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随着地面辐射系统工程应用的开展,如何匹配一套地板末端以供冬夏季冷暖工况的联合应用,如何解决地板供暖房间的过热和供冷地板的凝露问题,如何解决在满足房间热舒适性要求的条件下地面辐射系统的控制等问题逐渐凸显出来。这些工程问题都与地板传热特性紧密相关,因此对地板的传热进行细致的研究,获得其传热规律以及特性对解决上述问题有着重要意义。 作为地面辐射系统的核心传热构件,地板可视为一种特殊结构的换热器,因此可依据换热器相关基本理论和指标,进行地板热工性能分析和评价。 和常规散热器不同之处在于,作为传热构件的地板同时也是房间的重要围护结构,其表面温度不但决定了其和室内环境的换热量,并对房间的热环境水平有着决定性影响。 为此,在前述的实际工程问题背景下,本文在传热机理分析基础上,针对性分析地板作为换热器的热阻问题和其作为围护结构的表面温度分布情况,主要在地板传热的数学模型,热工计算方法和地板热工性能评价等方面进行了创新性研究: 首先,分析了地板各个传热环节的传热机理。地板传热过程中包括了管内流体和管壁的强迫对流换热,管壁和地板结构层内的导热以及地板表面和室内环境之间的自然对流和辐射复合换热,其换热机理较为复杂。本文详细分析传热机理基础上,建立了各个环节的数学模型,为地板传热性能研究奠定了理论基础。 其次,搭建地面辐射系统实验台,主要针对该系统冷暖联供条件下的参数匹配、地板供冷条件下地板传热性能和地板的热惯性等问题进行了实验研究。通过实验研究,初步明确了地板结构参数,供水参数对于地板传热性能的影响,并为理论分析准备充分的验证数据。 第三,立足于传热机理分析,结合实验认识,采用合理假设条件,建立供冷地板的准一维传热模型,并经过实验数据验证模型有效性。本准一维模型可基本预测地板结构、供水参数对于地板表面平均温度的影响,但对于地板热阻和表面温度分布无法进行详细分析。 第四,以热阻理论分析为基础,应用热阻串联方法,将多层地板结构当量为单层均匀地板结构,从而求得其温度分布解析解,并考虑不同管间距和饰面层材料,采用数值计算结果对其进行修正,计算并拟合了修正公式,从而提出了一种简化计算新方法,该方法可以获得地板表面温度分布,并获得地板参数和供水参数对于地板热阻和表面平均温度的影响,但由于修正过程中数据计算的有限性,在填充层热阻偏离修正计算范围时,该方法具有局限性。 第五,在当量热阻模型的基础上,考虑饰面层多样性,将多层地板传热问题简化为双层地板传热模型,利用当量热阻法通过反问题求解获得其边界条件,最后首次提出了多层地板传热方程的解析解,并利用实验数据进行了验证,结果显示本模型和实验数据符合良好,可精确求解地板结构层热阻和表面温度分布曲线。 最后,基于传热过程分析和传热模型计算结果,分析了冷暖地板传热热阻。结合换热器热工计算的基本理论,提出地板传热效能值ε,分析了其和传热单元数NTU的关系,首次提出了ε-NTU地板热工计算方法,并和ASHRAE手册的图算法和表算法进行了对比,并对两种设计方法的设计结果进行了数值验证,为地板热工计算提供了新的思路;提出地板热工性能评价指标:1)散热效率。表征地板表面总体散热的情况,并分析了地板结构参数对其影响关系;2)表面温度效率。表征地板表面温度分布的均匀性,是影响地板传热和室内局部舒适性的一个重要指标;3)地板表面温度超标率。该指标主要用以评价在地板平均温度满足要求的条件下,由于温度分布不均匀导致的局部温度超标区域占地板面积的份额大小,以此评价供暖地板的局部不舒适性和供冷地板的可能凝露区。 本文提出的热工计算方法和地板热工性能评价指标可为地面辐射冷暖联供系统的优化设计提供参考。