對流式和輻射式電暖器間歇式運行實測對比分析
牛冬茵，譚羽非，張甜甜，何秀義
哈爾濱工業大學建筑學院，寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室
【摘 要】電熱采暖作為一種清潔采暖方式，憑借環保便捷、可控可調的優勢得到廣泛應用。民用房間使用電暖器一般是為了滿足快速采暖的需求，且電暖器普遍功率較高，因此通常選用間歇性運行模式。電暖器散熱效果是采暖設備選擇的依據，本文以相同額定功率的對流式和輻射式電暖器為研究對象，通過實測兩種電暖器的響應時間，室內的空氣溫度和輻射溫度，對比分析了二者在室內間歇運行時的采暖效果。測試結果顯示：間歇性運行時，對流式電暖器的響應時間短，比輻射式電暖器用時短5min，室內升溫快，對室內空氣的整體加熱效果優于輻射式電暖器；輻射式電暖器更能滿足局部采暖的需求，在局部范圍內輻射溫度能達到28℃。本文結論為電采暖的設計和設備的選擇提供了理論依據及技術參考。
【關鍵詞】對流式電暖器；輻射式電暖器；實測；采暖效果；對比分析
【基金項目】“十三五”重點研發計劃項目課題 “村鎮電熱直接轉換供暖及蓄熱技術研究”（編號：2018YFD1100703）
0 引言
傳統燃煤采暖方式效率低，供暖成本高，且對環境的污染較嚴重。因此，節能減排的采暖方式是供熱工程發展的必然方向。電采暖相較于傳統燃煤采暖，安裝簡易且升溫快，溫度容易控制，在環保、便捷等方面有顯著的優勢。但對于民用房間日常使用而言，電暖器功率普遍較大，耗電多且電價高，為降低費用通常采用間歇運行方式[1]。因此，電暖器的采暖效果是電采暖設計和設備選擇的基礎。
電熱采暖方式主要分為對流式和輻射式兩種，對流式電暖器主要利用冷熱空氣自然對流的傳熱方式使周圍空氣受熱，而輻射式電暖器則主要以輻射的方式向周圍傳遞熱量達到采暖目的。目前對散熱設備兩種傳熱方式的研究多是理論、模擬研究和效果評價，J. Le Dréau等[2]通過對末端設備進行穩態模擬，發現對流末端受到換氣速率和室外溫度的影響更大，其能源利用效率通常低于輻射末端；國麗榮[3]分析了兩種采暖方式室內溫度的穩定性，發現采用對流采暖升溫比輻射采暖快得多，但房間熱穩定性比輻射采暖差。也有一些關于電散熱設備散熱效果的研究，張耘等[4]對比了輻射式制熱方式與傳統電熱器和電熱空調，發現平面輻射式制熱是一種高效、舒適且成本更低的采暖方式；楊強等[5]發現相同功率的對流式電暖器對空氣的加熱效果要優于輻射電暖器。這些研究主要是對采暖期兩種采暖方式的長期供暖效果進行對比，而沒有對電暖器間歇性運行采暖效果進行研究。
本文通過對對流式和輻射式兩種電暖器間歇式運行采暖進行實驗測試研究，對比了兩種電暖器在室內間歇運行的采暖效果，對二者的差異性進行了討論，結論為電采暖的設計和設備的選擇提供了理論依據及技術參考。
1 實驗系統及內容
1.1 實驗環境
本次測試在符合國際標準的溫控閉式測試小室[6]內進行。測試小室內部凈尺寸為：長4.2m×寬3.1 m×高4.2m。
測試小室包括兩個分隔開的空間：（1）外圍護結構與閉式小室之間的夾層；（2）閉式小室。小室采用拼裝式，外圍護結構采用保溫材料，具有較大熱阻，近似絕熱，無冷熱量和功損失，從而排除外界環境變化對房間內溫度場的影響，保證整個系統在穩定工況下運行。閉式小室壁面為不銹鋼板。二者壁面夾層內設有送、回風循環系統，采用吊頂百葉窗均勻送風（上送下回）至小室空間，以實現對閉式小室溫度和濕度的控制。在閉式小室內的電暖器開啟之前，可根據實驗需求，由夾層內系統調節閉式小室室溫至預設溫度。艙室內合適位置安裝有攝像頭，以便在實驗過程中實時監控現場情況。
