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热管地板辐射供暖基础理论研究

作　者: 谢慧
导　师: 张于峰
学　校: 天津大学
专　业: 热能工程
关键词: 热管地板辐射供暖热虹吸管地板传热性能室内热环境房间能耗
分类号: TU832
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

以热虹吸管替代塑料管的地板辐射供暖系统是一种高效、节能、环保的新型采暖系统,其研究和应用在国内外鲜有报道,有很多问题值得商榷研究。为此,本文对热管地板辐射供暖进行了系统而全面的基础研究,主要内容如下:1.串联热虹吸管热工性能的实验研究对用于热管地板辐射供暖的热虹吸管在串联连接时的传热性能进行了测试,实验结果表明:用于低温地板辐射供暖时,热管的合适倾角为1~2?、蒸发段长度为110mm、串联方式为D型。此外,拟合实验数据得到了计算热管传热量和冷凝段壁面温度的经验公式。2.热管地板准三维非稳态传热模型的建立与性能分析①根据热管地板传热过程的特点,建立了热管地板准三维非稳态传热模型,并采用有限容积法进行数值求解。②对不同结构热管地板的传热过程进行模拟,计算结果表明:随着供回水平均温度升高、流量增加、管间距减小、填充层厚度减小、地面材料导热系数增大,热管地板的表面散热量和温度均增加;但是,导热系数小的地面材料以及较大的管间距,反而使得整个地板的蓄热性能变好。③将热管地板与塑料管地板进行比较后发现:热管地板的传热效率高于塑料管地板,供水温度可降低4~6℃,故可利用低品位的自然热源,或采用较大的管间距;此外,热管地板的蓄热性能优于塑料管地板,具有升温快降温慢的特点。3.热管地板辐射供暖房间动态传热模型的建立与室内热环境和房间能耗分析①根据热管地板辐射供暖房间室内热过程特点,建立了热管地板辐射供暖房间的动态传热模型,并采用有限容积法进行数值求解。②分别模拟不供暖房间、热管地板辐射供暖房间、塑料管地板供暖房间以及散热器供暖房间的室内热环境和房间能耗,计算结果表明:采用热管地板辐射供暖后,室内热环境得到明显改善,并且在达到相同热舒适度的条件下,室内设计温度可比散热器供暖低2~4℃;热管地板辐射供暖相对于散热器供暖的节能率在10~30%以内,相对于塑料管地板辐射供暖的节能率在10%以内。4.热管地板辐射供暖实验研究利用热管地板辐射供暖与地下水源热泵联合运行实验台,在不同工况下对热管地板的温度分布、散热量、室内空气温度、地下水源热泵机组的性能进行了测试,实验结果表明:①热管地板传热效率高,且具有良好的蓄热性能;②供暖房间室内空气竖向温度梯度小;③对热管地板传热模型和房间动态模型进行验证,模型结果与实验数据吻合良好,证明了模型的正确性;④与热管地板辐射供暖联合运行时,地下水源热泵不但可以满足供暖系统的要求,而且机组的运行性能良好。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
主要符号表  6-13
第一章绪论  13-28
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 低温热水地板辐射供暖的应用和研究现状  14-21
    1.2.1 低温热水地板辐射供暖简介  14-15
    1.2.2 低温热水地板辐射供暖发展简史  15-16
    1.2.3 地板辐射供暖理论和实验研究  16-21
  1.3 两相闭式热虹吸管的应用和研究现状  21-26
    1.3.1 两相闭式热虹吸管简介  22-23
    1.3.2 热管技术在暖通空调领域中的应用  23-24
    1.3.3 两相闭式热虹吸管相关实验和理论研究  24-26
  1.4 本文研究内容  26-28
第二章热虹吸管热工性能的实验研究  28-41
  2.1 两相闭式热虹吸管的设计制作  28-29
    2.1.1 工质与管材的选择  28-29
    2.1.2 两相闭式热虹吸管结构  29
    2.1.3 充液量的确定  29
  2.2 串联热虹吸管性能实验系统  29-32
    2.2.1 实验装置  29-30
    2.2.2 实验内容  30-32
  2.3 实验结果与分析  32-38
    2.3.1 供水温度对串联热虹吸管性能的影响  32-33
    2.3.2 供水流量对串联热虹吸管性能的影响  33
    2.3.3 串联方式对串联热虹吸管性能的影响  33-35
    2.3.4 倾角对串联热虹吸管性能的影响  35-36
    2.3.5 蒸发段长度对串联热虹吸管性能的影响  36-37
    2.3.6 热虹吸管壁面温度分布  37
    2.3.7 实验结论  37-38
  2.4 热虹吸管传热量和壁面温度的计算  38-39
  2.5 本章小结  39-41
第三章热管地板准三维非稳态模型的建立  41-60
  3.1 热管地板板体结构  41-42
