Разработка методики для расчета теплопередачи потолочных водяных капиллярных систем низко-температурного отопления
Ключевые слова:
низкотемпературная система отопления, капиллярная система отопления, тепловые характеристики, микроклимат помещения, потолочная система отопления, математическое моделирование теплообменаАннотация
Целью работы является получение методики расчета теплопередачи водяной потолочной капиллярной низкотемпературной отопительной системы для обогрева помещений прямоугольной формы. В последнее время подобные системы получили широкое распространение из-за имеющихся у них преимуществ перед традиционными отопительными приборами: использование теплоносителя с низким температурным потенциалом, высокая скорость прогрева внутреннего воздуха, небольшой температурный градиент по высоте помещения, отсутствие ощущаемого движения воздушных масс и пылевых потоков, возможность работы в режиме охлаждения. Однако такие системы все еще недостаточно изучены, а конструктивные расчеты или расчеты тепло-гидравлических режимов ведутся по формулам, полученным эмпирическим путем. Соответственно, вычисления не всегда имеют высокую точность. В работе предложена методика расчета процесса теплопередачи от рассматриваемой низкотемпературной системы отопления, позволяющая с высокой точностью определить величину удельного теплового потока. Выявлено, что в рассматриваемой конфигурации системы, значительную долю теплопередачи составляет лучистое (инфракрасное) излучение, а конвективная составляющая при этом очень мала. Поэтому было очень важно максимально точно описать процесс лучистого теплообмена, который происходит в помещении с капиллярной системой отопления. Расчет лучистой составляющей теплообмена выполнялся в соответствии с теорией угловых коэффициентов. Для получения недостающих величин, а также для верификации результатов, полученных с помощью предлагаемой методики расчета, проводилось экспериментальное исследование капиллярной системы отопления. Результаты расчета по выбранной методике имели небольшое отклонение от результатов, полученных экспериментальным путем, которое не превысило 6 %.
Метрики
Библиографические ссылки
ГОСТ
1. 4th Generation District Heating (4GDH): Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems / H. Lund, S. Werner, R. Wiltshire and oth. // Energy. 2014. 68. C. 1-11.
DOI: 10.1016/j.energy.2014.02.089
2. Smart energy and smart energy systems / H. Lund, P.A. Østergaard, D. Connolly, B.V. Mathiesen // Energy. 2017. 137. C. 556-565. DOI: 10.1016/j.energy.2017.05.123
3. Lauenburg P. Temperature optimization in district heating systems // Woodhead Publishing Series in Energy; Ed. R. Wiltshire. Oxford: Woodhead Publishing, 2016. C. 223-240.
DOI: 10.1016/b978-1-78242-374-4.00011-2
4. Li H., Svendsen S. Energy and exergy analysis of low temperature district heating network // Energy. 2012. № 45(1). C. 237-246. DOI: 10.1016/j.energy.2012.03.056
5. Rämä M., Sipilä K. Transition to low temperature distribution in existing systems // Energy Procedia. 2017. (116). C. 58-68. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.05.055
6. Von der Deckenheizung bis zum Eisspeicher [Сайт]: GeoClimaDesign. URL: http://www.geoclimadesign.com/herstellerkapillarrohrsystem/ (дата обращения 01.12.2022).
7. Experimental investigation and feasibility analysis on a capillary radiant heating system based on solar and air source heat pump dual heat source / M. Zhao, Z. Gu, W. Kang et al. // Applied Energy. 2017. 185. C. 2094-2105.
DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.02.043
8. Using a capillary mat as a shallow heat exchanger for a ground source heat pump system / A. Widiatmojo, S. Gaurav, T. Ishihara et al. // Energy and Buildings. 2020. 209. C. 109684.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2019.109684
9. Field evaluation of performance of radiant heating/cooling ceiling panel system / R. Li, T. Yoshidomi, R. Ooka, B.W. Olesen // Energy and Buildings. 2015. 86. C. 58-65.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.09.070
10. Li N., Chen Q. Study on dynamic thermal performance and optimization of hybrid systems with capillary mat cooling and displacement ventilation // International Journal of Refrigeration. 2020. 110. C. 196-207. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2019.10.016
11. Liu X., Shi L., Li Y. Simulation study on capillary asymmetric radiant heating system // Procedia Engineering. 2017. 205. C. 2215-2222. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.10.051
12. Cho J., Park B., Lim T. Experimental and numerical study on the application of low-temperature radiant floor heating system with capillary tube: Thermal performance analysis // Applied Thermal Engineering. 2019. 163. C. 114360. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114360
13. Fundamentals of Heat and Mass Transfer/ F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, A.S. Lavine // 8th Edition. N.Y.: Wiley, 2019. 992 c.
14. Howell J.R., Mengüc M.P., Daun K.J., Siegel R. Thermal Radiation Heat Transfer / 7th ed. Boca Raton; Oxon: CRC Press, 2020. 1040 p.
15. ASHRAE Handbook 2016: HVAC Systems and Equipment / Ed. M.S. Owen. Atlanta: ASHRAE, 2016. 953 c.
16. Zhang L., Liu X.H., Jiang Y. Experimental evaluation of a suspended metal ceiling radiant panel with inclined fins // Energy and Buildings. 2013. (62). C. 522-529. DOI: 10.1016/j.enbuild.2013.03.044
17. Experimental evaluation of heat transfer coefficients between radiant ceiling and room / F. Causone, S.P. Corgnati, M. Filippi, B.W. Olesen // Energy and Buildings. 2009. № 6 (41). C. 622-628.