選取對流式和輻射式電暖器各一臺，額定功率均為1760W，在小室地面居中布置，測試系統圖和實物布置如圖1所示。
（a）測試系統圖（b）實物布置圖
圖1 測試系統圖
1.2 實驗內容
本實驗的主要目的，是為了測試對比對流式電暖器和輻射式電暖器的熱工性能、散熱效果以及運行特性，實驗包括兩部分：空氣溫度測試和輻射溫度測試。
1.2.1 空氣溫度測試
在相同室內外環境下，依次采用對流式和輻射式電暖器，將艙室室溫由10.5℃加熱至19℃，在此過程中主要測定：
（1）升溫過程中，艙室內不同高度平面的室溫隨加熱時間的變化情況；
（2）升溫過程中，室內平均溫度隨加熱時間的變化情況；
（3）升溫過程中，兩種電暖器各自的室溫變化所對應的溫升時間。
1.2.2 輻射溫度測試
在相同室內外環境下，依次采用對流式和輻射式電暖器，將艙室室溫由19℃加熱至22℃，在此過程中主要測定：
（1）升溫過程中，室內布置的固體壁面不同高度處表面溫度隨時間的變化情況；
（2）升溫過程中，室內布置的固體壁面表面測點平均溫度隨加熱時間變化的對比；
（3）輻射溫度衰減規律測試。
1.3 測點布置
空氣溫度測試中，在艙室內不同高度平面上（0.8m、1.6m、2.3m）各均勻布置了4個測點，共計12個溫度測點，位置分布如圖2所示。同時，為了更好地表征室內的溫度分布情況，實驗開始前，在艙室內0.5m高度平面上增設6個溫度測點[6]。所有溫度測點與室外控制及數據采集系統相連。數據采集系統上，除了顯示12個測點的溫度數據外，還計算并顯示室溫，計算公式如式1：
(1)
式中，tN——室溫，取12個測點的平均溫度；
ti——測點的溫度，i取0，1，2……11。
輻射溫度測試中除上述12個空氣溫度測點外，在距離電暖器1.0m處放置了黑色金屬板（尺寸：1.0m×1.0m）作為接受輻射熱量的固體壁面，并在膠板不同高度（0.3m、0.5m、0.75m）處各對稱布置2個測點，共計6個測點，并在電暖器另一側1.0m、高0.5m處布置空氣溫度測點，作為對比。
圖2 測試小室內測點布置
1.4 測試儀器
利用TP700多路數據記錄儀記錄各測點溫度并保存至PC機中，傳感器采用經過標定的銅-康銅熱電偶，測試共采用18個熱電偶進行測量。輻射溫度測試中采用黑球溫度計測量室內空氣溫度；輻射衰減規律實驗采用紅外熱成像儀得到吸熱板表面的溫度分布情況。
2 實驗結果分析
2.1 空氣溫度測試
2.1.1 對空氣的加熱效果分析
升溫過程中，采用兩種不同的電暖器時，室內不同高度測點溫度、室內空氣溫度隨時間的變化見圖3和4。由圖3可知，在小室內無其他內外熱源且圍護結構近似絕熱條件下，輻射式電暖器用時58分鐘，對流式電暖器用時53分鐘，使室內空氣溫度升高到指定溫度19℃，均能滿足室內采暖效果的需求。
由圖4可知，兩次實驗中室內溫度均出現了上高下低的溫度分層現象，是由于熱空氣受到熱浮力影響而上浮造成的。采用輻射式電暖器的房間上下溫差為1.5℃左右，采用對流式電暖器的房間上下溫差則為1.9℃左右。
