蓄熱式電暖器在北京農村地區的應用研究
中國建筑科學研究院有限公司 劉宗江，陳 亮，李 忠，馮愛榮，李愛松，李常鈴
【摘 要】本文通過建立北京市農宅負荷計算模型，研究了節能建筑和非節能建筑的冬季熱負荷特性。研究了蓄熱式電暖器的蓄熱、放熱特性；將蓄熱式電暖器放熱特性與建筑負荷進行適應性研究，給出了蓄熱式電暖器的選型方法，并對該方法的可靠性進行了論證。文章結論對蓄熱式電暖器的選型設計具有指導意義。
【關鍵詞】蓄熱式電暖器；建筑負荷；蓄熱率；放熱量
【基金項目】國家科技支撐計劃課題“綠色農房氣候適應性研究和周邊環境營建關鍵技術研究與示范”資助（2015BAL03B04）。
0 前言
近幾年，隨著北京煤改電項目的不斷進展，全國各地特別是北方地區陸續加入煤改電大軍，一時間清潔能源供暖成為時代新寵。目前，北京農村地區清潔取暖主要包括空氣源熱泵和蓄熱式電暖器兩大技術方向?？諝庠礋岜卯a品在選型、系統設計上比較成熟，蓄熱式電暖器目前缺乏明確的選型方法。本文從建筑負荷特性和電暖器放熱特性兩方面考慮，對蓄熱式電暖器在北京農村地區的應用進行研究，研究結果對指導蓄熱式電暖器的選型，理解產品熱工性能具有指導意義。
1 北京農村住宅的負荷特性
據調查，北京市傳統民居主要以四合院為主，屬中國傳統木構架體系的合院式建筑類型，是北方合院式傳統民居的典型形式，其組合形式有單進院、二進院、三進院。北京農宅90.4%的外墻沒有采取保溫措施，但現有傳統民居的外墻保溫問題已逐步開始重視[1]?！掇r村居住建筑節能設計標準》規定的寒冷地區外墻傳熱系為數0.65W/(m2K)，實際上目前達到該水平的很少，廣泛采用的370mm實心黏土磚的傳熱系數為1.61W/(m2K)，遠高于節能水平[2]。
圖1 北京農宅模型 圖2 北京農宅計算trnsys環境
研究者主要針對外墻和外窗的圍護結構性能，進行農宅的能耗模擬，在trnsys軟件環境下，分別構建不節能建筑和節能建筑模型，進行比較分析。計算模型如下，其中模型參數見表1。
表1 參數對比表
經計算，得到北京市農宅的負荷特點，如圖3所示。
圖3 節能農宅全年冷熱負荷分布
節能農村建筑全年冷熱負荷分布如上，其中最大熱負荷為4.53kW，計算熱負荷設計指標為39.6 W/m2，負荷最大日為1月15日（第368h）如圖4所示。
圖4 負荷最大周節能農宅全年冷熱負荷分布
北京非節能農村建筑全年最大熱負荷為10.23kW，計算熱負荷設計指標為89.7W/m2，負荷最大日為1月15日。
研究者將包含1月15日的一周負荷數據單獨提煉出來，得到本周內建筑供暖負荷分布情況，其中節能建筑和非節能建筑對比分析，如圖5所示。
圖5 一周內北京農宅負荷分布
按照當前的電采暖散熱器測試標準，蓄熱8小時，結合北京農村谷電時間，蓄熱階段定為21:00~5:00。重新對1月15日建筑負荷進行統計，對于節能建筑谷電時段建筑總負荷為45.52kW·h，平電時段建筑總負荷為51.17kW·h，平電時段的總負荷占全天負荷的53%，建筑耗熱量指標為0.85kW·h/(m2·d)。
對于非節能建筑1月15日谷電時段建筑總負荷為101.83kW·h，平電時段建筑總負荷為128.52kW·h，平電時段的總負荷占全天負荷的55.8%，建筑耗熱量指標為2.02kW·h/(m2·d)。由圖5可以看出，節能農宅和非節能農宅在建筑負荷的趨勢上一致，能耗量值上有所差別。所以在末端設備選型上，兩者的差異也僅體現在設備容量上。
2 蓄熱式電采暖散熱器的技術特點
蓄熱式電暖器的加熱原件將電能轉化為熱能，隨著溫度的升高蓄熱導體并儲存熱量，斷電后，在保溫層的作用下，蓄熱導體按一定的放熱曲線放出熱量，從而現實了“低谷蓄熱、全天供暖”。產品通過溫度控制裝置，控制對流孔的開度，從而實現散熱量的調節。產品的結構與散熱原理如圖6、7所示。
