中温辐射板位置对室内热环境的影响

李安桂¹，陶鹏飞¹，魏昕²

(1. 西安建筑科技大学 环境与市政工程学院，陕西 西安，710055

2. 北京京诚华宇建筑设计研究院有限公司，北京，10032)

摘要：中温辐射板的位置对室内热环境会产生较大的影响，直接影响人体的健康乃至建筑物的安全。通过实验与数值计算相结合，对中温辐射板供暖空间内的空气温度和黑球温度进行研究，分析中温辐射板安装高度和角度对室内热环境和热舒适性的影响，为中温辐射板的设计安装和管理提供参考。

关键词：高大建筑；中温辐射板；建筑热环境；黑球温度；热舒适

中图分类号：U491.1            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0091-08

Effect of medium-temperature radiant panels on indoor thermal environment

LI An-gui¹, TAO Peng-fei¹, WEI Xin²

(1. Shool of Environmental and Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;

2. Beijing Jingcheng Huayu Architecture Institute, Beijing 100020, China)

Abstract: The position of medium-temperature radiant panels has significant effect on the indoor thermal environment and human body health even the building security. The detailed measurements and CFD simulation were carried out for air temperature and black globe temperature in a heating space in which the medium-temperature radiant panels were used. The influence of the panel installation height and angle on the indoor environment and thermal comfort of a medium-temperature radiant panel were analyzed. The results are very useful to provide the reference for the design, installation and operation management of medium-temperature radiant panels.

Key words: tall building; medium-temperature radiant panel; building thermal environment; black globe temperature; thermal comfort

辐射板采暖具有较好的热舒适性和较高的能源效率^[1-4]，已经大量应用于工程实践当中。按我国现行规范标准^[5]，辐射采暖按其表面温度可分为3大类：    (1) 低温辐射采暖，辐射体表面温度一般不超过45 ℃；(2) 中温辐射采暖，辐射体表面温度为80~200 ℃；(3) 高温辐射采暖，辐射体表面温度为500~900 ℃。在辐射和对流的双重作用下，室内空气的计算温度可以降低2~6 ℃，对于工厂车间、影剧院和体育馆等高大建筑，中温辐射板具有极大的优势。传统的对流采暖会造成大量无效热损失，且难以保证高大建筑工作区人体舒适感，采用中温辐射板采暖是一种合适的选  择^[6-7]。

辐射板供暖散热时，既有对流散热又有相当比例的辐射散热，二者错综复杂地交织在一起，只有两者的强度和比例与人体散热的需要相符合时，才会达到较好的舒适感，同时辐射板的安装位置对室内热环境和热舒适性也有很大影响。Gao等^[8]通过数值模拟的方法得出：当室内热源温度较低时，对流换热量为主导因素，因此应将辐射板放置于侧墙或天花板处；当室内热源温度较高时，辐射板与热源的辐射换热量增大，辐射换热量为主导因素，因此，应将辐射板布置在靠近高温热源的位置。早期研究^[9-11]指出：当人距离辐射板过近时会造成人体各部位间，尤其是面对辐射方向的部位和背对辐射方向的部位间的温度差增大, 当温差超过一定范围时，将会引起不舒适感。因此，在布置辐射板时也要考虑辐射板与人体的距离。辐射板在不同的安装位置(地面、顶部或与墙壁呈不同角度)对工作区的温度分布有明显影响。

本研究以高大空间建筑为应用背景，进行实验测试和数值模拟，旨在研究中温辐射板的安装高度和角度对室内热环境和舒适性的影响，为高大空间建筑中温辐射采暖设计和室内热环境评价提供依据。

1  试验测试

1.1  试验装置

本研究的中温辐射采暖板发热组件选定为碳纤维加电热膜，功率为1 500 W。表面辐射屏材料为搪瓷，中温辐射板尺寸为0.1 m×0.7 m×0.55 m。温度开关为手动控制，采取超温自动保护。

对中温辐射板的实验研究在陕西省散热器质量检测控制中心进行，实验系统如图1所示。

图1  环境室(ISO台)及试验装置流程图

Fig.1  Test chamber experimental rigs and facilities

实验系统符合国际散热器试验标准( ISO)，环境室是一个由5 mm厚钢板制成的4.0 m×4.0 m×2.8 m六面体封闭小室。室内六面均涂有黑度为0.96的天蓝色油漆。密闭小室可看作是个黑体空间或无限大空间,由此产生的误差在工程应用上可忽略不计。其外部是一个宽度为0.5 m的补偿性封闭夹层，夹层内循环空气的平均风速为0.2~0.5 m/s，以保证小室壁面均匀加热或冷却，建立和维护小室不受外界大气环境影响的特定环境。

控制调节的执行结构是WSZ—2模件式温湿度调节仪。环境室内空气温度及中温辐射板表面温度由铜—康铜热电偶配PF15数字电压表及UT33a电位差计进行测量。温度由通风干湿球温度计测出。黑球温度由黑球温度计测出。当地大气压由盒式大气压计读出。中温辐射板的功率用D06—W—T电动式功率表测出。

