農(nóng)村住宅夜間3種床/炕加熱方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究

劉嘉楠 劉艷峰 李濤 王登甲 陳耀文

摘 要：提出一種新型熱盤(pán)管炕作為夜間采暖方式，與村鎮(zhèn)普遍使用的火炕、電熱毯在被褥熱環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境方面的差異進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn)，電熱毯采暖響應(yīng)速度快，但被褥熱均勻性差，供熱能力有限，無(wú)法保障室內(nèi)溫度；火炕采暖響應(yīng)速度較快，但被褥溫度保障時(shí)間短、可調(diào)節(jié)性差，室內(nèi)存在煙氣，CO2濃度超標(biāo)；熱盤(pán)管炕采暖響應(yīng)速度一般，但被褥溫度分布均勻，溫度穩(wěn)定后人體熱舒適區(qū)占比可達(dá)80%以上，且室內(nèi)環(huán)境良好。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村地區(qū)；熱盤(pán)管炕；被褥溫度；室內(nèi)熱環(huán)境；熱舒適性

中圖分類號(hào)：TU832.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1674-4764（2018）04-0048-07

Abstract：A new type of night heating method， known as Hot Tube Chinese Kang， is compared with wide-spread conventional heated kang as well as electric blankets in villages and towns， through contrast experiment which provides exactly same control variables in terms of building dimensions. After a comparative analysis regarding bedding temperature， indoor environment， and other aspects， the results illustrate： the electric blanket has a rapid response of heating， however， due to the poor thermal uniformity of bedding and limited heating capacity， the indoor temperature cannot be guaranteed. The response speed of heating of heated kang is faster， but the time for temperature protection of bedding is short， the adjustability is poor and the concentration of carbon dioxide exceed hot tube Chinese kang promise the bedding thermal homogeneity that comfort zone accounted for more than 80%， also generate moderate indoor environment.

Keywords：rural areas； hot tube Chinese kangs； bedding temperature； indoor thermal environment； thermal comfort

中國(guó)西北地區(qū)冬季寒冷漫長(zhǎng)，絕大多數(shù)農(nóng)村住宅熱工條件差，冷風(fēng)滲透嚴(yán)重，室內(nèi)熱環(huán)境惡劣[1-3]，村鎮(zhèn)居民的冬季采暖仍處于較落后狀態(tài)，尤其是夜間，室內(nèi)空氣溫度和被褥溫度更低，使居住者在漫長(zhǎng)的冬季長(zhǎng)期處于不舒適的狀態(tài)[4-5]。因此，村鎮(zhèn)居民冬季睡眠的熱舒適度有待提高。

夜間睡眠的熱舒適度不能完全由室內(nèi)溫度的高低來(lái)評(píng)價(jià)，除室內(nèi)操作溫度外，床上被褥的微氣候熱環(huán)境對(duì)人體睡眠熱舒適度也有較大影響[6]。夜間覆蓋被子睡覺(jué)時(shí)，被褥將人體與室內(nèi)熱環(huán)境隔絕，與室內(nèi)熱環(huán)境相比，睡眠質(zhì)量和睡眠熱舒適度更受被褥微氣候的影響[7-9]。村鎮(zhèn)居民現(xiàn)行的夜間采暖方式主要有火炕、電熱毯、火爐、電暖氣等。火炕是村鎮(zhèn)最為普遍的采暖方式，在中國(guó)西北地區(qū)有高達(dá)85%的居民使用[10-11]。但火炕污染嚴(yán)重，并影響室內(nèi)空氣質(zhì)量，在夜間使用不具有可調(diào)性。端木琳等 [12]也指出，火炕雖使用歷史悠久，但仍存在溫度不均勻、不好燒、涼得快、熱效率低等問(wèn)題。電熱毯升溫快、操作方便簡(jiǎn)單、能耗低，近些年被廣大村鎮(zhèn)居民普遍使用，但其被褥環(huán)境有“背燙肚涼”的特點(diǎn)，舒適度較差，安全性方面，易引發(fā)火災(zāi)，發(fā)生熱阻絲斷裂等情況[13]，限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。

