电热膜采暖系统蓄放热特性与室内热环境研究

2021-07-28谢亚军白叶飞唐汝宁许国强

建筑热能通风空调 2021年6期

谢亚军白叶飞唐汝宁许国强

1 内蒙古工业大学土木工程学院

2 内蒙古工业大学建筑学院

0 引言

国内外学者对电热膜采暖进行了大量的研究。Qu等[1、2]通过实验测试和仿真模拟给出了低温热水地板和电加热地板的系统分析。Qi 等[3、4]分别测试了不同类型房间的辐射采暖地板的传热性能。殷昊[5]设计了不同电热膜并对其电热性能进行测试。张海玲等[6、7]通过数值模拟电热膜采暖的传热特性，得出最佳保温材料，并对比集中供暖，得到电热膜采暖更具经济性。

高分子电热膜采暖系统的结构层蓄放热特性以及室内热舒适性需进一步研究，本文利用人工气候室，搭建了电热膜采暖系统和电散热器采暖系统，分析电热膜采暖系统的结构层传热特性，进行两种供暖系统在供热期、稳定期、间歇期的室内热环境和人体热舒适性对比研究。为严寒地区电热膜采暖系统运行提供一定的依据。

1 实验介绍

1.1 实验系统

电热膜采暖系统和电散热器采暖系统均位于内蒙古工业大学人工气候室内。人工气候室为架空的双层小室，内部实验小室六个面采用制冷机组进行冷却，小室尺寸为4 m×4 m×2.8 m，外部隔离小室为聚氨酯板小室，尺寸为5.2 m×5.2 m×4.3 m，实际传热系数为0.2 W/(m2·K)。在人工气候室的东面有一扇高为2.5 m，宽为1 m 的聚氨酯板门，无窗户。在实验进行过程中门处于紧闭状态。

实验系统搭建在内部实验小室，主要包括电热膜结构层，温控系统及电路系统等。如图1 所示电热膜采暖系统结构层里面保温层选用30 mm 厚的挤塑聚苯乙烯板，其导热系数为0.03 W/(m2·K)。电热膜选用3条3.6 m×0.5 m 的高分子电热膜，其单位功率为175 W/m2，总功率为945 W。保护层为聚乙烯塑料薄膜，蓄热层为30 mm 混凝土预制板，其导热系数为1.51 W/(m2?K)，蓄热系数（周期24 h）为15.36 W/(m·K)。电路系统上设有单独的单相电子式电能表、漏电保护器以及室温温控器，在电散热器采暖系统中所使用的散热器为950 W的格力油汀取暖器。

图1 电热膜采暖系统物理模型

1.2 实验测点布置

实验中在保温层下面，电热膜层上面以及蓄热层上面分别布置9 个温度传感器和5 个热流密度计片，电热膜及实验测点布置见图2（a）。

图2 结构层测点布置图

室内热环境实验布点采用人工气候室原有实验布点，实验布点如图3，其详细位置及精度见表1，人工气候室共布置温度测点19 个。结构层测点温度传感器为Pt100 铂电阻，其测量精度为±0.2 ℃。热流密度计片测量范围为0～2 000 W/m2，测量精度为±4%。共使用温度传感器27 个，热流密度计片15 个，数据采集使用建通科技JTNT-C，设置记录时间为10 分钟每次。人工气候室实验热环境测点数据采集利用温度巡检仪进行，记录时间为10 分钟每次。

图3 人工气候室测点布置图

表1 人工气候室测点及不确定度

2 实验结果与分析

2.1 结构层温度及室温分布

在电热膜采暖系统供热期间，由于温控器的设置，供热系统状态包括升温期，稳定期和间歇期。温控器设置温度为20 ℃，其精度为±1 ℃。结构层的温度由布置在该结构层的9 个温度测点平均得来。人工气候室内温度降至5 ℃后进行加热，电热膜层会分别向下传递到保温层和楼板、向上传递到蓄热层和室内空气。在系统升温期时电热膜发热功率稳定，各结构层温度变化如图4。电热膜层在运行100 min 后温度达到40 ℃以上，在随后的时间内其升温速率变慢，蓄热层表面温度响应较快，温度变化具有一致性，这是由于蓄热层的导热系数较大，热阻较小。地面温度和空气温度响应较慢，且地面温度与空气温度相差较小。这是由于电热膜的反向传热量比较大，应该增加保温层的厚度以减少反向传热。

图4 升温期各结构层及室内温度

当电热膜运行到440 min 时，此时室温达到21.2 ℃，由于温控器的限制，电热膜停止运行，电热膜的温度开始迅速下降，在450 min 时，地面温度和蓄热层表面温度均达到最大值。此时空气温度仍在上升，在470 min 时，空气温度达到最大值，为22.6 ℃。这是由于在加热过程中蓄热层储存了一定的热量，在电热膜层停止加热后，蓄热层仍可向室内空气散发热量。

稳定期运行时各结构层温度及室内温度如图5所示。在系统稳定运行期内，室内空气温度最低为18.52 ℃，最高温度为21.62 ℃，最大差值为3.10 ℃。此温差超过温控器实际精度，主要是由于蓄热层具有一定的蓄热能力，在电热膜停止运行后仍会放出一定的热量，放热时间为30 min。通过选用精度更高的温控器会实现较小的温度波动，从而提高室内人员的舒适性。在系统稳定运行时，室外温度设置为-15 ℃，在测试的370 min 内，电热膜实际运行时间为160 min，在运行过程中启动1 次，停止1 次，耗电量为2.5 度。在稳定期运行中电热膜最高运行温度为49.4 ℃，低于升温期的最高运行温度52.1 ℃，电热膜层运行60 min 便可达到40 ℃以上。这是由于在稳定期内室内的温度比较高。