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| 圖6 蓄熱式電暖器的結構 | 圖7 蓄熱式電暖器的散熱原理 |
高密度氧化鐵及氧化鎂構成，比熱1.07~1.21 kJ/kg·℃，工作溫度700~750℃ 。具有比較強的熱量儲存能力。目前蓄熱電暖器主要提供1.6kW、2.4kW、3.2kW，三種選擇，適用不同房間。每一個蓄熱電暖器都可以單獨靈活調控，最大限度滿足不同用戶的不同需要。
目前對蓄熱式電暖器的檢測標準為《電采暖散熱器》（JG/T 236—2008）[3]。本文選擇常見的3種型號的實驗室檢測數據，研究其蓄熱、放熱特點，并結合上文中的住宅負荷特點，進行蓄熱式電暖器在北京農村地區的應用研究。三種樣品的基本參數如表2給出。
表2 測試樣品關鍵參數
在通電蓄熱測試期間，保持散熱器對流風口關閉，蓄熱8小時，然后開啟風口，散熱，直到完成一個測試周期。在打開散熱器對流風口時，產生散熱量的階躍，隨后保持穩定散熱。三種不同樣品測試期間的蓄熱過程散熱量和散熱過程散熱量曲線如圖8所示。
圖8 實驗室測試樣品放熱特性曲線
由測試結果可以看出，電暖器在蓄熱過程中的散熱量隨蓄熱時間線性變化，其實質是隨蓄熱介質溫度線性變化，放熱過程前期幾乎線性變化，后期非線性變化。為了研究方便，這兩個過程都簡單擬合為線性過程，得到蓄熱式電暖器啟動蓄熱后的蓄熱過程放熱量與放熱過程放熱量隨運行時間的關系，從而可以與建筑負荷進行耦合分析。擬合得到的曲線如表3。
表3 不同類型電暖器放熱特性曲線
以上擬合蓄熱曲線的時間間隔為1min，蓄熱期間放熱性能曲線和放熱期間放熱性能的開始時間皆為0，時間變量為0min、1min、2min、3min……根據目前的產品特點，市場上蓄熱式電暖器的普遍連續蓄熱時間皆為9h，蓄熱結束后，斷電放熱時間普遍為15h。實際運行時為非連續蓄熱工況，不在本研究范圍內。
由以上公式，研究者可以計算蓄熱開始后，每一個時刻的蓄熱式電暖器的供熱量，和蓄熱結束后，放熱開始，每個時刻的供熱量。因為實驗室測試處于強制對流狀態，可以認為以上數據為產品的最大放熱能力，這樣便可以將其與建筑最大熱負荷結合研究蓄熱式電暖器的供熱特性。
3 蓄熱式電暖器放熱特性與建筑負荷適應性研究
在以上的研究中，研究者分別得到了北京市典型農宅在節能和非節能條件下的供暖負荷特性，并在實驗室條件下研究了蓄熱式電暖器的供熱特性。本節將兩者結合起來研究，主要做以下假設：
（1）蓄熱式電暖器蓄熱期間對流風口關閉，蓄熱結束后對流風口打開；
（2）使用建筑最大熱負荷日數據計算；
（3）散熱器蓄熱總時間為9h，在21:00:00時開啟蓄熱。
最大負荷日節能建筑與非節能建筑的負荷分布如下，建筑供暖負荷出現最低點對應的當天太陽輻照為最高值。由此可以確定建筑負荷最低點對應的當日時刻為13:00:00。由此類推出其他時刻。
按照理想狀態設計，將建筑負荷特性分別與電暖器A， 電暖器B，電暖器C，進行耦合研究，得到的數據分布如圖9所示。
圖9 按照最大散熱能力選型負荷曲線
可以看出，按照蓄熱式電暖器的最大供熱能力選擇散熱器時，建筑供熱負荷一直高于散熱器的散熱量，供熱效果很差。從散熱過程曲線可以看出，選擇電功率較小的蓄熱式電暖器產品在后期放熱過程中趨勢比較平緩，供熱效果較好。
同時，可知，建筑負荷在負荷最大日變化比較平緩，實驗工況下的蓄熱式電暖器的散熱量的變化幅度較大，與建筑負荷變化不相適應，這就需要產品在實際應用時必須具備調節能力，在選擇產品的散熱量時可以考慮按照產品的實驗工況下的平均散熱能力選取，并以此作為產品選型指標。產品的額定電功率與平均散熱能力的對應數據如表4所示。
