電熱膜采暖系統(tǒng)蓄放熱特性與室內(nèi)熱環(huán)境研究

謝亞軍 白葉飛 唐汝寧 許國強

1 內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院

2 內(nèi)蒙古工業(yè)大學建筑學院

0 引言

國內(nèi)外學者對電熱膜采暖進行了大量的研究。Qu等[1、2]通過實驗測試和仿真模擬給出了低溫熱水地板和電加熱地板的系統(tǒng)分析。Qi 等[3、4]分別測試了不同類型房間的輻射采暖地板的傳熱性能。殷昊[5]設(shè)計了不同電熱膜并對其電熱性能進行測試。張海玲等[6、7]通過數(shù)值模擬電熱膜采暖的傳熱特性，得出最佳保溫材料，并對比集中供暖，得到電熱膜采暖更具經(jīng)濟性。

高分子電熱膜采暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層蓄放熱特性以及室內(nèi)熱舒適性需進一步研究，本文利用人工氣候室，搭建了電熱膜采暖系統(tǒng)和電散熱器采暖系統(tǒng)，分析電熱膜采暖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層傳熱特性，進行兩種供暖系統(tǒng)在供熱期、穩(wěn)定期、間歇期的室內(nèi)熱環(huán)境和人體熱舒適性對比研究。為嚴寒地區(qū)電熱膜采暖系統(tǒng)運行提供一定的依據(jù)。

1 實驗介紹

1.1 實驗系統(tǒng)

電熱膜采暖系統(tǒng)和電散熱器采暖系統(tǒng)均位于內(nèi)蒙古工業(yè)大學人工氣候室內(nèi)。人工氣候室為架空的雙層小室，內(nèi)部實驗小室六個面采用制冷機組進行冷卻，小室尺寸為4 m×4 m×2.8 m，外部隔離小室為聚氨酯板小室，尺寸為5.2 m×5.2 m×4.3 m，實際傳熱系數(shù)為0.2 W/(m2·K)。在人工氣候室的東面有一扇高為2.5 m，寬為1 m 的聚氨酯板門，無窗戶。在實驗進行過程中門處于緊閉狀態(tài)。

實驗系統(tǒng)搭建在內(nèi)部實驗小室，主要包括電熱膜結(jié)構(gòu)層，溫控系統(tǒng)及電路系統(tǒng)等。如圖1 所示電熱膜采暖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層里面保溫層選用30 mm 厚的擠塑聚苯乙烯板，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/(m2·K)。電熱膜選用3條3.6 m×0.5 m 的高分子電熱膜，其單位功率為175 W/m2，總功率為945 W。保護層為聚乙烯塑料薄膜，蓄熱層為30 mm 混凝土預(yù)制板，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.51 W/(m2?K)，蓄熱系數(shù)（周期24 h）為15.36 W/(m·K)。電路系統(tǒng)上設(shè)有單獨的單相電子式電能表、漏電保護器以及室溫溫控器，在電散熱器采暖系統(tǒng)中所使用的散熱器為950 W的格力油汀取暖器。

圖1 電熱膜采暖系統(tǒng)物理模型

1.2 實驗測點布置

實驗中在保溫層下面，電熱膜層上面以及蓄熱層上面分別布置9 個溫度傳感器和5 個熱流密度計片，電熱膜及實驗測點布置見圖2（a）。

圖2 結(jié)構(gòu)層測點布置圖

室內(nèi)熱環(huán)境實驗布點采用人工氣候室原有實驗布點，實驗布點如圖3，其詳細位置及精度見表1，人工氣候室共布置溫度測點19 個。結(jié)構(gòu)層測點溫度傳感器為Pt100 鉑電阻，其測量精度為±0.2 ℃。熱流密度計片測量范圍為0～2 000 W/m2，測量精度為±4%。共使用溫度傳感器27 個，熱流密度計片15 個，數(shù)據(jù)采集使用建通科技JTNT-C，設(shè)置記錄時間為10 分鐘每次。人工氣候室實驗熱環(huán)境測點數(shù)據(jù)采集利用溫度巡檢儀進行，記錄時間為10 分鐘每次。

圖3 人工氣候室測點布置圖

表1 人工氣候室測點及不確定度

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)層溫度及室溫分布

在電熱膜采暖系統(tǒng)供熱期間，由于溫控器的設(shè)置，供熱系統(tǒng)狀態(tài)包括升溫期，穩(wěn)定期和間歇期。溫控器設(shè)置溫度為20 ℃，其精度為±1 ℃。結(jié)構(gòu)層的溫度由布置在該結(jié)構(gòu)層的9 個溫度測點平均得來。人工氣候室內(nèi)溫度降至5 ℃后進行加熱，電熱膜層會分別向下傳遞到保溫層和樓板、向上傳遞到蓄熱層和室內(nèi)空氣。在系統(tǒng)升溫期時電熱膜發(fā)熱功率穩(wěn)定，各結(jié)構(gòu)層溫度變化如圖4。電熱膜層在運行100 min 后溫度達到40 ℃以上，在隨后的時間內(nèi)其升溫速率變慢，蓄熱層表面溫度響應(yīng)較快，溫度變化具有一致性，這是由于蓄熱層的導(dǎo)熱系數(shù)較大，熱阻較小。地面溫度和空氣溫度響應(yīng)較慢，且地面溫度與空氣溫度相差較小。這是由于電熱膜的反向傳熱量比較大，應(yīng)該增加保溫層的厚度以減少反向傳熱。

