梁 雨, 王文新,2*, 秦超凡, 杨大伟

(1.内蒙古工业大学土木工程学院， 呼和浩特 010051； 2.内蒙古工业大学内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室， 呼和浩特 010051)

随着社会的发展，牧民的生活方式由游牧向定居转变，造成蒙古包逐渐被固定的民居所取代的现象。蒙古包是蒙古族民族文化的象征，在草原上逐渐减少，所以保持蒙古包的活力已成为一个至关重要的问题。蒙古包逐渐减少的原因之一是冬季采暖无法满足居住要求。而毛细管网辐射供暖系统是一种具有舒适度高、节能、蓄热能力强和节省空间等特点的新型低温辐射供暖形式，因此无论是从系统的舒适性还是节能上考虑，毛细管网辐射供暖系统都有巨大的潜力应用于蒙古包[1]。Zhao等[2]通过实验表明，毛细管辐射加热可以采用较低的水温去创造良好的热舒适环境。许登科等[3]主要研究在中国中部淮南地区的冬季太阳能毛细管低温供暖系统的适用性，并对其进行了试验研究和理论分析。陈金华等[4-5]针对重庆地区冬季供暖问题，研究了毛细管网辐射供暖系统在35 ℃供水工况下毛细管网顶棚、墙面、地面3种敷设方式的室内空气温度、围护结构壁面温度等参数，并以空气源热泵+毛细管网地板辐射供暖系统为对象建立实验系统，研究不同供水工况毛细管网地板辐射供暖。Li等[6]研究了一种集太阳能、毛细管网和相变储能技术于一体的综合供热系统，可以提供更好的热舒适性。Liu等[7]建立了太阳能采暖系统(太阳能平板集热器+蓄热罐+毛细管辐射地板)，通过对毛细辐射地板综合采暖能力和蓄热能力的理论分析，揭示了动态热环境的形成机理。冯国会等[8]通过实验得出毛细管网辐射供暖系统与太阳能相结合经济成本节约9%。傅允准等[9]通过研究得出毛细管辐射板供热能力较强、毛细管辐射采暖时室内温度相应较快、室内温度场分布均匀性较好的结论。Liu等[10]采用数值模拟的方法，研究了地铁隧道毛细管的传热特性，同时通过实验测试验证了模拟值的正确性。闫亚鑫等[11]提出相变蓄热型Trombe墙应用于寒冷地区气候条件下的冬季辅助供热系统,对其供热性能开展了实验测试研究。李明等[12]通过研究表明基于毛细管网的日光温室的集放热性能明显优于传统保温蓄热后墙。王文新等[13]研究了室外空气温度、风速风向和太阳辐射耦合作用对供暖期传统蒙古包建筑外表面对流换热的影响。以上研究大多数是毛细管网应用于针对混凝土壁面进行实验与模拟的研究，对于蒙古包建筑的研究暂未见相关报道。

以呼和浩特市某传统蒙古包为实验对象，首先对有热源和无热源两种状况下蒙古包内热环境进行测试，得到传统供暖方式下蒙古包室内热环境现状；然后采用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟不同敷设位置的毛细管网席(以毛细管网为散热末端的热水采暖系统)对蒙古包内热环境的影响，找到几种敷设工况下最适于传统蒙古包室内敷设毛细管网席的位置，以改善传统蒙古包室内热环境现状的不足。继而结合草原牧区丰富的风资源或太阳能资源，不仅在环境保护、节能还是降低牧民支出上都具有实际性意义。

1 传统蒙古包的实测分析

研究蒙古包(结合牧区常见的传统蒙古包形式以及常用的建筑材料建造，如围护结构为两层毛毡、毛毡的外层覆盖着防水帆布。)位于呼和浩特市某空旷草地上，周边环境与牧区实际传统蒙古包环境接近。蒙古包建筑面积约为19.625 m2，坐北朝南，建筑高度为2.75 m，直径为2.5 m。对传统蒙古包冬季室内热环境进行测试，测试所需要的实验仪器主要有RC-4HC 温湿度记录仪、红外热成像仪以及热线风速仪。考虑到呼和浩特市为典型的大陆气候特征，冬季严寒，夏季适宜居住，因此选取最冷月的1月9—31日，对实验蒙古包内外的温湿度、室外风速等进行测试，选取4月13—25日测试蒙古包内垂直温度分布情况。

