地暖材料的传热研究与计算教学提纲.docx
《地暖材料的传热研究与计算教学提纲.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地暖材料的传热研究与计算教学提纲.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
地暖材料的传热研究与计算教学提纲
中南大学
传热专题
课题：
地暖材料的传热研究与计算
学院：
能源科学与工程学院
学生姓名：
专业班级：
学号：
2012年3月22日
1、泡沫混凝土作为地暖隔热层的优点..............................................4
2、地热辐射采暖结构..........................................................................5
3、泡沫混凝土工艺原理......................................................................5
4、泡沫混凝土原材料与施工设备......................................................5
5、施工工艺流程..................................................................................6
地暖材料的传热研究与计算
1、研究目的：
讨论地板辐射供暖系统中由于供回水管温差造成的传热损失、地板背向热损失。
建立了传热的数学模型，通过数值计算并分析了计算结果，为工程设计提供参考。
国内外对地板辐射供暖系统已经进行了较深入的研究。
研究内容主要有：
地板换热静态和动态模型[1-3]的建立；板面温度场的计算及计算机对传热过程的动态仿真[4,5]等等。
但在这些研究中没有明确地板传热过程中热量损失的问题。
现就该问题进行研究，旨在揭示各种热量损失的途径和解决的方法并给出各热量损失率情况，为实际的工程设计提供参考。
二、研究的意义：
地板辐射采暖起源于欧洲。
直到上世纪60年代末，抗老化、耐高温、耐高压和易弯曲的塑料管材的出现才极大地促进了地板辐射采暖技术的推广和应用。
由于低温热水地板辐射采暖系统具有舒适、节能、环保等优点，在我国得以大面积推广应用，从开始推广至今的近lO年中，地面辐射采暖经历了一个从不认同到认同、不成熟走向成熟的历程。
1、地板材料生产对生产资源的影响
地板涂饰材料对木材有着极大的影响，其中，UV漆就是一种典型的地板涂饰材料，同时也是环保型节能涂料。
UV漆是属于辐射固化涂料的一种，是环保型节能涂料，用UV漆涂饰的木地板漆膜坚硬、耐磨，高光漆光亮丰满，哑光漆细腻滑爽。
UV漆的固化速度快，通过紫外线照射，在零点几秒内达到表面干燥。
当涂膜由湿膜变干膜是，其收缩率较大，内应力性对也大，因而涂层间附着性差。
UV漆的硬度普遍强于其他漆类，通常涂膜越硬，则越脆，越不耐磨，涂膜也容易开裂。
当涂膜的硬度吵过要求时，随着地板的热胀冷缩或湿涨干缩的变化，表面漆膜的变化因缺乏弹性而不能随地板的微量变形而变形，从而出现裂纹。
2、墙体材料对建筑安全性能的影响
常见的地面采暖多是在建筑楼板上采用现浇混凝土填埋层的湿式结构，造成楼板层重量增加，给住宅带来了诸多不利的影响，尤其是对高层住宅。
首先，填埋的管材受热后纵向膨胀转化的内应力容易引起垫层开裂；其次，因铺设地面采暖，室内净高度降低；再其次，这种地面采暖结构属于地下隐蔽性工程，不易维修，维修时需要刨开地面，工程复杂；最后，保温层与混凝土的强度差别较大，如果施工不规范，保温层极易变形，造成施工隐患。