图5 稳定期各结构层及室内温度

2.2 电散热器采暖系统

电散热器采暖系统使用的散热器为950 W 的格力油汀取暖器。其尺寸为480 mm×145 mm×620 mm，放置在人工气候室左侧，距左侧墙壁0.5 m。实验测点布置如表1。在实验中将人工气候室温度降至5 ℃，通过对比图6 采暖系统的温升曲线，电热膜采暖系统加热至室温18 ℃需290 min，电散热器采暖系统加热至室温18 ℃需250 min。相同功率下，电散热器采暖系统升温速率大于电热膜采暖系统，这是由于电散热器通过对流换热直接加热空气，而电热膜采暖系统需要通过热传导到蓄热层后再辐射加热室内空气，此时的蓄热层也会吸收一部分热量，导致电热膜采暖系统加热速率小于电散热器采暖系统。

图6 采暖系统升温曲线

2.3 室内热环境分析

通过在人工气候室对两种不同电采暖方式的对比，进行室内热环境的分析，包括室内垂直温度分布，室内水平温度分布，围护结构内壁面温度分布和室内人员热舒适性。

在实验中，人工气候室空气的温度从10 ℃加热至18 ℃，分别选取0.05 m，0.5 m，1.5 m 和2.75 m 4 个高度进行分析，电热膜采暖系统房间如图7（a）可以看出在升温过程中4 个温度测点变化趋势基本一致，从地面到屋顶温度分布呈负梯度分布，在0.05 m 到2.75 m的范围内温度差值不超过1.1 ℃，温度梯度在-0.4 ℃/m以内，室内人员脚部到肩部温差不超过0.8 ℃，且脚暖头凉，适合人员居住生活。电散热器采暖系统房间如图7（b）可以看出在升温过程中4 个温度测点变化趋势基本一致，从地面到屋顶温度分布呈梯度分布，在0.05 m 到2.75 m 的范围内温度差值不超过4.3 ℃，随着室内温度从10 ℃到18 ℃的过程中，温度差值在逐渐增大，最终差值稳定在4.2 ℃。房间温度梯度为1.6 ℃/m 以内，室内人员脚部到肩部温差在升温过程中逐渐增大，最终温差稳定为3.5 ℃，在室内温度达到18℃时，此时脚部温度为16 ℃，脚部温度偏低，头部温度偏高，头热脚凉，影响人体的热舒适性。

图7 不同采暖系统室内垂直温度分布

不同采暖系统人工气候室室内温度18 ℃时在0.75 m 和1.5 m 处水平温度分布如图8 所示，电散热器放置于人工气候室左侧。电热膜采暖系统在0.75 m和1.5 m 处水平温差均＜0.5 ℃，而电散热器采暖系统在0.75 m 和1.5 m 处水平温差均＜0.4 ℃，且在1.5 m处水平温差＜0.2 ℃。根据以上温度测点，引进瞬时室内温度均匀度，其计算式为

图8 不同采暖系统室内水平温度分布

式中：TS,j为第i 时刻的瞬时温度均匀度，℃；Mj为室内温度测点总数；tj为检测点j 的瞬时温度，℃；tb为所有测点的瞬时平均温度，℃。

选取A、B、C、D、O 五个位置共13 个测点进行瞬时温度均匀度的计算，其中电热膜采暖系统所有测点的瞬时平均温度为17.78 ℃，其瞬时温度均匀度为0.28 ℃；电散热器采暖系统所有测点的瞬时平均温度为18.37 ℃，其瞬时温度均匀度为1.23 ℃，两种采暖系统的瞬时温度均匀度均小于2 ℃，满足人体热舒适性要求，但是电热膜采暖系统的温度均匀度要小，会使人体感到更加的舒适。

选取室内温度为18 ℃时两种不同采暖系统的壁面温度进行分析，如图9 所示，其中N 为小室北墙、S为南墙、E 为东墙、W 为西墙、T 为屋顶。在电热膜采暖系统中屋顶的温度高于其它4 个面，其温差均＜0.7 ℃，其余4 个面温度相近。在开门侧的西墙温度会比东墙温度低，这是由于门的传热系数较大。在电散热器采暖系统中屋顶的温度明显高于其它4 个面，且其温差相差较大，为1.3 ℃，这会加大室内人员的不舒适性。在其余4 个面中，以北墙的温度最高，这是由于电散热器放置在距北墙0.5 m 处。

图9 不同采暖系统室内壁面温度分布

室内人员热舒适性的研究对于冬季供暖房间有很大的意义，通过对比两种电供暖方式进行人员热舒适性评价。电热膜供暖系统的水平温度分布梯度比电散热器供暖系统要小，且满足脚暖头凉，舒适性会更好，与此同时本文会借助PMV-PPD 评价体系进行评价，PMV 取值-0.75～0.75，即允许有20%人群不满意。

室内人员在家中一般为静坐或轻体力活动，取人体代谢率为1.2 Met，冬季室内服装热阻取1.2 clo，在电热膜采暖系统和电散热器采暖系统中室内风速均取0.1 m/s，冬季室内湿度会比较低，取40%。得到电热膜采暖系统的适宜温度为18.2～21.4 ℃，而电散热器采暖系统的适宜温度为18.7～22.0 ℃。在电热膜采暖系统中室内温度可比电散热器采暖系统中降低0.5 ℃。