测点布置根据《建筑热环境测试方法标准》(JGJ/T 347—2014)[14]于2018年1月和4月分别对蒙古包进行测试，其中2018年1月蒙古包室内温度在高1.1 m处水平方向的布点如图1(a)所示，4月在考虑水平方向上温度均匀性的同时，考虑垂直方向[高0.1 m(22、13、35、36、34)、高0.6 m(38、32、33、39、16)、高1.1 m(20、37、24、21、4)]上的温度分布进行布点，布点如图1(b)所示。

图1 现场测试布点图Fig.1 Field test layout

2 实验数据结果分析

主要从室外温度、湿度以及风速，室内温度、湿度垂直方向温差等方面研究传统蒙古包室内热环境现状。

2.1 室内外温、湿度结果分析

如图2所示，可以看出当室外温度变化较大时，室内温度曲线相对平整。这是由于蒙古包的围护结构、毡层和地面具有一定的保温和蓄热能力，室外短期温度波动对室内温度影响不大。

实验于2018年1月18日加入热源(充油散热器、标称电压220 V、额定功率1 600 W、额定频率50 Hz)对传统蒙古包预热处理。选择预报24、25日晴天日，也就是1月24日9：30开启散热器到1月25日22：00关闭散热器，供暖期间室内温度分布如图3所示。由图3可知，蒙古包内昼夜温差大，当室外昼夜温差为25 ℃左右时，室内的昼夜温差为17 ℃左右，这是由于蒙古包70%的材料都是毛毡。根据文献[15]，对于两层的传统蒙古包，毛毡的导热系数为0.076 6 W/(m·K)，相对于聚苯乙烯膨胀板，毛毡具有良好的保温性能，但由于两层毛毡的厚度仅为18 mm，致使其蓄热性能差。根据文献[16]，蒙古包围护结构的综合热惯性指标小于1.6，低于实心墙。蒙古包毛毡的低热惯性、大热阻等特点说明毛毡具有很好的保温绝热性，但蓄热性较低使蒙古包内热环境差，也是导致蒙古包逐渐被淘汰的原因之一。

图2 1月室内外温度和湿度变化Fig.2 Temperature and humidity changes inside and outside in January

图3 供暖期间室内温度分布Fig.3 Distribution of indoor temperature during heating

如图4所示，同一水平面室内温、湿度变化的总体趋势是相似的，蒙古包内在不供暖情况下，与室内外温差在5 ℃之内，湿度处于15%～50%。测试期间多为晴天，未碰到阴雨天，这是实验的不足之处。但根据文献[17]，当雨天室外湿度较高时，如2017年9月25日，室内平均湿度水平比室外低20.4%。对传统蒙古包接近壁面的测点(7、12、15、27)，发现南侧的湿度最低，北侧的湿度最高，而东侧与西侧的湿度与室内湿度分布接近。其原因是此传统蒙古包坐南朝北，南侧为门，门为木质材料，且门外无围布(防水帆布)，门经长期的风吹日晒，且测试期间晴天居多，致使门处的湿度最低。北侧湿度最高是因为此传统蒙古包无人居住，蒙古包外侧的围布又有抗风作用。

图4 1月份室内温度湿度分布Fig.4 Distribution of indoor temperature and humidity in January

整体来看，传统蒙古包在不供暖的情况下，室内外温差在5 ℃左右，但平均温度均在0 ℃以下。在利用散热器供暖的情况下，室内外温度差在20 ℃左右，但最高温度仅在10 ℃左右，达不到冬季室内温度规范要求。而传统蒙古包室内的湿度在45%左右，规范规定的呼和浩特室内舒适标注湿度为58%。传统蒙古包室内温、湿度与人们对舒适度要求越来越背道而驰。

