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)

中國西北地區(qū)冬季寒冷漫長，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，使居住者在漫長的冬季長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)溫度的高低來評價，除室內(nèi)操作溫度外，床上被褥的微氣候熱環(huán)境對人體睡眠熱舒適度也有較大影響[6]。夜間覆蓋被子睡覺時，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?；鹂皇谴彐?zhèn)最為普遍的采暖方式，在中國西北地區(qū)有高達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、熱效率低等問題。電熱毯升溫快、操作方便簡單、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，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]，限制了其進一步應(yīng)用。

針對已有村鎮(zhèn)夜間采暖方式的不足，提出一種新型低溫?zé)崴P管炕。在現(xiàn)有火炕主體的基面上布置熱水盤管，通低溫?zé)崴纯蛇_到供熱效果。為了對比3種夜間采暖方式，采用實驗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)，綜合評價3種夜間采暖方式。

1 實驗概況

1.1 基本情況

實驗地點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日對一戶單層住宅進行夜間采暖方式的性能測試，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間臥室作為實驗房間，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膩子層；屋面為20 mm木質(zhì)吊頂與50 mm頂瓦層；房間門為30 mm單層木門，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 實驗建筑平面圖Fig.1 Experimental building plan

圖2 實驗建筑外景Fig.2 Experimental building exterior

1.2 實驗?zāi)康摹⒘鞒碳肮r

1.2.1 實驗?zāi)康?為了對3種村鎮(zhèn)采暖方式進行數(shù)值分析，考察炕面盤管床的可行性，并為村鎮(zhèn)夜間采暖方式的改進與優(yōu)化提供可靠依據(jù)，實驗采用對比分析的方法，從被褥溫度分布、室內(nèi)熱環(huán)境、室內(nèi)空氣質(zhì)量等方面對常見的火炕、電熱毯及新型炕面盤管這3種適用于村鎮(zhèn)的夜間采暖方式進行綜合性能分析。

1.2.2 實驗流程 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行綜合考慮，實驗時間選為18：00至次日8：00。實驗前期，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。將各儀器編號后進行布置，溫度測點置于被褥之間，溫濕度及CO2記錄儀置于房間中央，高出地面1.2 m。測試參數(shù)及對應(yīng)儀器見表1，溫度測點具體布置見圖3，儀器實物布置見圖4。

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

續(xù)表1

圖3 房間平面及測點布置Fig.3 Room plan and measurement points layout

圖4 儀器布置實物圖Fig. 4 Picture of the instrument layout

實驗期間同時開啟電熱毯、炕面盤管的電熱鍋爐并進行火炕點火。測量參數(shù)包括被褥溫度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)CO2濃度。測量結(jié)束，分析比較被褥溫度變化規(guī)律，進行方差計算與舒適溫度占比計算，以便綜合評價3種夜間采暖方式的熱舒適性，并對比3個房間的室內(nèi)熱環(huán)境與空氣質(zhì)量。

1.2.3 實驗工況 電熱毯實驗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；盤管炕房間在普通火炕基面上進行改造，將200 mm間距的PE-X熱水盤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。實驗工況見表2 。

表2 實驗工況表Table 2 Test conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 被褥熱環(huán)境對比分析

2.1.1 被褥溫度分布特征 3種夜間采暖方式被褥各測點溫度分布如圖5所示。圖5(a)表明，電熱絲升溫快的特點使電熱毯響應(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，各測點溫度曲線分布松散，溫度區(qū)間較大，由于電熱毯橫向?qū)崮芰^差，各部分溫度達到穩(wěn)定的過程中并未趨于一致。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入的方向遞減，溫度曲線比較松散，各處表面溫度隨著燃燒的進行與退火過程逐漸趨于一致。同時，火炕具有持續(xù)供熱能力不足的特點，存在溫度波動，點火4 h后溫度開始下降，一次填料無法滿足整晚的夜間采暖需求。圖5(c)表明，由于需要對水進行預(yù)熱升溫，熱盤管炕的響應(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)，升溫過程平緩，不存在溫度波動，溫度曲線密集，各處溫度基本一致。

圖5 測點溫度分布Fig.5 Temperatures of measuring points

2.1.2 被褥溫度均勻性對比分析 利用標(biāo)準(zhǔn)差值σ進一步評價3種夜間采暖方式炕面溫度的均勻程度，σ為各測點溫度與炕面均溫差值的平均數(shù)，計算公式為

