樓板中而形成，其將建筑樓板直接作為供冷的末端。混凝土頂板輻射供

2、冷系統(tǒng)有節(jié)能、熱舒適性好、轉(zhuǎn)移峰值耗電、節(jié)約室內(nèi)空間等諸多優(yōu)點。
　　混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)研究主要關(guān)注兩方面內(nèi)容:冷輻射板自身傳熱研究和頂板輻射供冷環(huán)境下室內(nèi)熱環(huán)境研究。本文的研究重點為前者，對于冷輻射頂板傳熱的研究是高效、節(jié)能地實現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和舒適要求的前提。對于這種新型末端的傳熱性能開展研究有助于解決現(xiàn)有輻射供冷存在的問題，進(jìn)一步挖掘混凝土頂板輻射供冷技術(shù)的節(jié)能潛力。開展混凝土冷輻射頂板傳熱特性的研究具有重要的理

3、論意義和工程應(yīng)用價值。
　　混凝土本身作為多孔介質(zhì)材料，其傳熱和傳濕過程存在相互關(guān)聯(lián)性，本文基于多孔介質(zhì)理論分析了混凝土熱濕耦合傳遞機理，熱濕耦合傳遞過程的求解非常復(fù)雜且存在諸多不確定性，而且從前人對于混凝土熱濕傳遞特點的研究發(fā)現(xiàn)，在較小的時間尺度上，混凝土內(nèi)部濕傳遞的傳遞速率與強度都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱傳遞過程的傳遞速率與強度的，因此在較小時間尺度上可以忽略混凝土濕傳遞對于熱傳遞的影響，在混凝土內(nèi)部只研究其傳熱過程。
　　前人對于

4、冷輻射頂板傳熱的研究多采用簡化分析模型的方法，對于冷輻射頂板的內(nèi)部傳熱利用等效或者簡化的方法近似解析法求解。本研究為了更為精確全面地研究混凝土冷輻射頂板的傳熱，采用有限差分方法建立傳熱模型，編程計算求解混凝土冷輻射頂板內(nèi)部溫度場，再通過利用實驗獲得的混凝土冷輻射板內(nèi)部溫度場實測結(jié)果來驗證該模型的正確性和準(zhǔn)確性。
　　對混凝土冷輻射項板表面與室內(nèi)環(huán)境的傳熱過程進(jìn)行分析，得到頂板輻射供冷情況下冷頂板表面與室內(nèi)環(huán)境的傳熱量計算公式，并推

5、導(dǎo)和改進(jìn)輻射傳熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)的計算式。根據(jù)混凝土冷輻射頂板的傳熱特點，對其傳熱過程作出合理的假設(shè)，建立求解混凝土冷輻射頂板三維穩(wěn)態(tài)傳熱以及二維非穩(wěn)態(tài)傳熱的有限差分?jǐn)?shù)值模型，推導(dǎo)獲得求解區(qū)域內(nèi)部節(jié)點、邊界節(jié)點的計算公式，確立了高斯—賽德爾迭代求解方法及迭代收斂判據(jù)，并對影響該數(shù)值模型計算精度的模型誤差、空間隔斷誤差、時間截斷誤差等各種因素進(jìn)行了分析。
　　利用提出的有限差分模型對混凝土冷輻射頂板進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)傳熱計算。并搭建

6、了混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)實驗臺來驗證有限差分模型。將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)傳熱的計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好，證明該有限差分模型準(zhǔn)確度較高。
　　利用經(jīng)過驗證的有限差分模型分析混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)在不同運行參數(shù)（供水溫度、供水流量）對其溫度分布、熱流密度分布的影響;不同冷輻射板結(jié)構(gòu)參數(shù)（埋管間距、埋管深度、樓板上表面保溫層）對其自身溫度分布、熱流密度分布的影響。
　　因在較長時間尺度上混凝土自身濕傳遞對熱傳

7、遞的影響不能忽略，本文對因混凝土自身濕度在發(fā)生變化后對混凝土冷輻射板傳熱的影響也進(jìn)行了計算分析，分析了濕傳遞對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，進(jìn)而研究其對混凝土冷輻射板傳熱的影響。
　　搭建混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)實驗臺，依據(jù)實際尺寸構(gòu)筑混凝土冷輻射頂板的結(jié)構(gòu)，獲得不同冷輻射板結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)下的實驗結(jié)果，分析混凝土頂板輻射供冷系統(tǒng)的實際運行特性，分別對其穩(wěn)態(tài)運行、工況調(diào)節(jié)以及啟動階段的實際運行特點進(jìn)行了探究。
　　論文的創(chuàng)新性工作主要有:

8、r>　　(1)基于混凝土為多孔介質(zhì)材料的前提下，根據(jù)其熱傳遞和濕傳遞的特點，分別確定不同簡化方法。在較小時間尺度上，忽略混凝土內(nèi)部濕傳遞對熱傳遞的影響，只研究混凝土冷輻射頂板的傳熱問題。在較長時間尺度上，混凝土內(nèi)部濕度變化不可忽略。本研究提出間接簡化研究的方法，分析濕傳遞對混凝土自身導(dǎo)熱系數(shù)的影響，進(jìn)而分析導(dǎo)熱系數(shù)變化對混凝土冷輻射頂板內(nèi)部熱傳遞的影響。
　　(2)本研究提出求解混凝土冷輻射頂板穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)傳熱問題的有限差分?jǐn)?shù)值模