三、新型地暖材料（泡沫混凝土）
1、泡沫混凝土作为地暖隔热层的优点
和传统材料聚苯乙烯泡沫塑料相比，有以下优点：
1.1耐热度高。
聚苯乙烯泡沫塑料的致命弱点是耐热温度低，在74℃就开始分解，当温度继续升高时它就会热熔萎缩。
而地暖热水管道温度不是恒定的，有时会超过74℃，这就会造成聚苯乙烯泡沫塑料热分解而使绝热失效。
而泡沫混凝土由于是水泥无机材料，耐热可达400℃以上，不存在热分解，因而使用寿命更长，不会造成绝热失效。
1.2绿色环保，无毒无害。
泡沫混凝土不含任何有毒成份，主要原材料为水泥，水泥发泡所用的发泡剂及各种外加剂均没有挥发性有害物质，有利于室内环境。
而聚苯乙烯泡沫塑料却会因热分解释放出苯乙烯有毒气体。
因此使用泡沫混凝土比使用聚苯乙烯泡沫塑料更具有环保性。
1.3承载能力强。
聚苯乙烯泡沫塑料的抗压强度，只有0.02～0.03MPa，受力较大或受力不均匀时易产生塌陷，由此产生的维修费用高昂；而400㎏/m3泡沫混凝土抗压强度为0.8MPa，抗压性更高，使用安全。
1.4使用成本低。
由于发泡水泥的主要材料是水泥，且基本无废料，又可省略找平层等多道工序，综合造价相对要低一些。
而采用苯板，施工工序相对复杂，且会留有边角废料，造成浪费。
发泡水泥造价比聚苯乙烯泡沫塑料低30％左右，具有明显的经济优势。
1.5工艺简单，施工速度快。
泡沫混凝土浇注摊平既可，不需要一张张铺设，其施工速度比聚苯乙烯泡沫塑料板快1/3，节约大量人工。
1.6没有接缝，减少了接缝所造成的热损失。
聚苯乙烯泡沫塑料板因为是一张张铺设，有很多接缝，容易形成冷桥或热桥；泡沫混凝土一次浇筑成型，没有接缝，不会造成热损失。
1.7寿命更长。
泡沫混凝土的主要成分是水泥，寿命50年以上，与建筑物寿命基本相同。
2、地热辐射采暖结构
自下而上的各层结构分别是：
1、混凝土层：
钢筋混凝土楼板；
2、热反射层：
无纺布基铝箔材料，具有单向
传热、保温和防水的功能；
3、保温层：
一般要求厚度不小于30毫米的
泡沫混凝土用于隔热；
4、地热管线：
分为PEX-A交联聚乙烯管材
（水热）或者发热电缆（电热）两种不同的
供热方式；
5、砂粒：
固定地热管线，均匀辐射热量，避
免局部温度过高；
6、水泥砂浆填充层（普通房屋的水泥地面）；
7、地面层：
比如木地板和瓷砖等。
地面采暖设置泡沫混凝土保温层，主要是为了防止和减少热量向地下散失，提高热利用率。
设置3㎝厚泡沫混凝土绝热层，热量损失可减少80％，采用5㎝泡沫混凝土绝热层，热量损失可减少90％以上，因此，泡沫混凝土绝热层对提高室内温度具有重要作用。
3、泡沫混凝土工艺原理
泡沫混凝土是通过发泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。
其主要工艺流程示意图如下：
混合→输送泵→浇注成型↘
水泥、掺合料和水→搅拌→浆料
发泡剂水溶液→发泡机→泡沫↗
4、泡沫混凝土原材料与施工设备
4.1.原材料要求
水泥：
水泥应选用42.5或32.5的普通硅酸盐水泥或同等级的矿渣硅酸盐水泥。
水泥的安定性合格，且无结块现象。
严禁不同品种、不同强度等级的水泥混用。
发泡剂：
采用华泰公司研发的HT复合型发泡剂，参数如下表：
水：
采用自来水，严禁含酸性物质的水掺入发泡沫剂中，以免产生化学反应，影响发泡沫剂的发泡效果。
4.2施工设备
5、施工工艺流程
5.1基层处理：
先将基层上的灰尘扫掉，用钢丝刷和錾子刷净、剔掉灰浆皮和灰渣层，用10％的火碱水溶液刷掉基层上的油污，并用清水及时将碱液冲净。
5.2确定标高、弹线：