(1)

式中：N為測點個數(shù)；ti為測點溫度，℃；tc為測點平均溫度，℃。

用式(1)可計算得到3種夜間采暖標(biāo)準(zhǔn)差σ值的變化曲線，如圖6所示。電熱毯在各時刻的σ值始終最大且曲線陡直，可見電熱毯在空間及時間上，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程，σ值隨退火降溫而減小，炕面溫度會逐漸趨于一致；熱盤管炕的熱均勻性優(yōu)于其他兩種采暖方式，σ值始終處于較低水平，曲線平緩。

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為一個時間區(qū)間，計算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 舒適溫度時間占比柱狀圖Fig. 7 Histogram of the proportion of comfortable temperature duration

由圖7可見，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、低溫的兩級分區(qū)，熱舒適性差；火炕溫升較平緩，但存在溫度波動，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；熱盤管炕溫升速度一般，但溫升平緩,且?guī)缀鯖]有溫度波動，開啟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，可迅速地大范圍進入舒適溫度區(qū)，溫度平穩(wěn)后舒適區(qū)占比可達80%。

熱盤管床溫度平穩(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)局部過熱情況。因此，存在降低熱盤管床進口水溫，改進工況以使舒適區(qū)范圍擴大的可能。對熱源水溫要求降低的同時，存在利用可再生能源提供低溫?zé)崴_到節(jié)能的可能。

2.2 室內(nèi)環(huán)境對比分析

2.2.1 溫度對比 圖8為測試期間的室內(nèi)、外溫度變化情況。由圖8可知，3個房間室內(nèi)空氣平均溫度均高于室外約5 ℃以上，但3個房間的室內(nèi)溫度之間存在明顯差異。電熱毯供熱能力有限，熱傳遞過程局限于被褥范圍內(nèi)，對室內(nèi)空氣溫度幾乎無溫升作用，始終處于6 ℃以下?；鹂恢苯佑蔁煔饧訜?、熱慣性較小，可通過炕面及側(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)溫度基本滿足人體夜間被褥有加熱時最低7 ℃的舒適室溫要求[13]。熱盤管炕通過熱水盤管炕面向室內(nèi)散熱，由于存在預(yù)熱過程，溫度呈逐漸上升的趨勢，但熱盤管炕對室內(nèi)熱環(huán)境的溫升作用明顯，室內(nèi)溫度可達到9 ℃左右。

2.2.2 室內(nèi)空氣品質(zhì)分析 圖9為測試期間室內(nèi)CO2濃度變化情況。結(jié)合圖9，以CO2、煙氣濃度為標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)空氣品質(zhì)進行分析。電熱毯房間與熱盤管炕房間無CO2排放，室內(nèi)空氣質(zhì)量良好?；鹂环块g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，測試過程中房間里存在煙氣嚴(yán)重，衛(wèi)生條件差的情況?？梢?，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足冬季睡眠采暖要求，但其舒適性不高，其中電熱毯無法達到室內(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3種夜間采暖方式對比實驗分析得到以下結(jié)論：

1)熱盤管炕溫升平緩，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)。相比于熱盤管炕，火炕熱慣性較小，供熱時間不足；電熱毯溫度均勻性差，使用中存在“背熱肚涼”的情況。

2)熱盤管炕溫度平穩(wěn)時的溫度分布為80%舒適區(qū)及20%高溫不舒適區(qū)，可見在供回水溫度為50 ℃/46 ℃，流量為490 kg/h的工況下運行時，炕面有局部過熱情況，對熱源水溫要求降低的同時，存在進一步擴大舒適區(qū)和節(jié)能的可能。根據(jù)到達舒適溫度的時間，推薦火炕在睡眠前2.5 h點火，熱盤管炕在睡眠前3.5 h開啟為最佳。

3)3個房間室內(nèi)空氣平均溫度均高于室外約5 ℃以上，熱盤管炕對室內(nèi)溫度的影響最為明顯，使室溫由5 ℃上升至9 ℃?；鹂粚κ覂?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)合熱盤管炕的高舒適性，及易于安裝，只需在普通火炕基面上進行簡單施工即可實現(xiàn)，熱盤管炕在村鎮(zhèn)地區(qū)存在推廣的可行性。為了進一步推廣，可采用更加合理的運行方式以達到節(jié)能的目的，并克服其響應(yīng)速度不足的缺點。

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