1.2  测试方法

在环境室内水平方向沿着平行于电热板分为5个测试断面，在每一个断面上分6种高度，合计150个测点。测试断面的划分及热电偶、黑球温度的测点布置如图2所示。

其中距地0.175 m的黑球温度反映人体脚踝部位的热感觉，距地1.775 m的黑球温度反映人体头部的热感觉。将5个热电偶布置在水平测杆上，热电偶测头上加一铝屏蔽罩以消除辐射热的影响。测量过程中，通过模件式温度调节仪将室内的温度控制在(18.0±0.1) ℃。

图2  辐射板的位置和测点布置

Fig.2  Measuring points arrangement in test chamber

 (1) 将中温辐射板靠墙落地安装(z=0)。沿各断面(x-y平面)及各高度方向(y-z平面)的干球温度及黑球温度分布。首先在x=0.3 m断面上，测定z=0.175 m时(脚踝部位)的干球与黑球温度，然后将测杆上移    0.8 m，即测定z=0.975m时的环境参数。以此类推，测定其它部位高度上的环境参数分布。在该断面测试完毕后，在测杆x方向平移1.4 mm即测定x=2.7 m断面各高度上的干球及黑球温度分布。

(2) 中温辐射板安装于墙的顶部(z=2.175 m)处空间的干球温度及黑球温度分布，测试方案同步骤1。

(3) 电辐射板在壁面倾斜安装。安装高度z=  2.175 m，电辐射板平面与竖平面的夹角分别为θ=0，30，60和90° 4种角度，分别测定在不同角度下x=0.3 m断面及高度方向上各测点的干球温度与黑球温度。

2  数值模拟

为进一步研究中温辐射板在不同位置产生的室内热环境，在实验研究基础上进行CFD模拟。

2.1  物理模型

环境室内除辐射板外，不放置其他物品，故模型较为简单，仅有1块双面对流的辐射板和6面“墙体”，如图3所示。房间尺寸为4 m×4 m×2.8 m，“墙体”材料为钢板，厚度为5 mm，中温辐射板尺寸为0.1 m×0.7 m×0.55 m，功率为1 500 W。“墙体”内外表面材料对可见光和红外的吸收率设为0.96，厚度设为0.05 mm，近似代替黑度为0.96的天蓝色油漆。

2.2  数学模型

CFD技术在室内热环境中的应用是基于对室内不可压缩气体质量、动量和能量守恒微分方程的离散化处理及其数值解析。本研究用Launder及Spalding等提出的平均湍流能量模型即标准k-ε双方程湍流模型求解方程组^[12,13]。

标准k-ε模型是由湍动能(k)方程和湍动能耗散率(ε)方程来确定μ_i的两方程模型。

    (1)

(2)

               (3)

               (4)

  (5)

                (6)

图3  辐射板不同位置的房间模型

Fig.3  Schematic representation of radiant panel at different positions

采用k-ε模型来求解湍流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程及k-ε方程与式(5)。在这一方程组中引入了3个系数(C₁，C₂，C₃)及3个常数(σ_κ，σ_ε，σ_τ)。其值如表1所示，其中与温度场有关的湍流Pr数，σ_T与时均形式能量方程的广义扩散系数Γ之间的关系如下：

           (7)

在旺盛湍流区，分子扩散部分可以忽略不计。

应用Fluent公司推出的专业软件Airpak2.1对该数学模型进行模拟计算，使用Fluent.6.3.26的CFD求解器求解，采用控制容积离散法对控制方程组进行离散。

2.3  网格划分

网格的质量直接决定计算的精度和结果，本研究对房间离散采用六面体网格(如表2所示)，并满足以下条件：

(1) 网格单元最大x，y和z尺寸为该空间对应尺寸的1/10；

(2) 对温度梯度和速度梯度大的地方，网格进行局部加密细化。

表1  k-ε模型中的常系数取值

Table 1  Coefficient value of k-ε model

表2  网格划分数量表

Table 2  Mesh number in different cases

3  试验结果与分析

3.1  辐射板落地安装对室内热环境的影响

功率为1 500 W的辐射板沿壁面落地安装，室内x=0.3 m及x=2.7 m断面空气的干球温度和黑球温度测定结果如图4(a)-(d)所示。图4(e)和(f)所示为数值模拟下的室内空气温度分布。可见：随高度的增加，温度分布曲线趋于平缓。房间的中央部分y=1.9 m时温度较高，两端边缘处温度较低。从图4(a)和(b)还可以看出：在离辐射板较近的x=0.3 m断面，干球温度明显呈现中间高，两端低的趋势；在远离辐射板的x=2.7 m断面，干球温度趋向均匀一致。

黑球温度分布特性和干球温度有所区别。黑球温度(T_g)可以反映环境的热辐射情况，其与干球温度之间的关系为：

T_g=(h_c·T_a+h_r·T_r)/(h_c+h_r)

