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基于热性能分析的六种辐射地板、墙壁和天花板加热系统的适用性比较研究

期刊:journal of building engineeringDOI:10.1016/j.jobe.2020.102133

该文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


主要作者及研究机构
本研究由Jakub Oravec、Ondřej Šikula、Michal Krajčík、Müslüm Arıcı和Martin Mohapl共同完成。研究团队分别来自捷克布尔诺理工大学(Brno University of Technology)、斯洛伐克布拉迪斯拉发理工大学(Slovak University of Technology)和土耳其科贾埃利大学(Kocaeli University)。研究发表于《Journal of Building Engineering》2021年第36卷,文章编号102133,于2020年12月29日在线发布。

学术背景
本研究属于建筑能源与热工性能领域,主要探讨了六种代表性辐射供暖系统(包括地板、墙壁和天花板供暖系统)的适用性。辐射供暖系统因其能够与可再生能源结合并创造舒适的室内热环境而备受关注。然而,现有研究多从热舒适性或能源效率的角度进行比较,缺乏对系统热性能、控制性、热存储能力及建筑改造适用性的全面评估。因此,本研究旨在通过热性能分析,为新建和改造建筑选择最合适的辐射供暖系统提供科学依据。

研究流程
研究分为以下几个主要步骤:
1. 系统设计与建模
研究选择了六种代表性的辐射供暖系统,包括传统地板供暖、带金属翅片的地板供暖、墙壁供暖(TABS,Thermally Active Building Systems)、带空气间隙的墙壁供暖、天花板供暖(TABS)以及带隔热层的天花板供暖。每种系统的管道间距、直径和材料层配置均根据实际设计进行了调整。
2. 数值模拟与计算
研究使用了一种自定义且经过验证的软件工具,基于有限体积法(Finite Volume Method)计算了结构中的温度分布、热通量分布、时间常数(τ63)、响应时间(τ90)以及操作周期数。热存储能力通过计算结构中的热能量来确定,投资成本则用于评估系统的经济性。
3. 敏感性分析
研究还进行了敏感性分析,探讨了管道间距、内表面热传递系数(hi)、外表面热传递系数(he)、水温及室温对热输出的影响。
4. 结果评估
研究从稳态热性能(温度与热通量分布、热输出)和动态热性能(时间常数、响应时间、操作周期数)两个方面对系统进行了评估,并分析了热存储能力和投资成本。

主要结果
1. 热输出与表面温度分布
墙壁供暖系统(尤其是管道附着于隔热核心的系统)具有最高的热输出,但其表面温度分布不均匀。地板供暖系统(尤其是带金属翅片的系统)表面温度分布最均匀。天花板供暖系统在不需要热存储时表现良好。
2. 热响应与控制性
带金属翅片的地板供暖系统响应时间最短,控制性最佳。墙壁供暖系统(TABS)在控制性和热输出方面表现优异,而带空气间隙的墙壁供暖系统控制性更好但热输出略低。
3. 热存储能力
地板供暖系统和天花板供暖(TABS)系统具有较高的热存储能力,适合短期和长期热存储。其他系统则更适合间歇性操作。
4. 投资成本
墙壁供暖系统(TABS)的单位热输出成本最低,而带隔热层的天花板供暖系统成本最高。带金属翅片的地板供暖系统在投资成本上具有可行性。

结论
本研究通过全面的热性能分析,为选择最合适的辐射供暖系统提供了科学依据。墙壁供暖系统在控制性和热输出方面表现优异,适合建筑改造;地板供暖系统在所有评估方面表现一致,具有通用性;天花板供暖系统在不需要热存储时表现良好。研究还表明,热响应是比热输出更重要的参数,因为它直接影响系统的控制性和室内热平衡。

研究亮点
1. 全面性:研究从热输出、控制性、热存储能力、建筑改造适用性和投资成本等多个维度对六种辐射供暖系统进行了全面比较。
2. 创新性:研究使用了一种自定义的软件工具进行数值模拟,并通过敏感性分析探讨了多种参数对系统性能的影响。
3. 实用性:研究结果为新建和改造建筑选择辐射供暖系统提供了科学依据,具有重要的应用价值。

其他有价值的内容
研究还探讨了热负荷对系统性能的影响,发现热负荷降低会导致热输出和热存储能力下降,但对热响应的影响较小。此外,研究还提出了未来工作的方向,包括基于CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟的室内温度分布和空气流速场分析,以及全年运行性能的讨论。


以上是对该研究的详细报告,涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。

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