低温热管辐射地板采暖性能的实验研究_工程实践

摘要

摘要：为将低品位可再生能源直接应用于采暖系统，提出了一种以碳钢/水重力式热管为加热管的低温辐射地板采暖方式，分析了其传热特性并对热工性能进行了实验研究。在不同供水温度(

摘要：为将低品位可再生能源直接应用于采暖系统，提出了一种以碳钢/水重力式热管为加热管的低温辐射地板采暖方式，分析了其传热特性并对热工性能进行了实验研究。在不同供水温度(35～45℃)、供水流量(0.12～0.37m³/h)以及地板表面初始温度(26～30℃)下，分别得到了地板表面及热管壁面的温度分布、地板散热量和传热滞后时间等参数。实验结果表明：热管辐射地板可以在较低的供水温度下达到较高的散热量，供水温度可}匕常规塑料埋管地板降低5℃左右；地板升温快、蓄热好，升温期时间约为降温期时间的1/3；地板表面温度梯度合理，有利于减小热损失。根据实验结果拟合了低温热管辐射地板的散热量计算公式。

关键词：碳钢/水重力式热管；低温热管；辐射地板；采暖；热工性能

Experimental Research on Performance of Low-temperature Thermosyphon Radiant Floor Heating

ZHAO Wei，ZHANG Yufeng

Abstract：In order to apply low-quality renewable energy to heating system，a low-temperature thermosyphon radiant floor heating mode with carbon steel/water thermosyphon as heat plpe is proposed.The heat transfer characteristics of the thermosyphon radiant floor are analyzed，and the experimental research on its thermodynamic performance is carried out.Some parameters，such as temperature distribution on floor surface and heat pipe wall，the radiating heat from floor and heat transfer lag tiIne are obtained at different water supply temperatures(35 to 45℃)，water supply rates(0.12 to 0.37m³/h) and initial temperatures of floor surface(26 to 30℃).The results show that the thermosyphon radiant floor can reach a higher radiating heat at lower water supply temperature，and the water supply temperature of the thermosyphon radiant floor is 5℃ less than that of conventional plastic pipe floor.The thermosyphon radiant floor has rapid temperature rise and good heat storage，and the temperature rise time is one third of the temperature drop time.The floor surface temperature gradient is rational，which helps to reduce heat loss.The calculation formula of the radiating heat from low-temperature thermosyphon radiant floor is fit based on the experimental result.

Key words：carbon steel/water thermosyphon；low-temperature thermosyphon；radiant floor；heating；thermodynamic performance

理想的采暖系统可以在充分利用可再生能源的同时，以高效率传热，创造舒适的热环境来满足人们的需求。地板辐射采暖由于其舒适性与节能性，目前已经被广泛应用于各类建筑。但由于常规塑料埋管的导热性能较差，采暖供水温度一般要求在40～60℃，很难直接高效地将低品位的可再生能源应用于采暖系统。此外，热水作为地板辐射采暖的传热介质，循环流量大，增加了建筑结构的载荷，从而提高了工程造价。

碳钢/水重力式热管(又称碳钢/水两相闭式热虹吸管)具有结构简单、成本低廉、传热性能优良、工作可靠等特点，在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功的应用实例^[1]。随着热管技术的不断成熟，其在建筑行业的应用引起了学者们的关注。JEBRAIL等制作了热管散热器并测试了其热工性能^[2]，国内学者蒋爱华等对热管辐射墙壁进行了探讨^[3]，罗清海等分析了不同工质热管散热器的热工性能^[4]。本文拟将碳钢/水重力式热管与地板辐射采暖系统结合起来，以期利用其优良的传热性能，在提供舒适热环境的同时，达到降低供水温度、减小热水循环流量、提高系统整体运行效率和经济性的目的。本文在重力式热管和串联热管传热性能研究的基础上^[5]，对低温热管辐射地板的热工性能进行实验研究。

1 低温热管辐射地板传热特性及敷设

低温热管辐射地板不同于塑料埋管地板，区别在于：塑料埋管地板中，热水作为传输介质将热量带入塑料埋管，并通过对流换热的方式加热管壁，进而以整个地板表面为辐射面，使围护结构和空气温度升高；热管辐射地板中，热水仍作为热量的传输介质，但放热过程是通过热管内工质的冷凝来实现的。

热管的工作原理为：加热水套将热管蒸发段加热，由于管内处于负压状态，工质吸热汽化，在微小的压差作用下流向冷凝段，向外界放热，凝结为液体。在重力式热管中，冷凝液体在重力的作用下返回蒸发段。如此反复循环，将热量由一端传向另一端。热管内部主要是工质的相变传热，热阻很小，因此以较小的温差就能获得较大的热流量。此外，热管内工质基本处于饱和状态，沿管长方向具有优良的等温性。