針對(duì)已有村鎮(zhèn)夜間采暖方式的不足，提出一種新型低溫?zé)崴P(pán)管炕。在現(xiàn)有火炕主體的基面上布置熱水盤(pán)管，通低溫?zé)崴纯蛇_(dá)到供熱效果。為了對(duì)比3種夜間采暖方式，采用實(shí)驗(yàn)方法分析其供熱特性及規(guī)律，基于被褥熱環(huán)境、室內(nèi)熱環(huán)境、空氣質(zhì)量等參數(shù)，綜合評(píng)價(jià)3種夜間采暖方式。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 基本情況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省寶雞市某村，氣候?qū)俸洌ˋ）區(qū)，冬季室外晝間平均溫度為8 ℃，夜間平均溫度為-1 ℃。2017年2月5日—6日對(duì)一戶單層住宅進(jìn)行夜間采暖方式的性能測(cè)試，建筑平面圖及外景圖如圖1、圖2所示。建筑坐北朝南，選擇構(gòu)造相同的3間臥室作為實(shí)驗(yàn)房間，高為2 500 mm，均設(shè)有相同尺寸的火炕。建筑外墻為350 mm土坯墻，內(nèi)墻為120 mm紅磚墻，內(nèi)外均涂20 mm膩?zhàn)訉?；屋面?0 mm木質(zhì)吊頂與50 mm頂瓦層；房間門(mén)為30 mm單層木門(mén)，尺寸為900 mm×2 000 mm；外窗為4 mm單層玻璃木窗，尺寸為1 200 mm×1 200 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒘鞒碳肮r

1.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?為了對(duì)3種村鎮(zhèn)采暖方式進(jìn)行數(shù)值分析，考察炕面盤(pán)管床的可行性，并為村鎮(zhèn)夜間采暖方式的改進(jìn)與優(yōu)化提供可靠依據(jù)，實(shí)驗(yàn)采用對(duì)比分析的方法，從被褥溫度分布、室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)空氣質(zhì)量等方面對(duì)常見(jiàn)的火炕、電熱毯及新型炕面盤(pán)管這3種適用于村鎮(zhèn)的夜間采暖方式進(jìn)行綜合性能分析。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程 根據(jù)西北居民行為軌跡規(guī)律[14]，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用褡飨⑦M(jìn)行綜合考慮，實(shí)驗(yàn)時(shí)間選為18：00至次日8：00。實(shí)驗(yàn)前期，在炕面上分別鋪設(shè)一張與炕面尺寸相同的棉質(zhì)褥面，并在褥面中央鋪設(shè)2 000 mm×1 500 mm的棉質(zhì)被面，以模擬夜間睡眠情況。將各儀器編號(hào)后進(jìn)行布置，溫度測(cè)點(diǎn)置于被褥之間，溫濕度及CO2記錄儀置于房間中央，高出地面1.2 m。測(cè)試參數(shù)及對(duì)應(yīng)儀器見(jiàn)表1，溫度測(cè)點(diǎn)具體布置見(jiàn)圖3，儀器實(shí)物布置見(jiàn)圖4。

實(shí)驗(yàn)期間同時(shí)開(kāi)啟電熱毯、炕面盤(pán)管的電熱鍋爐并進(jìn)行火炕點(diǎn)火。測(cè)量參數(shù)包括被褥溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)CO2濃度。測(cè)量結(jié)束，分析比較被褥溫度變化規(guī)律，進(jìn)行方差計(jì)算與舒適溫度占比計(jì)算，以便綜合評(píng)價(jià)3種夜間采暖方式的熱舒適性，并對(duì)比3個(gè)房間的室內(nèi)熱環(huán)境與空氣質(zhì)量。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)工況 電熱毯實(shí)驗(yàn)房間在床鋪中央布置一張TT150×120-4XA型雙人電熱毯，尺寸為1 500 mm×1 200 mm，額定功率100 W；火炕房間火炕為一普通式落地炕，燃料為秸稈，填料口設(shè)于南外墻上，位于外窗之下；盤(pán)管炕房間在普通火炕基面上進(jìn)行改造，將200 mm間距的PE-X熱水盤(pán)管回折布置于炕面之上，從炕面向上依次為：5 mm防潮層、30 mm聚苯乙烯泡沫塑料板絕熱層、1 mm鋁箔保護(hù)層、低碳鋼絲網(wǎng)固定層、30 mm熱惰性較低的砂石混凝土填充層及5 mm水泥砂漿找平層，四周采用抹灰與密封膏密封，熱水由電熱鍋爐提供。實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表2 。