式中：h_c为热对流系数；T_a为干球温度；h_r为热辐射系数；T_r为平均辐射温度。

由图4(c)和(d)可得：在x=0.3 m断面，高度越低，实感温度(黑球温度)越大。随着离辐射板水平距离的增加，在x=2.7 m断面，离地板越高，实感温度越大，而且实感温度趋向均匀一致。依据兰贝特余弦定律^[15]可知：在不同的空间测点位置和辐射板的相对位置，测点所接受的辐射能(反映于黑球温度)有所不同。在x=0.3 m断面，离地板低时接受的辐射能较大，黑球温度高；x=2.7 m断面，离辐射板水平距离较远，接受辐射能较少，热流上升是影响黑球温度的主要因素，因此黑球温度随着高度的增加而增加。

3.2  辐射板置顶安装对室内热环境的影响

辐射板沿壁面置顶安装，室内x=0.3 m及x=2.7 m断面空气的干球温度和黑球温度测定结果如图5(a)~(d)所示，图5(e)~(f)所示为数值模拟下的室内空气温度分布。从测试和模拟的温度分布图可以看出：温度分布总趋势是中间高，两端低，且随高度降低，温度分布曲线趋于平缓。比较图5(a)和(b)还可以看出：在离辐射板较近的x=0.3 m断面，干球温度变化趋势明显中间高，两端低；在远离辐射板的x=2.7 m断面，干球温度趋向均匀一致。

从图5(c)和(d)可得出：

(1) 对同一断面沿高度方向的温度变化随着高度的降低而减小，同时温度曲线趋于平缓。

(2) 在z=2.175 m高度下，不同断面上的黑球温度变化较大。在其他高度，黑球温度不会随着水平距离x的增大而产生大的波动。

(3) 同一断面沿高度方向的温度变化在中央时较大，而在两侧时较小。

辐射板安装在顶部时，离辐射板较近的位置会接受较多的辐射能，因此高处的黑球温度比底部的高。辐射板居中安装时，会产生同一平面上中间温度高而两边温度相对较低的温度分布，因为在辐射板的法线方向上会接受较多的辐射能，而且中间位置离辐射板相对于同平面其他位置较近，对流得热较多。

图4  中温辐射板布置在房间底部时室内温度分布

Fig.4  Temperature distribution of radiant panel installed on floor

3.3  辐射板安装角度对室内热环境的影响

对中温辐射板的不同安装角度时空间热环境进行了测试。共分5种情况：辐射板平面的法线与壁面法线夹角θ=0°，30°，60°和90°的辐射状况。

由图6可以看出：温度分布的总趋势是中间温度高，两端温度低。如果将辐射板看成理想黑体，其辐射热的定向辐射强度与方向无关。但是，单位辐射面积发射的辐射能落到不同方向单位立体角内的能量不等。同时，伴随辐射产生的自然对流换热对不同位置的实感温度也产生影响。由于辐射和对流传热的共同作用，使干球温度和黑球温度分布呈中间高、两端低的变化趋势。

对顶部的4种不同角度的安装方式，在z=   2.175 m，辐射板安装角度θ=60°，x=0.3 m断面上，位于中间的黑球温度测点通过辐射板的法线方向。因此，此处的黑球温度高于其他安装角度时的温度，且温度分布变化显著。这一结果表明：辐射板的安装角度应保证其法线通过人体工作区为宜，在此条件下，可保证人体有较高的实感温度。

图5  中温辐射板布置在房间顶部时室内温度分布(θ=0°)

Fig.5  Temperature distribution of radiant panel installed on top of wall; θ=0°)

图6  中温辐射板布置在房间顶部不同角度时室内温度分布(x=0.3 m；θ=30°，60°和90°)

Fig.6  Temperature distribution of radiant panel installed on top of wall at different angles (θ=30°, 60°, 90°; x=0.3 m)

4  结论

(1) 研究中温辐射板安装在2种高度下对室内热环境的影响。安装在房间底部时，离辐射板较近断面上高度越低，黑球温度越大，离辐射板较远断面则离地板高度越高，黑球温度越大，且黑球温度趋向均匀一致。安装在房间顶部时，离辐射板较近和较远断面上黑球温度均随高度的上升而增高。

(2) 在任何高度上，空间的干球温度分布都是呈中央高、两端低的变化规律。随着离辐射板水平距离的增加，温度分布曲线逐渐处于平缓。

(3) 辐射板在不同的安装位置对工作区的温度分布有明显影响。建议在实际工程中，安装时辐射板的法线应覆盖工作区，以保证工作区的人体有较好的热舒适度。

(4) 在离辐射板较近的位置，人体实感温度分布和空气干球温度分布有明显区别。黑球温度比干球温度高1~4 ℃。

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(编辑 何运斌)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：陕西省教育厅产业化培育项目(04JC19)

通信作者：李安桂(1963-)，男，山东寿光人，教授，从事通风及空气调节研究；电话：029-82202507；E-mail：liag@xauat.edu.cn