結合圖3和圖4可知，兩種電暖器開啟10min，室內空氣溫度均達到13℃，10min以后使用對流式電暖器的房間溫升加快，室內空氣溫度總是比使用輻射式電暖器的房間高0.5℃左右。根據傳熱學基礎理論，對流式電暖器加熱空氣主要利用的是自然對流原理，通過室內空氣的循環流動進行熱量交換，把熱量傳遞到房間各處，而采用輻射式電暖器的房間上下溫差小，室內空氣循環流動慢于使用對流式電暖器的房間?？諝庠谑覂葴囟确秶鷥?，實際上并沒有發射或吸收輻射能量的能力，所以房間內空氣溫度的升高都是由對流換熱造成的。因此當加熱功率相同時，以對流換熱方式為主的對流式電暖器對空氣的加熱效果要優于輻射式電暖器，升溫更快，能更快達到室內采暖效果要求。
圖3 升溫過程中室內溫度隨時間的變化
（a）輻射式電暖器（b）對流式電暖器
圖4 升溫過程中室內不同高度溫度隨時間的變化
2.1.2 響應時間分析
由于電暖器采用間歇運行，在二者均可以滿足采暖需求的情況下，室內空氣溫度上升的快慢則成為評判不同傳熱方式電暖器采暖效果的重要因素之一。室內各高度處由初始溫度達到18℃所需的時間如表1所示，以此作為衡量標準定量對比采用兩種采暖方式時房間熱響應的快慢。由表1可知采用電暖器采暖，房間上部溫度先達到18℃，隨高度的降低達到18℃所需的響應時間越長。通過對比發現，對流式電暖器采暖達到18℃所需的時間均短于輻射式電暖器。因此，對流式電暖器采暖在響應時間上更占優勢，能夠更快達到室內采暖溫度的要求。
表1 室內各高度處達到18℃所需時間
分析空氣溫度測試結果可以發現，當加熱功率相同時，對流式電暖器對空氣的加熱效果要優于輻射式電暖器。在均能達到指定溫度19℃的前提下，對流式電暖器的響應速度更快、效果更佳，且采用對流式電暖器對房間整體的加熱效果要優于輻射式電暖器。
2.2 輻射溫度測試
2.2.1 固體壁面表面輻射溫度
距離電暖器1.0m處的黑色固體壁面接收電暖器的輻射射線，升溫過程中測試其表面溫度，即輻射溫度。固體壁面上不同高度測點的溫度隨時間的變化曲線如圖5所示；使用兩種不同的電暖器時，固體壁面表面平均溫度隨時間變化的對比曲線如圖6所示。
（a）輻射式電暖器（b）對流式電暖器
圖5 升溫過程中固體壁面不同高度處溫度隨時間的變化
圖6 輻射和對流電暖器測試中固體表面溫度隨時間的變化
由圖5可知，固體壁面上的測點溫度隨高度的增加而降低，這是由于電暖器布置在地面上，而輻射效果受距離影響，會以電暖器散熱面為中心，隨著半徑距離的增大而降低。由圖6可知，采用輻射式電暖器時壁面輻射溫度要比對流式電暖器高5℃，即固體壁面所接收到的輻射射線熱量更多。
根據傳熱學原理，對流式電暖器通過自然對流與其周圍的空氣進行換熱，空氣循環流動傳遞熱量，整個過程以對流傳熱方式為主，輻射換熱所占比例很小，所以能夠直接被載體吸收的輻射熱量較小。而輻射式電暖器則是表面發射熱射線，通過熱射線傳遞輻射熱能。輻射式電暖器發出熱射線投射到四周的圍護結構內表面上，投射來的熱射線一部分被內表面吸收，獲得輻射熱能，溫度升高，再與空氣進行對流換熱；另外的大部分熱射線遵循光的反射定律，被圍護結構內表面反射回去，連續反射的熱射線在室內呈漫射狀。同時電暖器表面也與周圍空氣進行自然對流換熱。整個過程以輻射換熱方式為主，對流換熱所占比例很小。人員或物體處于室內，其表面會吸收直接投射到其上的那部分熱射線和一部分漫射來的射線的輻射能。
Fanger教授提議用有效溫度來測量局部熱舒適性[7]。有效溫度是平均輻射溫度和空氣溫度的近似平均值，因此對于人體的熱舒適而言，需要同時考慮室內的空氣溫度和電暖器附近的平均輻射溫度。在室內空氣溫度相同時，人體的舒適度取決于平均輻射溫度。據測試結果可知，輻射式電暖器附近的平均輻射溫度要高于對流式電暖器，即人體在輻射式電暖器附近的得熱量更大。所以人體在輻射式電暖器附近的熱感覺更強，能夠快速感知到溫度的上升，比對流式電暖器更快達到熱舒適。