将碳钢/水重力式热管与地板辐射采暖相结合，就必须考虑热管的制备、工作条件与连接方式，以达到合理、高效、经济的传热效果。文献[5]的研究已经证实，热管串联连接与单根热管相比，传热性能同样优越，并且热管倾角为1～2。即可满足地板采暖对热流量的要求。碳钢/水重力式热管结构见图1。热管为长800mm、内径为12mm、外径为15mm的普通钢管，管内壁经过物理化学处理，管内充有16g的蒸馏水。实验采用的低温热管辐射地板结构见图2，其中热管向蒸发段倾斜2°，蒸发段和冷凝段高差为28mm，热管以串联方式连接，即每两根相邻热管的水套通过镀锌钢管相连^[5]，热水进水方向为顺流、逆流交替。地板构造中各层的热工参数分别为：瓷砖地面的热导率为1.1W/(m·K)，厚度为10mm；找平层的热导率为0.93W/(m·K)，厚度为10mm；混凝土填充层的热导率为1.84W/(m·K)，厚度为60mm；保温层的热导率为0.044W/(m·K)，厚度为20mm。

2 实验装置、参数及方法

① 实验装置

为对低温热管辐射地板的热工性能进行测试，参照IS0 3148—1975《用空气冷却闭式小室确定辐射散热器、对流散热器和类似设备散热量的试验方法》建立了实验系统，见图3。恒温小室长为2.4m、宽为2.4m、高为2.0m，内设1台空调模拟房间的热负荷。16根热管分两组串联，供水依次通过每根热管的水套，热管间距均为300mm。热管冷凝段、蒸发段和绝热段的外表面共布置6个直径为0.1mm的铜/康铜热电偶，以测量热管的壁面温度。地板表面均匀布置16个热电偶，垂直地面方向布置5个热电偶，与地面的垂直距离分别为100mm、200mm、600mm、900mm、1800mm，顶棚均匀布置2个热电偶，四周墙壁壁面中心各布置1个热电偶。所有测点的温度均通过数据采集仪(Agilent 34970A)进行采集。实验系统由恒温水箱提供热水，供回水流量通过丹佛斯组合式热表(M-CAL COMPACT)进行计量，供回水管上各设置1个热电偶以测量水温。

② 实验参数及实验方法

实验供水温度t_g为35～45℃，供水流量q_v为0.12～0.37m³/h，在地板表面初始温度分别为30℃、28℃、26℃的条件下，考察了热管辐射地板的放热时间。各种实验工况下，小室基准温度t_o均控制在(20±0.5)℃。从给系统供水开始，数据采集仪每30min采集一次各热电偶的温度值，记录供水流量，直至地板表面温度稳定，则升温过程结束；然后停止供水，每30min测试一次热管辐射地板的降温情况。

3 实验结果与分析

3.1 地板表面及热管壁面温度分布

t_g=45℃，q_v=0.23m³/h的系统运行稳定后，辐射地板表面及热管壁面的温度分布见图4。其中，原点0位于地板的左下角，x、y、z分别为沿恒温小室长、宽、高方向的坐标，地板所在平面z=0。

由图4可以得到以下结论：a.地板表面温度沿供水方向波动变化，总体趋势是降低的；b.地板表面温度沿热管传热方向降低；c.热管蒸发段温度高于冷凝段温度，中部温度介于两者之间。产生这些现象的原因是：热管的传热机理决定了蒸发段和冷凝段温差的存在；热管的连接方式为热水顺流、逆流交替，逆流有强化传热的作用，所以以逆流方式进水的热管热流量增大和壁面温度相应升高，而沿供水方向热量不断损失，故热管壁面和地板表面温度的总体趋势下降。

测试得到低温热管辐射地板表面平均温度为28.9℃，最高温度为32.3℃，温度不均匀度为8.4%，如果提高热管的排列密度，不均匀度可以大大下降。此外，地板表面的较高温度分布在房间中部，较低温度分布在热管冷凝段对应的房间边缘，不同于普通塑料埋管地板，这种温度梯度有利于减小地板由边缘向外部的热损失。

3.2 室内垂直方向温度分布

在不同供水温度和流量下，室内垂直方向温度分布见图5。由图5可知：①随着高度的增加，空气温度迅速降低，在距地面200mm处温度基本达到稳定，而在距地面1800mm以上温度迅速降低。②随着供水流量的增大与供水温度的升高，各测点温度也相应升高，且在地面附近温度差异明显，在顶棚附近温度没有明显变化。这种现象反映r热管地板辐射采暖与普通地板辐射采暖的特点一致，即室内空气垂直方向温度梯度小。

3.3 低温热管辐射地板散热量的研究

地板表面散热量是评价辐射地板热工性能和对地板采暖进行设计计算的重要依据。地板的传热包括：热水与热水管道内壁的对流换热、热水与热管蒸发段的对流换热、热管蒸发段与冷凝段的导热、热管及热水管道与地板的导热、地板与空气的对流换热及与房间各壁面的辐射换热。地板散热量受地板结构、材料、热管间距、敷设方式、供水温度、供水流量、房间温度和房间各壁面温度等因素影响，计算比普通散热器复杂。