参照墙上的+50cm水平标高线，按照设计要求的绝热层厚度，往下量测出绝热层标高，在四周墙上弹出水平控制线。
5.3洒水湿润：
在地面基层上洒水后用笤帚扫净，使基层湿润但无积水。
5.4抹灰饼和冲筋：
根据房间内四周墙上弹的水平控制线，拉线绳用1：
2水泥砂浆抹5cm×5cm灰饼，横竖向间距2m左右，灰饼上平即为绝热层标高。
面积较大的房间，为保证整体绝热层的标高和平整度，还须冲筋，将水泥砂浆铺在灰饼之间，宽度与灰饼相同，用木抹子拍抹成与灰饼上表面相平。
5.5泡沫混凝土制备
5.5.1确定配合比：
根据设计要求的绝热层导热系数、抗压强度，确定水泥浆的配比、泡沫稀释液的配比以及泡沫和水泥浆的混合比例。
5.5.2水泥浆制备：
根据配合比，将水泥、水和外加剂放入搅拌机中搅拌成均匀浆体。
5.5.3泡沫制备：
将发泡剂和水按配比混合成稀释液，将发泡剂溶液和压缩空气在混合室内进行混合，然后在压缩空气的作用下，通过发泡筒将发泡剂溶液完全吹制成具有高稳定性、极强的立体张力和特异的韧伸性的泡沫囊。
注意检查泡囊的大小、韧伸性是否符合要求，这直接影响到泡沫混凝土的强度和保温隔热性能。
5.5.4混合搅拌：
发好的泡沫囊通过发泡筒直接吹到到水泥浆中，进行搅拌。
泡沫混凝土的制备可通过在泡沫混凝土输送机上设置好各项配合比参数，由设备控制实现自动化。
5.6.刷水泥砂浆结合层：
在铺设水泥砂浆之前，应涂刷水泥浆一道，其水灰比为0.4～0.5（涂刷之前将抹灰饼的余灰清扫干净，再洒水湿润）。
5.7泵送浇筑：
利用泡沫混凝土输送机中的输送泵将制成的泡沫混凝土料浆泵送至施工面。
在输送过程中使泵自动调压，即始终使泵送高度与工作压力相适应，使之缓慢而平稳地将发泡水泥输送到作业面，减少泡沫破碎。
5.8刮平：
在灰饼之间将或冲筋之间将混凝土铺均匀，厚度略高于灰饼，将刮杠放在灰饼或冲筋上刮平。
5.9养护：
先采用自然养护的方法，使其强度达到上人条件，自然养护时应尽量将房间用彩条布密闭，避免因阳光直接照射和过堂风造成绝热层表面失水过快。
达到上人条件后，采用喷水方法保持混凝土表面湿润，养护时间不得少于7天。
冬季施工应采取保温措施，保证室温保持5·C以上。
5.10切割伸缩缝：
当房间尺寸大于8m时，须设置伸缩缝。
由于泡沫混凝土收缩系数小于0.5%，伸缩缝宽度3～5mm即可。
在绝热层达到上人条件后，用切割机直接切割成缝，注意切割深度比绝热层厚度小5mm，避免切伤结构层。
之后用橡胶条填缝。
5.11布设散热管：
在绝热层上直接布设散热管。
（引用：
《EJGF26-2008地面辐射供暖泡沫混凝土绝热层施工工法》）
四、范例与计算
相邻两管存在温差造成的热流短路损失
在常见的模型中，认为供回管道中的流体温度为同一温度（供回水平均温度），在实际的情况中，由于地板与房间进行热交换，一定温度的水流经盘管后产生温降（供暖）或温升（供冷）的，供水温度沿程不断变化，直到其流经整个盘管，达到回水温度。
所以图1两相邻管中的流体温度是不同的，它们之间的温度差异将产生热流回流现象，即供水的一部分热量没有经过地板散热就直接被回水带走了。
相对前一种模型，地板的散热量将有所变化。
本文对此进行了定量的分析。
由于重点在于考虑冷热两管间温度交叉条件下的热流短路情况，在此不考虑瞬态变化的影响，参见图1,建立稳态传热模型如下：
地板结构层内考虑导热方程
（1）
由于所取计算单元的对称性：
（2）
在管子与埋层的接触处，管内流体不停的与内管壁对流换热，然后传导到外管壁，且两管内温度不同
（3）
（4）
其中：
y方向边界条件:
（5）
由于主要分析两相邻管之间的相互影响，地板表面的边界条件简化为第三类边界条件，其中，换热系数为同时考虑对流换热及辐射换热的综合换热系数，其数学描述如下：