2.2 室外风速结果分析

在热线风速仪布点测量前，连续一周观测蒙古包套脑与竖向维护结构连接处的装饰丝带飘向，发现与呼和浩特市主风向(西北风)相同，未受到其他建筑物干扰。因此将热线风速仪布置在此，传统蒙古包西北方向距离地面高1.2 m并离蒙古包0.3 m处。如图5所示为2018年1月24—1月25日连续30 h的室外风速分布图，可以看出，距离传统蒙古包0.3 m处的平均风速为0.2 m/s。根据文献[18]，在采暖、通风和空调民用建筑中，经常关闭门窗且门窗的密封性很好，只能通过门窗上很小的缝隙渗透通风。

图5 室外风速逐时分布Fig.5 Hourly distribution of outdoor wind speed

2.3 传统蒙古包垂直方向温度结果分析

在《舒适热环境条件——表明热舒适程度的PMV和PPD指标》(ISO 7730)标准中要求：从0.1 m高度到1.1 m之间的垂直温度差不应该超过3 ℃。在美国采暖制冷空调工程师协会(ASHRAE)中提出更为严格的要求：从高度0.1～1.8 m之间的垂直温差不应超过3 ℃。因此测试分别在距离地面0.1、0.6、1.1 m高度处布点，分析传统蒙古包垂直方向的温度差。

室内垂直方向温度分布如图6所示，可以看出，1.1 m与0.6 m处的温差接近0 ℃，少量时间段的温差为2 ℃。但是0.1 m与0.6 m之间的温度差为8 ℃左右。这主要是由于此蒙古包无人居住，长期处于封闭状态，底部门窗缝隙大，蒙古包内部地面没有进行细处理地面水汽分压对室内温度的影响，从而造成接近地面处的温度相对较低，使得蒙古包垂直方向温差不符合标准要求。

针对此传统蒙古包现存的不足，现利用最理想的散热末端——毛细管网辐射末端敷设在蒙古包内，并利用CFD进行模拟，对敷设有毛细管网席的蒙古包进行室内温度场的模拟。找到最适宜蒙古包冬季供暖的毛细管网席的敷设范围，提高传统蒙古包的利用率，在一定程度上减少煤炉的使用，使蒙古包室内热环境更加舒适。

图6 垂直温度分布Fig.6 Vertical temperature distribution

3 毛细管网系统介绍以及模型的建立

3.1 毛细管网工作原理

如将毛细管网系统类比于人体内的仿生系统，毛细管网温度调节系统可比作人体的血液循环系统。假如毛细管网是人体的血液系统，供回水主干管就是动脉和静脉血管，机组就是心脏，系统运行时，毛细管网与周围物体、环境有效地进行热交换。这就是毛细管网系统调节房间温度的原理。

采用的毛细管网规格为1 000 mm×2 500 mm，管径4～4.8 mm，间距20 mm，共30个U形回路，并用20 mm的塑料作为集管。按毛细管网与建筑物的结合方式可分为：整体式、贴附式和悬挂式，考虑到蒙古包竖向维护结构为圆形柳条组合，蒙古包墙壁敷设易采用悬挂式，地面敷设采用整体式。

3.2 毛细管网墙壁表面与房间的换热分析

在对流供暖系统中，衡量与评价供暖效果的标准，通常是室内空气的干球温度。在辐射供暖系统时，辐射传热和对流传热交织在一起，所以在确定辐射供暖表面有效换热面积q0是由辐射换热qr和对流换热qc组成[19]，即

q0=qr+qc=5×10-8[(tp+273)4-

(AUST+273)4]+1.78(tp-ta)1.32

(1)

式(1)中：tp为辐射板表面平均温度，℃；AUST为非供热表面加权平均温度，℃；ta为室内设计温度。

3.3 传统蒙古包物理模型

蒙古包模型如图7所示，尺寸如表1所示。该建筑为木架结构，竖向围护结构由柳条木以及毛毡(哈那)组成，传热系数为1.3 W/(m2·K)，外窗为单层玻璃，其传热系数约为6.4 W/(m2·K)，户门为普通木门，其传热系数约为1.5 W/(m2·K)，窗墙比为0.015。而根据权威部门测试结果和大量工程实践，间距为20 mm毛细管网。每平方米、每1 ℃温差(温差=供回水平均温度-室温)散热能力为10 W/℃。利用EnergyPlus对直径为5 m的蒙古包的能耗进行模拟得到：总的热负荷为1 555.28 W。毛细管网的供/回水温度为35/30 ℃，室内设计温度为18 ℃。每平方米毛细管网的散热散冷量是根据国家空调所实测数据并考虑到损耗系数规定的，表面覆盖因素为80%，则毛细管网的散热能力为197.5 W/m2。毛细管网在蒙古包中的安装面积为9.97 m2，敷设4张，规格为1 000 mm×2 500 mm。在其余条件相同的情况下，将毛细管网席分四种位置工况(如表2所示)敷设在蒙古包内。蒙古包敷设毛细管网席的位置如图8所示。