2 結(jié)果與討論

2.1 被褥熱環(huán)境對(duì)比分析

2.1.1 被褥溫度分布特征 3種夜間采暖方式被褥各測(cè)點(diǎn)溫度分布如圖5所示。圖5（a）表明，電熱絲升溫快的特點(diǎn)使電熱毯響應(yīng)速度較快，但表面溫度根據(jù)電熱絲密集程度不同存在較大差異，各測(cè)點(diǎn)溫度曲線分布松散，溫度區(qū)間較大，由于電熱毯橫向?qū)崮芰^差，各部分溫度達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程中并未趨于一致。圖5（b）表明，火炕直接由煙氣加熱但熱慣性較小，使得溫度上升與下降的速度都較快，溫度分布隨著煙氣進(jìn)入的方向遞減，溫度曲線比較松散，各處表面溫度隨著燃燒的進(jìn)行與退火過(guò)程逐漸趨于一致。同時(shí)，火炕具有持續(xù)供熱能力不足的特點(diǎn)，存在溫度波動(dòng)，點(diǎn)火4 h后溫度開(kāi)始下降，一次填料無(wú)法滿足整晚的夜間采暖需求。圖5（c）表明，由于需要對(duì)水進(jìn)行預(yù)熱升溫，熱盤(pán)管炕的響應(yīng)速度一般，需4 h加熱溫度才能基本穩(wěn)定，但其供熱能力平穩(wěn)，升溫過(guò)程平緩，不存在溫度波動(dòng)，溫度曲線密集，各處溫度基本一致。

2.1.2 被褥溫度均勻性對(duì)比分析 利用標(biāo)準(zhǔn)差值σ進(jìn)一步評(píng)價(jià)3種夜間采暖方式炕面溫度的均勻程度，σ為各測(cè)點(diǎn)溫度與炕面均溫差值的平均數(shù)，計(jì)算公式為

用式（1）可計(jì)算得到3種夜間采暖標(biāo)準(zhǔn)差σ值的變化曲線，如圖6所示。電熱毯在各時(shí)刻的σ值始終最大且曲線陡直，可見(jiàn)電熱毯在空間及時(shí)間上，熱均勻性始終較差，且隨著電熱毯各處溫度趨于穩(wěn)定，均勻性會(huì)更差；火炕σ值總體較大，熱均勻性一般，不均勻階段主要集中于加熱過(guò)程，σ值隨退火降溫而減小，炕面溫度會(huì)逐漸趨于一致；熱盤(pán)管炕的熱均勻性優(yōu)于其他兩種采暖方式，σ值始終處于較低水平，曲線平緩。

2.1.3 舒適度分析 被褥有取暖的情況下，人體認(rèn)為舒適的被褥溫度為27.0～32.0 ℃[15-17]。為了分析各采暖方式溫度分布的舒適狀況，以2 h為一個(gè)時(shí)間區(qū)間，計(jì)算3種采暖方式分別在≤20 ℃、20～27 ℃、27～32 ℃（舒適區(qū)）、32～40 ℃、≥40 ℃各溫度區(qū)間的占比，如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，電熱毯溫升較快，但舒適區(qū)溫度占比較低，橫向?qū)崮芰Σ?，使得溫度平穩(wěn)后溫度基本處于非舒適區(qū)，出現(xiàn)高溫、低溫的兩級(jí)分區(qū)，熱舒適性差；火炕溫升較平緩，但存在溫度波動(dòng)，溫度平穩(wěn)后為50%左右的舒適溫度區(qū)與大部分的高溫不舒適區(qū)，溫度整體偏高，舒適度較好；熱盤(pán)管炕溫升速度一般，但溫升平緩，且?guī)缀鯖](méi)有溫度波動(dòng)，開(kāi)啟2 h后出現(xiàn)舒適溫度區(qū)，之后熱舒適度優(yōu)于其他兩種采暖方式，可迅速地大范圍進(jìn)入舒適溫度區(qū)，溫度平穩(wěn)后舒適區(qū)占比可達(dá)80%。

熱盤(pán)管床溫度平穩(wěn)后，除大部分舒適區(qū)外，始終存在20%左右占比高于舒適區(qū)，出現(xiàn)局部過(guò)熱情況。因此，存在降低熱盤(pán)管床進(jìn)口水溫，改進(jìn)工況以使舒適區(qū)范圍擴(kuò)大的可能。對(duì)熱源水溫要求降低的同時(shí)，存在利用可再生能源提供低溫?zé)崴_(dá)到節(jié)能的可能。