（6）
其中：
at--综合换热系数,W/（m2K）
一般供冷时at=6W/（m2K）[6]，供暖时at=11W/（m2K）[6]
首先，可以由图2～5比较一下考虑冷热盘管交叉排列和不考虑冷热管交叉的温度场及热流密度分布。
图2～5的计算条件是：
填充层60mm，管间距175mm，室内设计温度18℃。
图2为供回水平均温度45℃，两相邻盘管温度相同；图3供回水温度为50/40℃，两相邻盘管温度不同。
图2和图3是温度场的比较。
相同之处在于，由地板结构层底部向上温度呈现逐渐降低的趋势，而且靠近管壁处的温度变化较快，温度梯度较大；越靠近地板表面温度变化趋势越缓慢。
不同之处在于，当两个管子采用相同或不同的温度计算时，温度场的对称性发生了很大的变化。
两管壁温度相同时，地板内的温度场对称分布，地板面最低温度恰好发生在两管正中间，在两管正上方地板表面的温度最高，最高与最低温度差值为1.02℃左右。
当两管采用不同的温度计算时，可以看到温度场发生明显的变化，地板表面温度最低值由两管正中间向低温盘管偏移，最高地板面温度值出现在高温管的正上方，最高与最低温度差在2.64℃左右。
当然，图示情况是在供回水温差条件下得到的。
一般而言，随着流体不断在管内的流动，两管间的温差要小于图示情况，地板表面的温差也会在此范围内1.02℃<Δt<2.64℃。
图4和图5是总热流密度的比较。
同样都是在靠近两管处热流密度值较大，这是因为此处温度梯度较大的缘故，随着向地板表面的推移，热流密度逐渐变小，但是热流密度最小值不是出现在表面，而是出现在地板层靠近底部的两管中间，这是由于一方面底部的绝热层的影响，另一方面方向相反的热流在此相遇。
不同之处也很明显，在两管温度一致时，最低热流密度区恰好位于两管正中间，地板表面上的最低热流密度同样发生在正中间对称区域，最高热流密度发生在管子正上方，两者相差12.62W/m2；当温度不同时，低热流区有扩大并向低温管倾斜的趋势，高低热流差值最大在31.05W/m2。
在图6～7中，反映的是两种模型的Y向和X向的热流密度情况。
较高的Y向热流密度值都是出现在管子上方，而较高的X向热流密度值出现在两管之间的位置上。
图9～10中，qyy-两管温度不同时Y向热流密度,W/m2；qyy－两管温度不同时X向热流密度,W/m2；
qyz－两管温度不同时总热流密度,W/m2；qtz－两管温度相同时总热流密度,W/m2；qty－两管温度相同时Y向热流密度,W/m2。
如图9所示，两管温度不同时，板面最低热流密度区靠近低温管一侧，从高温盘管到达该区之前，板面总的热流密度和Y向热流密度相差比较大，经过该区后两者之间的差值变小。
X方向的热流密度变化近似于正弦规律，最高热流密度出现在距离高温管约1/3处，最低热流密度出现在距离低温管1/9处，负值说明热流密度的方向发生了变化。
总之，说明两管温度不同时，板内X方向的热流密度较大，因此热流密度散向室内的部分（Y向热流密度）有所降低。
如图10所示，两管温度相同时，qtz和qty比较靠近，说明X方向的热流密度较小。
qty曲线下方的面积就是单位长度上的地板散热量。
qty和qyy同X轴面积的差值就是管轴向单位长度的热量损失1.4W，换算为热流密度8W/m2,约占地板散热量的6.5％。
2.2计算地板背面热损失
控制方程如前所示基础上，增加30mm绝热层，考虑填加绝热层的地板背面热损失。
经过计算后做结果分析。
图示计算条件为管间距200mm、填充层60mm、绝热层30mm、供回水平均温度45℃、室内设计温度18℃。
考虑地板向下有热损失的温度场如图11所示。
