摘要：简要介绍了地板辐射采暖的原理及其优越性，利用CFD
技术模拟采用低温地板辐射采暖的大空间建筑的温度场，分析室内空气温度梯度和地板表面温度，并与实际的测试结果相比较，证明了CFD模拟的可靠性与准确性，提出并验证了地板辐射采暖同样适用于大空间建筑。
关键字：低温地板辐射采暖，CFD
技术，大空间建筑
1 引言
地板辐射采暖是一种利用建筑物内部地面进行供暖的系统，主要利用辐射换热和对流换热相结合的形式对室内进行冬季供暖，该系统具有节能、舒适、不占建筑面积以及环保等优点。低温地板辐射采暖已在我国北方地区的住宅建筑中得到了日益广泛的应用，从生理卫生方面和舒适度方面都优于其他供暖方式[1]。这种采暖方式是否也适用于大空间建筑，针对这一问题，本文利用CFD技术，模拟大空间内的温度场分布情况，并实地测试供暖效果，与模拟结果对比分析，验证CFD技术指导工程实际的可行性与准确性，充分发掘低温地板辐射采暖的优越性。
2 室内温度场模型
2.1 物理模型
天津市动物园长颈鹿馆，长22.5米，宽14.5米，高8米，房间几何模型如图1，动物活动区与参观厅用铁护栏隔开，铁护栏上布有四柱760铸铁散热器。此供暖系统为采暖改造工程，原有散热器保留，直接用地热水为热源，作为一次网供热；回水经由热泵制出45℃热水进入地板盘管，使地板辐射采暖作为二次网供热，为主要的供暖设备。
图一 房间几何模型
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空气(视为不可压缩气体)质量、动量、能量守恒微分方程的离散化处理及数值解。室内无机械通风系统，空气温度分布完全依赖于辐射换热和对流换热的影响，假设室内气流为不可压缩常物性牛顿流体，计算的主要方法采用κ-ε双方程湍流模型，通过求解湍能K和湍能耗散率ε的输运方程得到湍流粘性系数。对于方程的离散和求解采用控制体积法。
计算用到的方程有[2][3]：
⑴连续性方程：
⑵动量方程：
⑶紊流脉动动能方程：
⑷紊流能量耗散率方程：
其中，
ui为速度矢量；ρ为流体密度；P为压力；tij为粘性力张量；ρgi为体积力；Fi为由热源、污染源等引起的源项；μ为运动粘性系数；μt为紊流粘性系数；Gk为平均速度梯度产生的湍流动能；Gb由浮力而产生的湍流动能；C1ε，C2ε，C3ε，σk，σε，Cμ均为常数，取值分别为：1.44，1.92，1，1.0，1.3，0.09。
2.3 边界条件及离散求解参数的确定
室内设计负荷38kW，设计温度18～22℃，室外环境温度-9℃，外墙传热系数1.57W/(K·m2)，屋顶传热系数1.43W/(K·m2)，外门传热系数4.65W/(K·m2)，外窗传热系数5.82 W/(K·m2)，地板热损失与地板辐射散热共同的作用结果是散热热流密度90W/m2，散热器负荷104.8W/m2。
湍流模型为标准k-ε双方程模型；流动收敛准则为0.001；能量收敛准则为1×10-6；压力离散格式为质量力加权法；温度离散格式为二阶迎风格式；动量离散格式为一阶迎风格式；各参数的欠松弛系数均定为计算器的默认值；压力AMG求解格式为V类型；温度、动量、k、ε的AMG求解格式均为Flex类型。
2.4 计算网格的划分
计算网格划分质量直接决定计算的精度，馆内离散网格采用六面体网格，并做如下设定：
⑴ 网格单元最大尺寸x，y，z尺寸为房间对应尺寸的1/20；
⑵在地板、散热器及外墙附近网格加密细化。
此次模拟共生成粗网格13744个，节点18245个，细网格75592个，节点83063个，计算1500次后收敛。
2.5 数值模拟结果与分析
长颈鹿高约4～6m，为了保证它的正常活动区的温度，就要使空间7m以内的温度分布达到采暖要求。模拟结果显示，应用地板辐射采暖系统能满足温度要求，整个空间的温度分布比较均匀，总体温度都在18℃以上。
由图2可以看出，参观厅地面温度分布均匀，基本在25℃左右，外墙附近温度低一些，也在20℃以上，符合采暖规范对地板温度的要求；动物活动区最高温度达到30℃，平均27℃左右，满足动物冬季采暖需求；房间中间地带温度明显高于其他部位，这主要是由于分布在周边的散热器在空间形成的涡流造成的。
图2 地板表面温度云图
图3 房间长度方向温度分布云图
图4 房间宽度方向温度分布云图
如图3、图4，在靠近地面2m以内温度变化较大，在2m以上温度分布比较均匀。常规的地板辐射采暖房间的垂直温度分布一般在0.5m以上就比较均匀了，本文的模拟结果之所以出现这种情况主要是由于房间属于大空间建筑，且周围对流散热器的作用使热气流上升，因此在2m以下范围内温度波动较大。空间的上部温度分布还是十分均匀的，这样的温度分布对高大的长颈鹿来说是舒适的，同时模拟结果也说明地板辐射采暖在大空间内也能满足供暖要求。
3 实验验证与分析
供暖期间对供暖系统进行测试，所用的测试仪器有干、湿球温度计、美国fluke公司生产的数据采集系统、热电偶线等，对长颈鹿馆空间垂直温度分布情况和地面温度分布情况进行多次测量，图6为空间某点垂直温度分布测试结果，与模拟结果图5的温度分布趋势基本一致，验证了数值模拟的可靠性。
模拟结果与测试结果也存在一些差异，分析其原因为：
⑴ 实测平均温度偏高于模拟值，是由于在采暖季节，为减小围护结构耗热量，房间门窗外侧都挂有挡风的棉被和塑料布等遮挡物，减小了房间热负荷；地热水温度升高，现在从地热井里出来的水温为49℃，比设计值高出4℃，一次网散热量变大，这也是一方面原因。
⑵ 温度分布曲线不是很平滑，2米高度处有温度波动，是由原有散热器引起的，实际情况一次网温度升高，散热量加大，所以波动更大一些。
⑶ 实测地面温度略低于模拟值，是由于在动物馆舍，为防止动物踩坏或摔跤，铺设较厚的混凝土地面，且印花，填充层比住宅地板的厚一些，因此地表温度实测值比模拟值偏低。
图五 模拟空间某点垂直温度
图六 实测空间某点垂直温度
4 结论
⑴ 本文用Flunet公司推出的专业Airpak软件对采用地板辐射采暖的大空间的温度场进行了数值模拟，分析了室内空气温度梯度、地板表面温度情况，做了模拟结果与实测结果的对比分析。
⑵ 实测与模拟的温度分布趋势的高度吻合性，说明了此模拟软件和模拟方法的可行性与准确性，完全可以验证和指导设计。
⑶ 地板辐射采暖方式同样适用于大空间建筑，整个空间温度分布均匀，温度分布梯度很小，在7m高处仍然满足温度要求，其室内热环境满足人和动物（长颈鹿）的生理要求与卫生要求，充分显示了地板辐射采暖的优越性。
参考文献
[1]杨文帅,王荣光,凌继红,等.地板辐射供暖在生理卫生方面的特点[J].煤气与热力,2002,22(2):151～152.
[2]杨惠，张欢，由世俊。基于Airpak的办公室热环境CFD模拟研究[J]。山东建筑工程学院学报，2004,19(4):41～45.
[3]陶文铨.数值传热学[M].西安交通大学出版社.2001.