2.2 室內(nèi)環(huán)境對(duì)比分析

2.2.1 溫度對(duì)比 圖8為測(cè)試期間的室內(nèi)、外溫度變化情況。由圖8可知，3個(gè)房間室內(nèi)空氣平均溫度均高于室外約5 ℃以上，但3個(gè)房間的室內(nèi)溫度之間存在明顯差異。電熱毯供熱能力有限，熱傳遞過(guò)程局限于被褥范圍內(nèi)，對(duì)室內(nèi)空氣溫度幾乎無(wú)溫升作用，始終處于6 ℃以下。火炕直接由煙氣加熱、熱慣性較小，可通過(guò)炕面及側(cè)面炕體直接向室內(nèi)散熱，使室內(nèi)溫度提升作用較明顯，且反應(yīng)迅速，室內(nèi)溫度基本滿足人體夜間被褥有加熱時(shí)最低7 ℃的舒適室溫要求[13]。熱盤(pán)管炕通過(guò)熱水盤(pán)管炕面向室內(nèi)散熱，由于存在預(yù)熱過(guò)程，溫度呈逐漸上升的趨勢(shì)，但熱盤(pán)管炕對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的溫升作用明顯，室內(nèi)溫度可達(dá)到9 ℃左右。

2.2.2 室內(nèi)空氣品質(zhì)分析 圖9為測(cè)試期間室內(nèi)CO2濃度變化情況。結(jié)合圖9，以CO2、煙氣濃度為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行分析。電熱毯房間與熱盤(pán)管炕房間無(wú)CO2排放，室內(nèi)空氣質(zhì)量良好。火炕房間的CO2濃度明顯高于其他兩種采暖方式，且室內(nèi)CO2濃度出現(xiàn)了超出國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[18]規(guī)定的1 000×10-6的情況。由于火炕密封不嚴(yán)，未設(shè)煙囪及填料口位于外窗之下等原因，測(cè)試過(guò)程中房間里存在煙氣嚴(yán)重，衛(wèi)生條件差的情況?？梢?jiàn)，使用火炕存在CO2濃度超標(biāo)的可能性。

2.3 3種方式綜合對(duì)比討論

由表3可知，電熱毯與火炕兩種采暖方式在被褥溫度方面基本可滿足冬季睡眠采暖要求，但其舒適性不高，其中電熱毯無(wú)法達(dá)到室內(nèi)熱環(huán)境最低要求；火炕室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)。熱盤(pán)管炕的被褥熱舒適性及室內(nèi)熱環(huán)境顯著優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)采暖方式，有利于改善村鎮(zhèn)夜間采暖狀況。

3 結(jié)論

通過(guò)3種夜間采暖方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析得到以下結(jié)論：

1）熱盤(pán)管炕溫升平緩，溫度分布均勻穩(wěn)定，熱舒適區(qū)占比高于其他兩種傳統(tǒng)采暖方式，熱舒適度占優(yōu)。相比于熱盤(pán)管炕，火炕熱慣性較小，供熱時(shí)間不足；電熱毯溫度均勻性差，使用中存在“背熱肚涼”的情況。

2）熱盤(pán)管炕溫度平穩(wěn)時(shí)的溫度分布為80%舒適區(qū)及20%高溫不舒適區(qū)，可見(jiàn)在供回水溫度為50 ℃/46 ℃，流量為490 kg/h的工況下運(yùn)行時(shí)，炕面有局部過(guò)熱情況，對(duì)熱源水溫要求降低的同時(shí)，存在進(jìn)一步擴(kuò)大舒適區(qū)和節(jié)能的可能。根據(jù)到達(dá)舒適溫度的時(shí)間，推薦火炕在睡眠前2.5 h點(diǎn)火，熱盤(pán)管炕在睡眠前3.5 h開(kāi)啟為最佳。

3）3個(gè)房間室內(nèi)空氣平均溫度均高于室外約5 ℃以上，熱盤(pán)管炕對(duì)室內(nèi)溫度的影響最為明顯，使室溫由5 ℃上升至9 ℃。火炕對(duì)室內(nèi)溫度也有一定影響，但火炕房間的室內(nèi)空氣質(zhì)量與衛(wèi)生條件較差，存在CO2濃度超標(biāo)的情況。

4）結(jié)合熱盤(pán)管炕的高舒適性，及易于安裝，只需在普通火炕基面上進(jìn)行簡(jiǎn)單施工即可實(shí)現(xiàn)，熱盤(pán)管炕在村鎮(zhèn)地區(qū)存在推廣的可行性。為了進(jìn)一步推廣，可采用更加合理的運(yùn)行方式以達(dá)到節(jié)能的目的，并克服其響應(yīng)速度不足的缺點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] YANG X D， JIANG Y， YANG M， et al. Energy and environment in Chinese rural housing： Current status and future perspective [J]. Frontiers in Energy， 2010， 1（4）： 35-46.

