基于蜂窩罩的平板型遠紅外電暖器的節能機理

頡未鳳 劉文斌

（1、甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關735100 2、甘肅省嘉峪關市科技局，甘肅 嘉峪關735100）

1 概述

電熱板是一種加裝電路的平板，通電后可以發熱，通常用電熱薄膜作為發熱元件。它以電為能源,電熱板為載荷。通電后,電熱板發熱，輻射遠紅外光，并向接觸的空氣散發熱量。電熱板的另一面必須緊貼保溫材料，以減小背部散熱，使紅外光能量都朝向人體一側。和傳統的散熱器采暖方式相比,電熱板供暖系統加熱均勻舒適，柔和不刺眼, 解決了傳統供暖方式所帶來的光污染、熱啟動慢等問題,更主要的是采暖效果好,節能。

2 遠紅外電熱板的熱輻射

理論上,熱量傳遞有熱傳導、熱對流和熱輻射3 種方式，這三種方式一般情況下是同時存在的。根據國家標準GB8623-88的規定, 紅外輻射轉換效率大于50%的電暖氣才能稱為遠紅外輻射電暖氣。目前國內出現的電熱板輻射率高通常大于0.9,在100℃的工作溫度下，可以達到紅外輻射50%規定。

在家庭采暖中, 主要采用以加熱空氣為主的對流取暖或以遠紅外為主的輻射采暖。這兩種采暖方式,發熱體的溫度直接影響到散熱量的大小。

以對流散熱采暖器散發的熱量可以表示為:

式中:A、為對流傳熱系數系數;

tpj——散熱器的平均溫度,℃;

t——室內空氣的溫度,℃;

F——散熱器的表面積,m2。

以遠紅外輻射為主的電熱器所散發的熱量可以表示為:[2]

式中:ε——電熱板的發射率;σb——黑體輻射常數,

σ=5.67×10-8W(m2·K4);

F——平板散熱器的表面積,m2。

T1——電熱板工作溫度,k;

T2——周圍環境的溫度,k。

輻射采暖散發的熱量與電暖氣溫度的四次方呈正比, 而對流采暖中與電暖氣與環境的溫差成正比。高溫條件下輻射相對占優勢，而低溫工作溫度下對流占優勢。遠紅外輻射電熱板的發射率ε 一般在0.9 左右,在100℃的工作溫度下，輻射采暖中遠紅外能量比例可以達到50%的轉化率。

3 遠紅外電熱板輻射能量的傳播過程

電熱板在工作狀況發熱時，所產生的遠紅外輻射透過空氣，以光的速度傳播到人體衣物或皮膚,大部分被人體吸收,少部分反射到人體之外的環境空間。輻射的傳播可以不受空氣阻礙,而是直接達到人體。空氣的成分幾乎不吸收遠紅外光的能量,因此輻射采暖的熱啟動很快，加熱幾秒鐘就能感受到熱量，而普通的熱油汀采暖需要半個小時才能感受到室溫上升。輻射與對流能的傳播是直接與間接的區別；對流采暖首先要加熱空氣,使室內空氣溫度升高, 加熱后的空氣再通過與人體的對流接觸減少人體在空氣中的散熱量。傳統對流取暖方式需要將空氣氣溫加熱升高一定溫度,散熱器的能量主要在于加熱屋頂，增加了向戶外環境的散熱能量,造成了熱量的損失和浪費，因此對流采暖的能量利用效率不高,采暖升溫過程也很緩慢。而遠紅外為主的輻射采暖,輻射遠紅外光到人體,對人體產生直接的加熱效果。室內的空氣可以不需要明顯加熱，因此室溫比傳統采暖方式溫度低，向環境的熱損失也要低于傳統采暖，需要較小的電功率就可以維持，這是傳統的對流散熱所不能達到的。

4 現有遠紅外電熱板的缺點

目前這種平板式遠紅外熱輻射加熱裝置存在空氣對流散熱大的問題，即輻射板的熱量通過熱傳導的形式傳遞給空氣，引起空氣對流散熱。使得這一部分熱量散失在空氣中，不能轉化為直接作用在人體等加熱目標上的遠紅外輻射，從而降低了紅外輻射裝置將熱能轉化為遠紅外輻射的效率。空氣對流也導致了室內灰塵上揚。

由于電熱板材料性能的限制, 電熱板的加熱溫度為50～70℃, 且不能超過85℃的材料極限溫度。當電熱板裸露在空氣（20℃）中時，空氣對流散熱功率可以達到500W/m2，而紅外輻射功率為340w/m2。紅外輻射效率僅為40%，達不到國家標準50%的要求。

5 加裝蜂窩罩方案

在電熱板平面外5-30mm 處平行加裝圖2 所示的金屬蜂窩罩，其內部結構如圖1 所示，平板1，其上設置有蜂窩狀通孔3，其中，平板1 包括第一表面和第二表面，通孔從第一表面延伸至第二表面；通孔3 的深度與其孔徑的比值為1.5-6，例如2,3,4,5,6 等；平板1 設有至少一個固定件2，通過固定件，將板安裝在平板型遠紅外輻射裝置的輻射平板的輻射面的正前方。蜂窩罩可以將人與加熱裝置隔離，起到防燙傷的作用，抑制空氣熱對流，防止灰塵隨熱空氣上揚。其中，具體制作過程中，所述平板邊緣做平齊處理，金屬可以采用多種金屬，優選地，采用鋁、銅或銀，這三種金屬相比其它金屬，反射率高。上述通孔的形狀可以采用三角形、四邊形（正方形、長方形、菱形等）或者六邊形等。同時封閉四周邊框，可以有效抑制電熱板附近的空氣對流，從而達到減少對流散熱的目的。結構圖見圖2。

圖1 蜂窩罩內部結構示意圖

圖2 蜂窩罩結構示意圖

圖3 加裝蜂窩罩的平板型遠紅外電暖器結構示意圖

原理：蜂窩罩為空氣對流帶來阻力，從而抑制了空氣對流散熱。但由于蜂窩罩由紅外反射率高的金屬材料（鋁、不銹鋼、銅）制成，紅外線可以像光纖中的激光一樣多次反射而不衰減，從而產生透射的效果。電暖氣產生的總熱量等于紅外輻射熱量加空氣對流散熱熱量。當空氣對流散熱減少時，電熱板輻射的紅外線能量就會提高。當工作溫度80 攝氏度，紅外發射系數0.9時，對流散熱可以減少到250W/m2，而紅外輻射功率可以達到350w/m2。紅外輻射率為58%，使紅外輻射率達到國家標準的50%以上。

6 結論

電熱板采暖較傳統的散熱器形式采暖節能是緣于它們傳熱機理不同，電熱板的輻射方式要熱于傳統暖氣的對流散熱方式。為電熱板加裝金屬蜂窩罩裝置能夠明顯抑制電熱板接觸的空氣對流散熱，卻不阻礙電熱板紅外輻射，從而達到提高紅外輻射效率的目的。