热泵直热式辐射采暖地板传热特性研究

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目前夏热冬冷地区主要的采暖方式是使用热泵空调器进行热风采暖,然而其舒适性和节能性远不能满足人们的要求,而近年来得到广泛推广应用的地板辐射采暖因其舒适性和节能性开始受到学者越来越多的关注。以往研究的主要是以热水作为热媒的低温热水地板辐射采暖,而对于以制冷剂作为热媒的直热式地板辐射采暖研究的较少。热泵直热式辐射采暖是一种以制冷剂作为热媒的新型辐射采暖方式,其将空气源热泵技术和低温长波辐射技术融为一体。  本文建立了地板结构层的物理模型,并对其传热过程进行简化假设,建立地板结构层的数学控制方程,设定初始条件和边界条件,利用有限体积法对数学模型进行离散,并通过Fluent软件对地板结构层的传热过程进行求解。重点计算了制冷剂与地暖盘管之间的冷凝换热系数以及地板表面与房间的复合换热系数,得出地板辐射采暖地板表面对流换热量占地板表面总换热量的43%左右,地板表面辐射换热量占地板表面总换热量的57%左右。  通过对Fluent软件模拟计算结果的分析,得到不同结构和运行参数下地板表面温度和热流密度分布,并分析不同结构和运行参数对地板结构层传热过程的影响程度。当冷凝温度在35~40℃时,盘管间距应保持在100mm~200mm之间,地板表面装饰层材料推荐使用大理石,并根据用户的使用习惯确定填充层厚度的大小。地暖盘管上焊有铁丝网可以增强传热,在得到相同的地板表面温度和热流密度时,可以有效地降低冷凝温度,从而可以提高热泵机组的COP。运行模式可分为“连续运行”和“分时段连续运行”,在使用要求不是很高的情况下,本文推荐采用“分时段连续运行”的模式,即在使用前一定时间开机预热,比如上班族可以在下班前一定时间先开机预热,当下班回家后室内温度基本可以达到人体热舒适的要求。  以PMV-PPD为评价指标对室内热环境进行评价,选取南京地区采用热泵直热式辐射采暖的某一建筑物,建立物理和数学模型,利用Airpak软件对室内温度场、速度场、PMV和PPD场进行模拟计算,计算结果表明房间大部分区域的温度保持在18.75℃左右,空气流速保持在0.15 m/s以下,-0.25≤PMV≤+0.25,PPD≤10%。  利用费用现值和费用年值作为经济学评价指标,选取5种夏热冬冷地区的采暖方案,并计算其初投资和运行费用,计算结果表明采用热泵直热式辐射采暖的费用年值最小,因此热泵直热式辐射采暖是一种经济合理并值得推广使用的采暖方式,具有比较好的发展和应用前景。
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