[2] ZHU Y Y， BAI L， SANG G C， et al. Improvement and analysis of the winter thermal environment of rural civilian dwellings in northwestern area of China [C] // International Conference on Sustainable Energy and Environmental Engineering，2015，Zurich，Switzerland.

[3] 朱軼韻，劉加平. 西北農(nóng)村建筑冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（Sup2）：400-403.

ZHU Y Y， LIU J P. Research on the indoor thermal environment of rural architecture in winter in northwestern areas [J]. China Civil Engineering Journal， 2010， 43（Sup2）： 400-403. （in Chinese）

[4] 趙云兵.寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅冬季室內(nèi)熱環(huán)境研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

ZHAO Y B. Study on rural residential winter indoor heat environment in cold area [D]. Xi'an： Xi'an University of Architecture and Technology， 2013. （in Chinese）

[5] LIU P C， SANG G C， ZHAO Q， et al. Measurement and study on winter indoor thermal environment of civilian dwelling in south rural areas of Shaanxi Province [J]. Waste & Biomass Valorization， 2016， 6（6）： 1077-1084.

[6] LIU Y F， SONG C， WANG Y Y， et al. Experimental study and evaluation of the thermal environment for sleeping [J]. Building and Environment， 2014， 82： 546-555.

[7] OKAMOTO-MIZUNO K， TSUZUKI K. Effects of season on sleep and skin temperature in the elderly [J]. International Journal of Biometeorology， 2010， 54： 401-409.

[8] LI L， LI P， LIAN Z W. Experimental study on thermal comfort of sleeping people at different air temperatures [J]. Building and Environment， 2014， 73（1）： 24-31.

[9] LI P， LIAN Z W， LI L. Investigation of gender differences in sleeping comfort at different environmental temperatures [J]. Indoor & Built Environment， 2012， 21（6）： 811-820.

[10] ZHUANG Z， LI Y G， CHEN B. Chinese kang as a domestic heating system in rural northern China：A review [J]. Energy and Buildings， 2009， 41：111-119.

[11] ZHANG X Y， CHEN B， ZHAO J R. Optimization of thermal performance in a Chinese traditional heating system： Burning cave [J]. Energy and Buildings， 2014， 68（1）：423-431.

[12] 趙洋，端木琳，王宗山，等.火墻式火炕熱工性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 建筑科學(xué)，2010，26（2）：29-36.

ZHAO Y， DUAN M L， WANG Z S， et al. Experimental study on the thermal performance of hot-wall type kang [J]. Building Science， 2010， 26（2）： 29-36. （in Chinese）

[13] 許建平，羅忠寶. 智能安全電熱毯技術(shù)初探[J]. 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，28（5）：70-72.

XU J P， LUO Z B. Technology of intelligent security electric blankets [J]. Journal of Jilin Teachers Institute of Engineering and Technology， 2012， 28（5）： 70-72. （in Chinese）

[14] 王世棟.西北鄉(xiāng)村居民冬季行為模式與室內(nèi)熱環(huán)境關(guān)系研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

WANG S D. The research of the relationship between northwest rural residents behavior patterns and indoor thermal environment in winter [D]. Xi'an： Xi'an University of Architecture and Technology， 2014. （in Chinese）

[15] WANG Y Y， LIU Y F， SONG C， et al. Appropriate indoor operative temperature and bedding micro climate temperature that satisfies the requirements of sleep thermal comfort [J]. Building and Environment， 2015， 92： 20-29.

[16] 李凈，劉艷峰，宋聰，等.西北民居冬季睡眠被褥微氣候研究[J].建筑科學(xué)，2016，32（2）：65-69.

LI J，LIU Y F， SONG C， et al. Winter bedding microclimate in rural houses in northwest China [J]. Building Science， 2016， 32（2）： 65-69. （in Chinese）

[17] 王興衛(wèi)， 劉艷峰，宋聰，等.冬季室內(nèi)熱環(huán)境與被褥微氣候的匹配[J].土木建筑與環(huán)境工程，2016，38（2）：91-96.

WANG X W， LIU Y F， SONG C， et al. Matching of indoor thermal environment and bed climate in winter [J]. Journal of Civil， Architectural & Environmental Engineering， 2016， 38（2）： 91-96. （in Chinese）

[18] 室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)： GB/T 18883—2002 [S]. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2003.

Indoor air quality standards： GB/T 18883-2002 [S]. Beijing： Standards Press of China， 2003. （in Chinese）

（編輯 胡英奎）