图7 蒙古包模型Fig.7 Mongolian yurt model

图8 毛细管网席敷设位置Fig.8 Placement of capillary mat

表1 蒙古包模型尺寸Table 1 Dimensions of mongolian gel model

表2 毛细管席四种敷设工况

3.4 边界条件的设置

以呼和浩特市气象条件为背景，利用EnergyPlus对直径为5 m的蒙古包模拟供水/回水温度为35 ℃/30 ℃，竖向围护结构敷设热表面的温度为29 ℃，而地面构造层相对于竖向围护结构的构造层厚，所以地面敷设热表面温度为30 ℃。继而利用Fluent模拟毛细管网席表面温度经过导热到地表面以及墙体表面的温度分别为27 ℃和26.85 ℃。实际居住的蒙古包内环境会受通风的影响，但模拟研究的对象为密闭情况下的蒙古包，所以模拟结果与实际情况略有差距。根据红外成像仪测试蒙古包，如图9所示，可以得出冬季的蒙古包主要的进风口为门窗缝隙处，出风口为天窗缝隙处。因此以门窗缝隙为进风口，以天窗周围缝隙为出风口进行模拟。

图9 门窗缝隙处的热成像图Fig.9 Thermal image of door and window gap

3.5 控制方程的选择

由于毛细管网末端采暖系统主要以辐射和对流的方式进行热量的交换。这是一种湍流流动的复合换热，因此整个模拟过程中主要选用RNGk-ε模型的湍流方程和适用性普遍的离散坐标(DO)辐射模型。Xu等[17]通过对蒙古包进行大量实验得出：影响毛毡壁面温度的主要因素是太阳辐射。因此在整个模拟过程中首先进行太阳追踪的设置，当残差曲线达到要求后，进行室内毛细管网席辐射的DO敷设模型模拟，均达到残差设计要求。

4 模拟结果分析

根据国际标准ISO7730中测量点的要求，本文模拟结果在距地面0.1、0.6、1.1 m分别截取温度、风速等云图。并对比分析蒙古包内人员活动区的平均温度、水平方向温度的均匀性和垂直温差是否在3 ℃以内。

4.1 四种敷设位置工况下温度云图的对比分析

如图10所示为四种模拟工况：毛细管网席敷设在地面以及毛细管网距地0、0.3、0.5 m竖向敷设的温度云图。

从图10可以看出，由于蒙古包特殊的建筑造型，使得毛细管网席在蒙古包中采用圆形敷设形式，此敷设形式减少了由于敷设不均匀性造成的室内水平温度分布的不均匀性。因此对于建筑层高相对较小且敷设供暖末端的圆形建筑，当室内达到稳定状态时，室内温度分布均匀，适宜人们居住。当毛细管网席敷设在蒙古包竖向维护结构时，随着敷设高度的增加，0.1 m测点水平面上局部低温由有到无。当毛细管网席辐射在地板时，无局部温度存在。出现此现象是因在地板辐射采暖中，地板向屋顶墙壁的辐射热量，比墙壁辐射给地面屋顶热量多，这是由于地板、墙壁辐射材料不同以至非辐射面的发射率、角系数不同。在室内气流组织相同的情况下，室内温度场的分布受毛细管网敷设位置的影响，毛细管网席辐射在地板时，室内温度分布最均匀，毛细管网席敷设在竖向维护结构的位置虽然对蒙古包内温度场的均匀性影响不大，但敷设在0.3 m处相对于0.1 m与0.5 m处略差。

Z为主毛细管网竖向敷设位置(高度)；Z1～Z3为 模拟模型取云图的高度图10 四种敷设工况下的温度云图Fig.10 Temperature nephogram under four laying conditions