  3.2 热管地板准三维非稳态模型  42-52
    3.2.1 区域划分和四类传热单元  43
    3.2.2 A类传热单元模型  43-48
    3.2.3 B类传热单元模型  48-50
    3.2.4 C类传热单元模型  50-51
    3.2.5 D类传热单元模型  51-52
  3.3 计算机数值模拟  52-59
    3.3.1 计算区域的离散化  52-54
    3.3.2 控制方程的离散化  54-57
    3.3.3 数值计算结果的误差分析  57
    3.3.4 计算机模拟  57-59
  3.4 模型验证  59
  3.5 本章小结  59-60
第四章热管地板传热性能分析  60-78
  4.1 模拟参数及其范围  60-61
  4.2 热管地板的温度分布与动态变化  61-62
    4.2.1 地板表面温度分布  61-62
    4.2.2 地板表面温度动态变化  62
  4.3 影响热管地板表面温度和散热量的因素  62-70
    4.3.1 供回水平均温度  62-63
    4.3.2 供水流量  63-64
    4.3.3 热管间距  64
    4.3.4 填充层厚度  64-65
    4.3.5 地面层材料  65-66
    4.3.6 热管敷设方式  66-67
    4.3.7 地板底部和周边保温  67-69
    4.3.8 影响因素小结  69-70
  4.4 影响热管地板预热时间和蓄热时间的因素  70-75
    4.4.1 供回水平均温度  70-71
    4.4.2 供水流量  71-72
    4.4.3 热管间距  72
    4.4.4 地面层材料  72-73
    4.4.5 填充层厚度  73-74
    4.4.6 地板底部保温  74
    4.4.7 影响因素小结  74-75
  4.5 热管地板与塑料管地板的比较  75-76
  4.6 本章小结  76-78
第五章热管地板辐射供暖房间动态模型的建立  78-102
  5.1 热管地板辐射供暖房间的传热分析  78-79
  5.2 热管地板辐射供暖房间物理模型  79-80
  5.3 热管地板辐射供暖房间动态数学模型  80-94
    5.3.1 室内空气热平衡方程  81-82
    5.3.2 热管地板传热控制方程  82-85
    5.3.3 屋顶数学模型  85-88
    5.3.4 外墙数学模型  88-90
    5.3.5 内墙数学模型  90-91
    5.3.6 外窗热平衡方程  91-92
    5.3.7 人体热平衡方程与热舒适模型  92-94
  5.4 计算机数值模拟  94-99
    5.4.1 计算区域和控制方程的离散化  95-97
    5.4.2 耦合问题的求解  97-98
    5.4.3 计算机模拟  98-99
  5.5 模型验证  99-101
    5.5.1 实验验证  99
    5.5.2 比较验证  99-101
  5.6 本章小结  101-102
第六章热管地板辐射供暖房间热环境与能耗分析  102-112
  6.1 模拟参数及其范围  102-103
  6.2 热管地板辐射供暖房间室内热环境特点  103-106
  6.3 热管地板辐射供暖房间能耗分析  106-110
    6.3.1 供暖房间能耗构成与计算  106-109
    6.3.2 不同供暖方式下房间总能耗比较  109-110
  6.4 本章小结  110-112
第七章热管地板辐射供暖系统实验测试  112-128
  7.1 实验系统与实验内容  112-115
    7.1.1 实验系统构成  112-114
    7.1.2 实验内容与步骤  114-115
    7.1.3 主要参数测试方法与所用仪器  115
  7.2 实验数据处理与误差分析  115-117
    7.2.1 实验数据处理方法  115-117
    7.2.2 误差分析  117
  7.3 实验结果与分析  117-126
    7.3.1 热管地板传热性能  117-121
    7.3.2 数学模型的实验验证  121-125
    7.3.3 地板中热管壁面温度分布  125
    7.3.4 地下水源热泵的性能  125-126
  7.4 本章小结  126-128
第八章结论  128-132
  8.1 研究结论  128-130
  8.2 创新之处  130-131
  8.3 进一步的工作建议  131-132
参考文献  132-140
在读期间发表的文章  140-141
在读期间参加的科研项目  141-142
图表目录  142-145
致谢  145

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