電熱膜采暖系統蓄放熱特性與室內熱環境研究

謝亞軍 白葉飛 唐汝寧 許國強

1 內蒙古工業大學土木工程學院

2 內蒙古工業大學建筑學院

0 引言

國內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濟性。

高分子電熱膜采暖系統的結構層蓄放熱特性以及室內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和電散熱器采暖系統，分析電熱膜采暖系統的結構層傳熱特性，進行兩種供暖系統在供熱期、穩定期、間歇期的室內熱環境和人體熱舒適性對比研究。為嚴寒地區電熱膜采暖系統運行提供一定的依據。

1 實驗介紹

1.1 實驗系統

電熱膜采暖系統和電散熱器采暖系統均位于內蒙古工業大學人工氣候室內。人工氣候室為架空的雙層小室，內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。

實驗系統搭建在內部實驗小室，主要包括電熱膜結構層，溫控系統及電路系統等。如圖1 所示電熱膜采暖系統結構層里面保溫層選用30 mm 厚的擠塑聚苯乙烯板，其導熱系數為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 混凝土預制板，其導熱系數為1.51 W/(m2?K)，蓄熱系數（周期24 h）為15.36 W/(m·K)。電路系統上設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 結構層測點布置圖

室內熱環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。結構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，數據采集使用建通科技JTNT-C，設置記錄時間為10 分鐘每次。人工氣候室實驗熱環境測點數據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 實驗結果與分析

2.1 結構層溫度及室溫分布

在電熱膜采暖系統供熱期間，由于溫控器的設置，供熱系統狀態包括升溫期，穩定期和間歇期。溫控器設置溫度為20 ℃，其精度為±1 ℃。結構層的溫度由布置在該結構層的9 個溫度測點平均得來。人工氣候室內溫度降至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空氣。在系統升溫期時電熱膜發熱功率穩定，各結構層溫度變化如圖4。電熱膜層在運行100 min 后溫度達到40 ℃以上，在隨后的時間內其升溫速率變慢，蓄熱層表面溫度響應較快，溫度變化具有一致性，這是由于蓄熱層的導熱系數較大，熱阻較小。地面溫度和空氣溫度響應較慢，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，應該增加保溫層的厚度以減少反向傳熱。

圖4 升溫期各結構層及室內溫度

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，蓄熱層仍可向室內空氣散發熱量。

穩定期運行時各結構層溫度及室內溫度如圖5所示。在系統穩定運行期內，室內空氣溫度最低為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較小的溫度波動，從而提高室內人員的舒適性。在系統穩定運行時，室外溫度設置為-15 ℃，在測試的370 min 內，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。這是由于在穩定期內室內的溫度比較高。

圖5 穩定期各結構層及室內溫度

2.2 電散熱器采暖系統

電散熱器采暖系統使用的散熱器為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，距左側墻壁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 采暖系統的溫升曲線，電熱膜采暖系統加熱至室溫18 ℃需290 min，電散熱器采暖系統加熱至室溫18 ℃需250 min。相同功率下，電散熱器采暖系統升溫速率大于電熱膜采暖系統，這是由于電散熱器通過對流換熱直接加熱空氣，而電熱膜采暖系統需要通過熱傳導到蓄熱層后再輻射加熱室內空氣，此時的蓄熱層也會吸收一部分熱量，導致電熱膜采暖系統加熱速率小于電散熱器采暖系統。

圖6 采暖系統升溫曲線

2.3 室內熱環境分析

通過在人工氣候室對兩種不同電采暖方式的對比，進行室內熱環境的分析，包括室內垂直溫度分布，室內水平溫度分布，圍護結構內壁面溫度分布和室內人員熱舒適性。

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的范圍內溫度差值不超過1.1 ℃，溫度梯度在-0.4 ℃/m以內，室內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 的范圍內溫度差值不超過4.3 ℃，隨著室內溫度從10 ℃到18 ℃的過程中，溫度差值在逐漸增大，最終差值穩定在4.2 ℃。房間溫度梯度為1.6 ℃/m 以內，室內人員腳部到肩部溫差在升溫過程中逐漸增大，最終溫差穩定為3.5 ℃，在室內溫度達到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 不同采暖系統室內垂直溫度分布

不同采暖系統人工氣候室室內溫度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。電熱膜采暖系統在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 ℃。根據以上溫度測點，引進瞬時室內溫度均勻度，其計算式為

圖8 不同采暖系統室內水平溫度分布

式中：TS,j為第i 時刻的瞬時溫度均勻度，℃；Mj為室內溫度測點總數；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的溫度均勻度要小，會使人體感到更加的舒適。

選取室內溫度為18 ℃時兩種不同采暖系統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。在電熱膜采暖系統中屋頂的溫度高于其它4 個面，其溫差均＜0.7 ℃，其余4 個面溫度相近。在開門側的西墻溫度會比東墻溫度低，這是由于門的傳熱系數較大。在電散熱器采暖系統中屋頂的溫度明顯高于其它4 個面，且其溫差相差較大，為1.3 ℃，這會加大室內人員的不舒適性。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 不同采暖系統室內壁面溫度分布

室內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。電熱膜供暖系統的水平溫度分布梯度比電散熱器供暖系統要小，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，冬季室內服裝熱阻取1.2 clo，在電熱膜采暖系統和電散熱器采暖系統中室內風速均取0.1 m/s，冬季室內濕度會比較低，取40%。得到電熱膜采暖系統的適宜溫度為18.2～21.4 ℃，而電散熱器采暖系統的適宜溫度為18.7～22.0 ℃。在電熱膜采暖系統中室內溫度可比電散熱器采暖系統中降低0.5 ℃。

3 結論

本文通過建立在人工氣候室內的電熱膜采暖系統進行傳熱分析，并與電散熱器采暖系統進行對比，分析不同電采暖系統對室內環境與人員熱舒適性的影響，得出以下結論：

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

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

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

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