圖4 升溫期各結(jié)構(gòu)層及室內(nèi)溫度

當電熱膜運行到440 min 時，此時室溫達到21.2 ℃，由于溫控器的限制，電熱膜停止運行，電熱膜的溫度開始迅速下降，在450 min 時，地面溫度和蓄熱層表面溫度均達到最大值。此時空氣溫度仍在上升，在470 min 時，空氣溫度達到最大值，為22.6 ℃。這是由于在加熱過程中蓄熱層儲存了一定的熱量，在電熱膜層停止加熱后，蓄熱層仍可向室內(nèi)空氣散發(fā)熱量。

穩(wěn)定期運行時各結(jié)構(gòu)層溫度及室內(nèi)溫度如圖5所示。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期內(nèi)，室內(nèi)空氣溫度最低為18.52 ℃，最高溫度為21.62 ℃，最大差值為3.10 ℃。此溫差超過溫控器實際精度，主要是由于蓄熱層具有一定的蓄熱能力，在電熱膜停止運行后仍會放出一定的熱量，放熱時間為30 min。通過選用精度更高的溫控器會實現(xiàn)較小的溫度波動，從而提高室內(nèi)人員的舒適性。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，室外溫度設(shè)置為-15 ℃，在測試的370 min 內(nèi)，電熱膜實際運行時間為160 min，在運行過程中啟動1 次，停止1 次，耗電量為2.5 度。在穩(wěn)定期運行中電熱膜最高運行溫度為49.4 ℃，低于升溫期的最高運行溫度52.1 ℃，電熱膜層運行60 min 便可達到40 ℃以上。這是由于在穩(wěn)定期內(nèi)室內(nèi)的溫度比較高。

圖5 穩(wěn)定期各結(jié)構(gòu)層及室內(nèi)溫度

2.2 電散熱器采暖系統(tǒng)

電散熱器采暖系統(tǒng)使用的散熱器為950 W 的格力油汀取暖器。其尺寸為480 mm×145 mm×620 mm，放置在人工氣候室左側(cè)，距左側(cè)墻壁0.5 m。實驗測點布置如表1。在實驗中將人工氣候室溫度降至5 ℃，通過對比圖6 采暖系統(tǒng)的溫升曲線，電熱膜采暖系統(tǒng)加熱至室溫18 ℃需290 min，電散熱器采暖系統(tǒng)加熱至室溫18 ℃需250 min。相同功率下，電散熱器采暖系統(tǒng)升溫速率大于電熱膜采暖系統(tǒng)，這是由于電散熱器通過對流換熱直接加熱空氣，而電熱膜采暖系統(tǒng)需要通過熱傳導(dǎo)到蓄熱層后再輻射加熱室內(nèi)空氣，此時的蓄熱層也會吸收一部分熱量，導(dǎo)致電熱膜采暖系統(tǒng)加熱速率小于電散熱器采暖系統(tǒng)。

圖6 采暖系統(tǒng)升溫曲線

2.3 室內(nèi)熱環(huán)境分析

通過在人工氣候室對兩種不同電采暖方式的對比，進行室內(nèi)熱環(huán)境的分析，包括室內(nèi)垂直溫度分布，室內(nèi)水平溫度分布，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度分布和室內(nèi)人員熱舒適性。

在實驗中，人工氣候室空氣的溫度從10 ℃加熱至18 ℃，分別選取0.05 m，0.5 m，1.5 m 和2.75 m 4 個高度進行分析，電熱膜采暖系統(tǒng)房間如圖7（a）可以看出在升溫過程中4 個溫度測點變化趨勢基本一致，從地面到屋頂溫度分布呈負梯度分布，在0.05 m 到2.75 m的范圍內(nèi)溫度差值不超過1.1 ℃，溫度梯度在-0.4 ℃/m以內(nèi)，室內(nèi)人員腳部到肩部溫差不超過0.8 ℃，且腳暖頭涼，適合人員居住生活。電散熱器采暖系統(tǒng)房間如圖7（b）可以看出在升溫過程中4 個溫度測點變化趨勢基本一致，從地面到屋頂溫度分布呈梯度分布，在0.05 m 到2.75 m 的范圍內(nèi)溫度差值不超過4.3 ℃，隨著室內(nèi)溫度從10 ℃到18 ℃的過程中，溫度差值在逐漸增大，最終差值穩(wěn)定在4.2 ℃。房間溫度梯度為1.6 ℃/m 以內(nèi)，室內(nèi)人員腳部到肩部溫差在升溫過程中逐漸增大，最終溫差穩(wěn)定為3.5 ℃，在室內(nèi)溫度達到18℃時，此時腳部溫度為16 ℃，腳部溫度偏低，頭部溫度偏高，頭熱腳涼，影響人體的熱舒適性。

