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

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055)

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?A)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(hù)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)訉樱晃菝鏋?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。

圖1 實(shí)驗(yàn)建筑平面圖Fig.1 Experimental building plan

圖2 實(shí)驗(yàn)建筑外景Fig.2 Experimental building exterior

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。

表1 測(cè)試參數(shù)及相應(yīng)儀器Table 1 Test parameters and instruments

續(xù)表1

圖3 房間平面及測(cè)點(diǎn)布置Fig.3 Room plan and measurement points layout

圖4 儀器布置實(shí)物圖Fig. 4 Picture of the instrument layout

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 。

表2 實(shí)驗(yàn)工況表Table 2 Test conditions

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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)密集，各處溫度基本一致。

圖5 測(cè)點(diǎn)溫度分布Fig.5 Temperatures of measuring points

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

(1)

式中：N為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；ti為測(cè)點(diǎn)溫度，℃；tc為測(cè)點(diǎn)平均溫度，℃。

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(xiàn)，如圖6所示。電熱毯在各時(shí)刻的σ值始終最大且曲線(xiàn)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?xún)?yōu)于其他兩種采暖方式，σ值始終處于較低水平，曲線(xiàn)平緩。

圖6 被褥溫度標(biāo)準(zhǔn)差Fig.6 Standard deviation of bedding temperature

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。

圖7 舒適溫度時(shí)間占比柱狀圖Fig. 7 Histogram of the proportion of comfortable temperature duration

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睿沟脺囟绕椒€(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(mǎn)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。可見(jiàn)，使用火炕存在CO2濃度超標(biāo)的可能性。

圖9 CO2濃度變化Fig.9 Change of carbon dioxide concentration

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(mǎn)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。

表3 3種夜間采暖方式綜合分析表Table 3 Comparison of three types of night heating

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)。

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