表4 額定電功率與平均散熱能力對照表
從而可以得出，在以上建筑模型中，節能建筑負荷為4.53kW，需要配置額定電功率為1600W的散熱器的理論臺數為9臺，2400W的為6臺，3200W的為5臺。需要說明的是，本次模擬計算采用的是連續供暖模式，對廚房和衛生間部分也一并納入到總建筑負荷統計，得到的建筑負荷偏大。實際上農村住宅實際應用時可以按照非連續供熱考慮，部分非起居、臥室功能區域可以不供暖，實際應用時可以按照供暖房間面積熱負荷指標核算，對每一間房間單獨配置蓄熱式電暖器，得到實際需要的散熱器數量小于以上值。本文研究時按照所有房間都連續供暖考慮，供暖配置后散熱器的散熱曲線與建筑負荷曲線的對照關系如圖10所示。
圖10 按照平均散熱能力選型負荷曲線
可以看出此時建筑負荷曲線位于散熱器的散熱量曲線中部，通過調節散熱器的散熱量可能實現建筑穩定供熱。在這種情況下，驗算在北京地區的蓄熱量能否滿足建筑的供熱要求。北京農村要求蓄熱9小時，實驗室測試時蓄熱8小時，實際應用條件優于實驗室測試條件。本文以8小時蓄熱作為依據進行驗算。建筑谷電熱負荷為45.52kW·h，平電熱負荷51.17kW·h。
表5 不同電采暖散熱器蓄熱放熱階段總散熱量
以上數據表明，在蓄熱階段如果完全蓄熱，按照以上選型方法得出的數量配置，負荷總量基本上與建筑負荷一致，總蓄熱量遠大于不蓄熱階段的建筑供熱負荷，帶來蓄熱量過剩，同時，也導致在谷電蓄熱時段，供熱量不足。這說明優化調整蓄熱式端暖氣的蓄熱階段散熱量與散熱階段的散熱量的比例，對實際工程應用中保證供熱的有效性十分重要。對于一個供熱產品，雖然蓄熱率為衡量其蓄熱性能的重要指標，但是不能片面追求蓄熱性能忽略產品的供熱能力。
4 研究結論
隨著北京煤改電進一步推進，蓄熱式電暖器產品應用范圍逐漸擴大，前期的基礎性研究工作相對滯后，本文的研究結果對指導蓄熱式電暖器的選型，理解產品熱工性能具有指導意義，主要結論如下。
（1）北京節能農宅計算熱負荷指標為39.6W/m2。平電時段的總負荷占全天負荷的53%，建筑耗熱量指標為0.85kW·h/(m2·d)。北京非節能農村建筑計算熱負荷設計指標為89.7W/m2，平電時段建筑總負荷為128.52kW·h，平電時段的總負荷占全天負荷的55.8%，建筑耗熱量指標為2.02kW·h/(m2·d)。
（2）通過三種典型蓄熱式電暖器的實驗室測試結果，擬合給出了該產品在蓄熱狀態下的散熱量和放熱狀態下的散熱量隨時間變化曲線，為設計人員動態評價散熱設備的散熱量提供依據。
（3）本文將蓄熱式電暖器放熱特性與建筑負荷進行適應性研究，給出了蓄熱式電暖器的選型方法，并對該方法的可靠性進行了論證。通過對建筑負荷與電暖器散熱特性進行一致性分析，強調了蓄熱式電暖器要兼顧蓄熱量與散熱能力。
參考文獻
[1] 鄧琴琴,李夢沙,宋波,李德英. 北京農村傳統民居墻體節能技術探析[J]. 建筑節能,2014,(10):36-41.
[2] GB/T 50824—2013 農村居住建筑節能設計標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.
[3] JG/T 236—2008 電采暖散熱器[S].北京：中國標準出版社，2008.
注：本文收錄于《建筑環境與能源》2017年3月刊總第3期《2017全國供暖技術年會論文集》中。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。