可以看出由于绝热材料的导热系数相对很小，在填充层内的温度场形状没有太大的变化，在绝热层内的温度场分布明显扁平，靠近管子部分也存在高温区。
由图12可以看出绝热层内基本上是深蓝色的低热流密度区，在绝热层的下表面热流密度平均值为18W/（m2）左右，而地板散向房间的热流密度为135W/（m2）左右，损失热量占总散热量的13%左右。
研究的模型大致可以代表中间层的情况，但当考虑底层房间地板层内的背向热损失时，损失率将大于13%，一般在20%左右。
背向热损失影响因素有绝热层厚度、供水温度和流量、管间距等，其中较主要的是绝热层厚度，尤其在底层的房间时，必须适当加大以避免背向损失过大。
3结果分析
地板辐射系统中，当房间分别处于中间层或底层时，地板结构层的做法有一定的差异，但共同点是在盘管下都敷设了绝热材料以减少热量向地板下面的传递，并且在靠近外围护结构的地板层内敷设绝热保温层减少以向周边外环境的热损失。
总的来说，计算结果表明：
（1）两管间的热量回流，两管温度相同时，qtz和qty比较靠近，说明X方向的热流密度较小。
qty曲线下方的面积就是单位长度上的地板散热量。
qty和qyy同X轴面积的差值就是管轴向单位长度的热量损失，可换算为热流密度，一般约占地板散热量的6.5%左右。
（2）地板背向热损失率,研究的模型大致可以代表中间层的情况，但当考虑底层房间地板层内的背向热损失时，损失率将大于13%，一般在20%左右。
背向热损失影响因素有绝热层厚度、供水温度和流量、管间距等，其中较主要的是绝热层厚度，尤其在底层的房间时，必须适当加大以避免板下损失过大。
（3）地板周边损失率,计算热流密度周边损失率在27%～30%之间，实际工程中，靠近外围护结构的盘管长度占总盘管长度的比例和房间外墙数有直接的关系，考虑最不利情况－房间有四面外墙时，靠墙盘管所占比例也是有限的。
例如，一个地板尺寸3m×4m的房间，盘管间距200mm，靠墙盘管长度约14m，供回水35℃，地板周边散热量的损失约3％；供回水温度45时，地板周边散热量的损失约2.6％。
4结论
通过本文的计算表明，在地板辐射系统中，存在着多种的热量损失途径，主要包括地板背向热损失、周边热损失和两管间的热量回流。
其中以板下热损失最大，说明在采用地板辐射供暖时，如果考虑分户计量则同一建筑物的顶层底层和中间层的用户必须考虑用户间热量的传递，如果不考虑分户计量，则在设计系统时要考虑底层盘管散向地面的热量。
五、总结
查阅资料时，自己对传统地暖材料和新型地暖材料有了大概的了解，比较两者，熟悉了各自的优缺点，以及对生产资源、建筑安全性能的影响，得知大量应用新型地暖材料的迫切性和谨慎性。
社会是不断发展的，技术也是不断革新的，可持续发展，节能减排的意义非同一般。
但是，由于自己的英文水平有限，不能够很好的利用网络的海量学术信息，造成自己论文内容的贫乏。
今后还应该加强英语的学历，以及对引文学术文章的理解，提高的自己水平。
参考文献:
[1]王子介.地板供暖及其发展动向.暖通空调，1999，（6）：
35-38.
[2]冉春雨.塑料管地板采暖研究[D].哈尔滨.哈尔滨建筑工程学院，1988
[3]宗立华.塑料埋管地板辐射供暖的热性能分析.暖通空调，2000，
（1）：
6－8
[4]胡松涛，于慧俐，地板辐射供暖系统的运行工况动态仿真，暖通空调1999,（4）:
15-18
[5]杨巍，张于峰，王荣光等，低温地板辐射采暖的传热模拟，全国暖通空调制冷2000年学术论文集：
28-31
[6]BohleJugen,KlanHerbert.DesignofPanelHeatingandCoolingSystems,ASHRAETrans,2000,106
（1）:
677-683
升级会员 