DOI: 10.1016/j.enbuild.2009.01.004
18. Peeters L. , Beausoleil-Morrison I., Novoselac A. Internal convective heat transfer modeling: Critical review and discussion of experimentally derived correlations // Energy and Buildings. 2011. № 9 (43). C. 2227-2239. DOI: 10.1016/j.enbuild.2011.05.002
19. Awbi H. B., Hatton A. Natural convection from heated room surfaces // Energy and Buildings. 1999. № 3 (30). C. 233-244. DOI: 10.1016/s0378-7788(99)00004-3
20. Цветков Ф.Ф., Керимов Р.В., Величко В.И. Задачник по тепломассообмену: уч. пос. / 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд. дом МЭИ, 2008. 196 с.
APA
1. Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen, S., Thorsen, J. E., Hvelplund, F., & Mathiesen, B. V. (2014). 4th generation district heating (4GDH). Energy, 68, 1-11. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089
2. Lund, H., Østergaard, P. A., Connolly, D., & Mathiesen, B. V. (2017). Smart energy and smart energy systems. Energy, 137, 556-565. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.05.123
3. Lauenburg, P. (2016). Temperature optimization in district heating systems. In R. Wiltshire (ed.) Woodhead Publishing Series in Energy (pp. 223-240). Woodhead Publishing https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-374-4.00011-2
4. Li, H., & Svendsen, S. (2012). Energy and exergy analysis of low temperature district heating network. Energy, 45 (1) , 237-246. https://doi.org/10.1016/j.energy.2012.03.056
5. Rämä, M., & Sipilä, K. (2017). Transition to low temperature distribution in existing systems. Energy Procedia, 116, 58-68. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.05.055
6. GeoClimaDesign (n.d.). Von der Deckenheizung bis zum Eisspeicher. Retrieved December 01, 2022 form https://www.geoclimadesign.com/herstellerkapillarrohrsystem/.
7. Zhao, M., Gu, Z., Kang, W., Liu, X., Zhang, L., Jin, L., & Zhang, Q. (2017). Experimental investigation and feasibility analysis on a capillary radiant heating system based on solar and air source heat pump dual heat source. Applied Energy, 185, 2094-2105. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.02.043
8. Widiatmojo, A., Gaurav, S., Ishihara, T., Yasukawa, K., Uchida, Y., Yoshioka, M., & Tomigashi, A. (2020). Using a capillary mat as a shallow heat exchanger for a ground source heat pump system. Energy and Buildings, 209, 109684. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2019.109684
9. Li, R., Yoshidomi, T., Ooka, R., & Olesen, B. W. (2015). Field evaluation of performance of radiant heating/cooling ceiling panel system. Energy and Buildings, 86, 58-65. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.09.070
10. Li, N., & Chen, Q. (2020). Study on dynamic thermal performance and optimization of hybrid systems with capillary mat cooling and displacement ventilation. International Journal of Refrigeration, 110, 196-207. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2019.10.016
11. Liu, X., Shi, L., & Li, Y. (2017). Simulation study on capillary asymmetric radiant heating system. Procedia Engineering, 205, 2215-2222. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.051
12. Cho, J., Park, B., & Lim, T. (2019). Experimental and numerical study on the application of low-temperature radiant floor heating system with capillary tube: Thermal performance analysis. Applied Thermal Engineering, 163, 114360. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114360
13. Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2019). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (8th ed.). Wiley.
14. Howell, J. R., Mengüc, M. P., Daun, K. J., & Siegel, R. (2020). Thermal Radiation Heat Transfer (7th ed.). CRC Press.
15. Owen M.S. (Ed.). (2016). HVAC Systems and Equipment. ASHRAE.
16. Zhang, L., Liu, X., & Jiang, Y. (2013). Experimental evaluation of a suspended metal ceiling radiant panel with inclined fins. Energy and Buildings, 62, 522-529. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.03.044
17. Causone, F., Corgnati, S. P., Filippi, M., & Olesen, B. W. (2009). Experimental evaluation of heat transfer coefficients between radiant ceiling and room. Energy and Buildings, 41(6) , 622-628. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2009.01.004
18. Peeters, L., Beausoleil-Morrison, I., & Novoselac, A. (2011). Internal convective heat transfer modeling: Critical review and discussion of experimentally derived correlations. Energy and Buildings, 43(9) , 2227-2239. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2011.05.002
19. Awbi, H., & Hatton, A. (1999). Natural convection from heated room surfaces. Energy and Buildings, 30(3) , 233-244. https://doi.org/10.1016/s0378-7788(99)00004-3
20. Tsvetkov, F. F., Kerimov, R. V., & Velichko, V. I. (2008). Zadachnik po teplomassoobmenu: uchebnoye posobiye [Task book on heat and mass transfer: a textbook] . Publishing House of MPEI. [In Russian]
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
URN
Лицензия
Copyright (c) 2022 Шишкин А.В., Мешалова П.В., Яворовский Ю.В., Жигулина Е.В.
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