为进一步分析此工况下室内水平方向温度的均匀性，室内人员活动区的平均温度以及垂直温差是否满足国际标准ISO7730的要求，在水平方向上取13个点(为人员主要活动的区域)如图11所示，并取13个点垂直方向0～1.5 m同时观察室内水平方向温度的均匀性、室内人员活动区的平均温度以及垂直温差。

图11 水平方向13点位置图Fig.11 Horizontal 13 point position map

如图12所示，整体分析得到，四种敷设工况下0～0.3 m内的温度梯度变化范围为6～8 ℃，这是因为毛细管网散热末端主要以对流和辐射的方式进行热量交换，这样在对流场的温度场中也存在一个温度边界层，该层很薄，且其中温度梯度很大。

图12 不同工况下13个点垂直方向0～1.5 m处的 温度点线图Fig.12 Temperature point line at 0～1.5 m in vertical direction of 13 points under different working conditions

同时可以看出四种敷设工况下,垂直于X轴点垂直方向0.1～1.5 m处温度分布于15～20 ℃，垂直于Y轴点垂直方向0.1～1.5 m处温度在16 ℃以上，这是由于蒙古包内毛细管网席距门两侧一定距离对称敷设，而室外风主要是通过门窗缝隙渗透通风，此小开口渗透通风的特点是：在开口的截面上风速分布均匀，且在很短的时间内，整个开口处的风向是一致的。这种小开口渗透通风的现象使得温度呈现出室内人员活动区垂直于X轴方向的温度在16 ℃左右，垂直于Y轴方向的温度在16 ℃以上。继而从图12中可以看出，竖直方向敷设毛细管网席在0.1 m处人的脚踝处，蒙古包内的温度在15 ℃不满足规范要求，而对于地面敷设，0.1～1.5 m蒙古包内温度均在17 ℃以上，造成这种现象的原因除了与辐射角系数、发射率有关外，还与地面与墙体结构表层材料的传热系数有关。但四种敷设工况0.1～1.1 m的垂直温差均在3 ℃以内。

4.2 蒙古包风速云图分析

四种模拟工况的室内气流组织大致相同，模拟的送风口与出风口相同。地面敷设以及距地0.5 m处敷设的风速云图如图13所示。因此选取该图作为参考，可以看出蒙古包内人员活动区域的风速在0.1 m/s以下，无吹风感。

Z为主毛细管网竖向敷设位置(高度)；Z1～Z3为 模拟模型取云图的高度图13 风速云图Fig.13 Wind velocity nephogram

综合考虑室内水平方向的平均温度、室内人员活动区的平均温度、竖直方向的温度差、吹风感等，四种敷设方式下只有敷设在地板时满足相关规范的要求。对于湿度的控制，可以选择温、湿度独立控制的理念，来保证蒙古包内温、湿度比的随时调整。而根据牧民的生活习性，牧民在蒙古包内通常盘腿坐在垫子或者用草编织的床上，垫子与床的高度大约在0.3 m，按照这种生活习性，牧民可以根据自己的期望温度来选择合适的安装位置。

5 总结

针对前期现场实测分析发现的蒙古包这一传统民居的热缺陷，尝试用毛细管网辐射散热末端来提升蒙古包内热环境品质。采用CFD模拟软件对不同敷设位置、温度场、风速场等指标进行分析得出如下结论。

(1)对于类似蒙古包的建筑，采用地面敷设毛细管网这一辐射供暖形式时，蒙古包内热环境各项指标符合规范要求，整个室内空间垂直、水平方向温度分布较为均匀，与传统的点热源相比，室内人员主要活动区域热舒适度得到明显提升。

(2)对毛细管网在蒙古包内的不同敷设位置进行数值模拟，结果表明，最佳的敷设位置为地面，其次为竖向敷设，敷设高度为Z=0.3 m，当Z=0 m、Z=0.5 m时热舒适度和温度均匀性较差，不建议在此位置敷设毛细管网席。

在相同供回水温度下，地面敷设毛细管网的末端温度要高于竖向围护结构敷设毛细管网，建议根据用户热需求和具体敷设形式适当调整供回水温度达到节能目的。