① 低温热管辐射地板散热量的实验研究

低温热管辐射地板内部热流和温度分布与常规塑料埋管地板有较大差异，笔者首先通过实验方法测试了其表面散热量，部分测试结果见表1。由表1可知：a.热管辐射地板供水温度为35～45℃即能满足采暖要求，比常规塑料埋管地板要求的供水温度降低5℃左右。b.表面散热量、地板表面平均温度和墙壁及顶棚平均温度均随供水温度的升高和供水流量的增大而升高。c.与常规塑料埋管地板相比，供水流量的变化对散热量的影响显著，流量增大1倍，散热量提高约40%。这是由于热管内部主要是工质的相变传热，传热热阻很小，因此传热效果比塑料管显著提高。加大供水流量和提高供水温度，热管蒸发段与热水的对流换热量增大，表面传热系数提高；同时热管工作温度升高导致冷凝段蒸汽工作压力升高，冷凝段液膜变薄，表面传热系数也相应提高。由于热管蒸发段和冷凝段的换热均得到强化，故其壁面温度升高，热流量增大，地板散热量增大。在实际应用中，可以通过改变供水流量和供水温度，改变热管工作状态，进而调节地板散热量。

表1 低温热管辐射地板散热量部分测试结果

供水温度/℃	回水温度/℃	流量/m³·h^-1)	热流密度/(W·m^-2)	地板平均温度/℃	室内温度/℃	墙壁及顶棚平均温度/℃
40.2	37.4	0.12	68.51	26.5	19.5	16.5
44.9	41.5	0.12	87.17	27.8	19.6	16.8
34.7	33.2	0.23	100.88	25.7	19.8	16.6
45.0	43.4	0.23	123.12	28.9	20.3	16.8
35.1	33.5	0.37	119.64	26.3	20.1	16.9
45.0	43.2	0.37	138.84	30.3	20.5	16.7

② 低温热管辐射地板的散热量计算公式

许多研究人员通过有限差分、有限元等数值方法计算辐射地板的散热量时，将其分为对流、辐射两部分，并将表面传热系数和辐射传热系数简化为定值^[6～7]，而实际上它们是地板表面温度和室温的函数，计算结果必然有偏差。此外，数值计算方法繁琐，不适用于工程计算。文献[8]指出地板辐射与柱型散热器的热工性能相似。通过对实验现象的分析，笔者在柱型散热器工作性能函数的基础上，引入供水流量、地板平均温度、墙壁及顶棚平均温度3个变量，得到低温热管辐射地板的工作性能函数。在本文实验工况下，地板散热量计算公式可简化为Q=f(t_g，t_h，q_V，t₀，t_dp，t_bp)。将所有温度项合并为计算对数温差，见式(1)。

式中△t——计算对数温差，℃

t_g——供水温度，℃

t_h——回水温度，℃

t_c——室内实感温度，℃，计算见式(2)

式中t₀——室内平均温度，℃

t_dp——地板平均温度，℃

A_d——地板表面积，m²

t_bp——墙壁及顶棚平均温度，℃

A_b——墙壁及顶棚总表面积，m²

应用非线性两元三因素回归方法，地板散热量计算公式为：

式中q——地板热流密度，W/m²

q_V——供水流量，m³/h

a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、b₄由实验确定为3.261、-1.48×10^-7、0.557、0.732、1.338、-0.01332、0.887，回归相关系数为0.996，平均相对误差为1.6%。

3.4 低温热管辐射地板传热滞后时间的研究

辐射地板的蓄热性导致传热的滞后性，滞后时间是地板辐射采暖运行控制的重要参数。实验测试了低温热管辐射地板升温过程和降温过程中地板表面的温度变化。供水流量为0.37m³/h时，不同供水温度下地板表面平均温度升高过程和停止供水后不同地板表面初始温度下的地板降温过程见图6。由图6可知：①热管辐射地板表面的平均温度相对于供水温度有明显延迟。②升温过程和降温过程中地板表面温度都呈指数规律变化。实验工况下，升温过程经过约4.5h地板表面温度达到稳定，降温稳定时间约需12h，升温期时间为降温期时间的1/3，这说明热管辐射地板具有升温快、蓄热性好的特点。③热管辐射地板的滞后时间主要取决于热管间距、覆盖层厚度等因素；供水温度对升温时间无明显影响；地板表面初始温度高则降温时间长，反之则降温时间短。

4 结论

① 热管辐射地板在供水温度为35～45℃时即可满足采暖要求，比常规塑料埋管地板要求的供水温度降低5℃左右。热管辐射地板可以与低品位能源如太阳能、地热能等直接结合应用于采暖系统。

② 低温热管辐射地板表面温度分布受热管壁面温度分布的影响，地板中部温度高、两端温度低的温度梯度有利于减小地板由边缘向外部的热损失。

③ 热管辐射地板表面的平均温度相对于供水温度有明显延迟。升温过程和降温过程中地板表面温度都呈指数规律变化，本文实验工况下，升温期时间为降温期时间的1/3。

参考文献：

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(本文作者：赵薇^1，2 张于峰² 1.辽宁工业大学土木建筑工程学院辽宁锦州 121000；2.天津大学环境科学与工程学院天津 300072)