圖7 不同采暖系統(tǒng)室內(nèi)垂直溫度分布

不同采暖系統(tǒng)人工氣候室室內(nèi)溫度18 ℃時在0.75 m 和1.5 m 處水平溫度分布如圖8 所示，電散熱器放置于人工氣候室左側(cè)。電熱膜采暖系統(tǒng)在0.75 m和1.5 m 處水平溫差均＜0.5 ℃，而電散熱器采暖系統(tǒng)在0.75 m 和1.5 m 處水平溫差均＜0.4 ℃，且在1.5 m處水平溫差＜0.2 ℃。根據(jù)以上溫度測點，引進瞬時室內(nèi)溫度均勻度，其計算式為

圖8 不同采暖系統(tǒng)室內(nèi)水平溫度分布

式中：TS,j為第i 時刻的瞬時溫度均勻度，℃；Mj為室內(nèi)溫度測點總數(shù)；tj為檢測點j 的瞬時溫度，℃；tb為所有測點的瞬時平均溫度，℃。

選取A、B、C、D、O 五個位置共13 個測點進行瞬時溫度均勻度的計算，其中電熱膜采暖系統(tǒng)所有測點的瞬時平均溫度為17.78 ℃，其瞬時溫度均勻度為0.28 ℃；電散熱器采暖系統(tǒng)所有測點的瞬時平均溫度為18.37 ℃，其瞬時溫度均勻度為1.23 ℃，兩種采暖系統(tǒng)的瞬時溫度均勻度均小于2 ℃，滿足人體熱舒適性要求，但是電熱膜采暖系統(tǒng)的溫度均勻度要小，會使人體感到更加的舒適。

選取室內(nèi)溫度為18 ℃時兩種不同采暖系統(tǒng)的壁面溫度進行分析，如圖9 所示，其中N 為小室北墻、S為南墻、E 為東墻、W 為西墻、T 為屋頂。在電熱膜采暖系統(tǒng)中屋頂?shù)臏囟雀哂谄渌? 個面，其溫差均＜0.7 ℃，其余4 個面溫度相近。在開門側(cè)的西墻溫度會比東墻溫度低，這是由于門的傳熱系數(shù)較大。在電散熱器采暖系統(tǒng)中屋頂?shù)臏囟让黠@高于其它4 個面，且其溫差相差較大，為1.3 ℃，這會加大室內(nèi)人員的不舒適性。在其余4 個面中，以北墻的溫度最高，這是由于電散熱器放置在距北墻0.5 m 處。

圖9 不同采暖系統(tǒng)室內(nèi)壁面溫度分布

室內(nèi)人員熱舒適性的研究對于冬季供暖房間有很大的意義，通過對比兩種電供暖方式進行人員熱舒適性評價。電熱膜供暖系統(tǒng)的水平溫度分布梯度比電散熱器供暖系統(tǒng)要小，且滿足腳暖頭涼，舒適性會更好，與此同時本文會借助PMV-PPD 評價體系進行評價，PMV 取值-0.75～0.75，即允許有20%人群不滿意。

室內(nèi)人員在家中一般為靜坐或輕體力活動，取人體代謝率為1.2 Met，冬季室內(nèi)服裝熱阻取1.2 clo，在電熱膜采暖系統(tǒng)和電散熱器采暖系統(tǒng)中室內(nèi)風速均取0.1 m/s，冬季室內(nèi)濕度會比較低，取40%。得到電熱膜采暖系統(tǒng)的適宜溫度為18.2～21.4 ℃，而電散熱器采暖系統(tǒng)的適宜溫度為18.7～22.0 ℃。在電熱膜采暖系統(tǒng)中室內(nèi)溫度可比電散熱器采暖系統(tǒng)中降低0.5 ℃。

3 結(jié)論

本文通過建立在人工氣候室內(nèi)的電熱膜采暖系統(tǒng)進行傳熱分析，并與電散熱器采暖系統(tǒng)進行對比，分析不同電采暖系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境與人員熱舒適性的影響，得出以下結(jié)論：

1）電熱膜采暖系統(tǒng)在升溫期時室內(nèi)空氣溫度的變化滯后電熱膜層溫度變化30 min。在穩(wěn)定期時室內(nèi)溫度波動為3.1 ℃，符合人體熱舒適性要求。

2）電熱膜采暖系統(tǒng)與電散熱器采暖系統(tǒng)相比，室內(nèi)空氣溫度升溫速率較慢。電散熱器采暖系統(tǒng)可提前約50 min 讓室內(nèi)溫度達到18.0 ℃。

3）電熱膜采暖系統(tǒng)垂直溫度梯度在-0.4 ℃/m 以內(nèi)，溫度變化比較平緩，水平溫度分布均勻。電散熱器采暖系統(tǒng)垂直溫度梯度為1.6 ℃/m 以內(nèi)，水平溫度分布均勻。電熱膜采暖系統(tǒng)瞬時溫度均勻度明顯要小于電散熱器采暖系統(tǒng)。

4）在相同的熱舒適性條件下，電熱膜采暖系統(tǒng)中室內(nèi)溫度可比電散熱器采暖系統(tǒng)中降低0.5 ℃。