綜上所述，對于電暖器間歇式運行，若要滿足人體提高局部熱舒適度的需求，輻射式電暖器效果更好。
2.2.2 輻射溫度衰減規律
在密閉的測試小室內開啟輻射式電暖器，在吸熱平板表面涂黑體輻射涂料，其發射率和吸收率可達到0.996。將吸熱平板距加熱器0.2m處放置，并在每次板面溫度達到穩定后，用紅外熱成像儀拍攝得到吸熱板面的平均溫度，并將吸熱板向遠離電暖器方向移動0.1m再次重復實驗過程。對數據進行整理，得到吸熱板表面的輻射溫度隨距離的衰減曲線如圖7所示。由圖7可知，輻射效果的大小和與電暖器的距離有關，吸熱板距離電暖器最近時，輻射溫度最高，隨著與電暖器距離的增大，吸熱板的輻射溫度迅速降低。對于人體采暖而言，根據測試結果可以看出，距離輻射式電暖器越近，輻射溫度越高，所以人體距離輻射式電暖器越近，熱感覺越強。
圖7 輻射溫度隨距離的衰減曲線
3 結論
1）在加熱功率相同時，對流式電暖器對空氣的加熱效果要優于輻射式電暖器，響應速度上也更占優勢，使室內空氣溫度升高到指定溫度19℃的時間較輻射式電暖器少5分鐘。
2）在加熱功率相同時，輻射式電加熱器附近人體所能接收到的輻射傳熱量要大于對流式電加熱器相同位置處，人體的熱舒適度更高。此外，隨著與輻射板的距離的增大，輻射強度衰減非常迅速。
綜合兩個實驗結果來看，基于電采暖間歇運行的特點，兩種電加熱器均能滿足采暖效果的目的，但是兩者的采暖效果表現出了明顯的差別，為電采暖加熱器的選擇提供了參考。如果考慮房間整體采暖效果，對流式電加熱器可以較快提高室內空氣平均溫度，響應速度快，是較優的選擇；當人體需要局部采暖、提升局部熱舒適感，或需要直接獲得較高強度的熱量時，輻射式電加熱器是更好的選擇，能夠有效提升熱舒適性。
參考文獻
[1] 賀孟春，劉東，莊江婷，et al. 對流式和輻射板式電加熱器的實驗研究[J]. 建筑熱能通風空調，2008，027(006)：5-9.
[2] J. Le Dréau，P. Heiselberg. Sensitivity analysis of the thermal performance of radiant and convective terminals for cooling buildings [J]. Energy & Buildings，2014，82：482-491.
[3] 國麗榮. 兩種采暖方式室內溫度穩定性分析[D]. 哈爾濱工業大學，2006.
[4] 張耘，李萬勇，陳江平. 平面輻射式制熱在室內采暖領域的應用[J]. 建筑熱能通風空調， 2019，038(005)：74-79，88.
[5] 楊強，路賓，戴立生，et al. 對流與輻射散熱器對空氣加熱效果的實驗研究[J]. 建筑科學，2009，025(010)：60-64.
[6] 采暖散熱器散熱量測定方法（GB/T 13754-2017）[S]. 北京：中國計劃出版社，2017
[7] P. O. Fanger. Calculation of Thermal Comfort: Introduction of a Basic Comfort Equation. ASHRAE Transactions. 1976，73(2):1-20
備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。