牛冬茵，谭羽非，张甜甜，何秀义
哈尔滨工业大学建筑学院，寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室
【摘 要】电热采暖作为一种清洁采暖方式，凭借环保便捷、可控可调的优势得到广泛应用。民用房间使用电暖器一般是为了满足快速采暖的需求，且电暖器普遍功率较高，因此通常选用间歇性运行模式。电暖器散热效果是采暖设备选择的依据，本文以相同额定功率的对流式和辐射式电暖器为研究对象，通过实测两种电暖器的响应时间，室内的空气温度和辐射温度，对比分析了二者在室内间歇运行时的采暖效果。测试结果显示：间歇性运行时，对流式电暖器的响应时间短，比辐射式电暖器用时短5min，室内升温快，对室内空气的整体加热效果优于辐射式电暖器；辐射式电暖器更能满足局部采暖的需求，在局部范围内辐射温度能达到28℃。本文结论为电采暖的设计和设备的选择提供了理论依据及技术参考。
【关键词】对流式电暖器；辐射式电暖器；实测；采暖效果；对比分析
【基金项目】“十三五”重点研发计划项目课题 “村镇电热直接转换供暖及蓄热技术研究”（编号：2018YFD1100703）
0 引言
传统燃煤采暖方式效率低，供暖成本高，且对环境的污染较严重。因此，节能减排的采暖方式是供热工程发展的必然方向。电采暖相较于传统燃煤采暖，安装简易且升温快，温度容易控制，在环保、便捷等方面有显著的优势。但对于民用房间日常使用而言，电暖器功率普遍较大，耗电多且电价高，为降低费用通常采用间歇运行方式[1]。因此，电暖器的采暖效果是电采暖设计和设备选择的基础。
电热采暖方式主要分为对流式和辐射式两种，对流式电暖器主要利用冷热空气自然对流的传热方式使周围空气受热，而辐射式电暖器则主要以辐射的方式向周围传递热量达到采暖目的。目前对散热设备两种传热方式的研究多是理论、模拟研究和效果评价，J. Le Dréau等[2]通过对末端设备进行稳态模拟，发现对流末端受到换气速率和室外温度的影响更大，其能源利用效率通常低于辐射末端；国丽荣[3]分析了两种采暖方式室内温度的稳定性，发现采用对流采暖升温比辐射采暖快得多，但房间热稳定性比辐射采暖差。也有一些关于电散热设备散热效果的研究，张耘等[4]对比了辐射式制热方式与传统电热器和电热空调，发现平面辐射式制热是一种高效、舒适且成本更低的采暖方式；杨强等[5]发现相同功率的对流式电暖器对空气的加热效果要优于辐射电暖器。这些研究主要是对采暖期两种采暖方式的长期供暖效果进行对比，而没有对电暖器间歇性运行采暖效果进行研究。
本文通过对对流式和辐射式两种电暖器间歇式运行采暖进行实验测试研究，对比了两种电暖器在室内间歇运行的采暖效果，对二者的差异性进行了讨论，结论为电采暖的设计和设备的选择提供了理论依据及技术参考。
1 实验系统及内容
1.1 实验环境
本次测试在符合国际标准的温控闭式测试小室[6]内进行。测试小室内部净尺寸为：长4.2m×宽3.1 m×高4.2m。
测试小室包括两个分隔开的空间：（1）外围护结构与闭式小室之间的夹层；（2）闭式小室。小室采用拼装式，外围护结构采用保温材料，具有较大热阻，近似绝热，无冷热量和功损失，从而排除外界环境变化对房间内温度场的影响，保证整个系统在稳定工况下运行。闭式小室壁面为不锈钢板。二者壁面夹层内设有送、回风循环系统，采用吊顶百叶窗均匀送风（上送下回）至小室空间，以实现对闭式小室温度和湿度的控制。在闭式小室内的电暖器开启之前，可根据实验需求，由夹层内系统调节闭式小室室温至预设温度。舱室内合适位置安装有摄像头，以便在实验过程中实时监控现场情况。
选取对流式和辐射式电暖器各一台，额定功率均为1760W，在小室地面居中布置，测试系统图和实物布置如图1所示。
（a）测试系统图（b）实物布置图
图1 测试系统图
1.2 实验内容
本实验的主要目的，是为了测试对比对流式电暖器和辐射式电暖器的热工性能、散热效果以及运行特性，实验包括两部分：空气温度测试和辐射温度测试。
1.2.1 空气温度测试
在相同室内外环境下，依次采用对流式和辐射式电暖器，将舱室室温由10.5℃加热至19℃，在此过程中主要测定：
（1）升温过程中，舱室内不同高度平面的室温随加热时间的变化情况；
（2）升温过程中，室内平均温度随加热时间的变化情况；
（3）升温过程中，两种电暖器各自的室温变化所对应的温升时间。
1.2.2 辐射温度测试
在相同室内外环境下，依次采用对流式和辐射式电暖器，将舱室室温由19℃加热至22℃，在此过程中主要测定：
（1）升温过程中，室内布置的固体壁面不同高度处表面温度随时间的变化情况；
（2）升温过程中，室内布置的固体壁面表面测点平均温度随加热时间变化的对比；
（3）辐射温度衰减规律测试。
1.3 测点布置
空气温度测试中，在舱室内不同高度平面上（0.8m、1.6m、2.3m）各均匀布置了4个测点，共计12个温度测点，位置分布如图2所示。同时，为了更好地表征室内的温度分布情况，实验开始前，在舱室内0.5m高度平面上增设6个温度测点[6]。所有温度测点与室外控制及数据采集系统相连。数据采集系统上，除了显示12个测点的温度数据外，还计算并显示室温，计算公式如式1：
(1)
式中，tN——室温，取12个测点的平均温度；
ti——测点的温度，i取0，1，2……11。
辐射温度测试中除上述12个空气温度测点外，在距离电暖器1.0m处放置了黑色金属板（尺寸：1.0m×1.0m）作为接受辐射热量的固体壁面，并在胶板不同高度（0.3m、0.5m、0.75m）处各对称布置2个测点，共计6个测点，并在电暖器另一侧1.0m、高0.5m处布置空气温度测点，作为对比。
图2 测试小室内测点布置
1.4 测试仪器
利用TP700多路数据记录仪记录各测点温度并保存至PC机中，传感器采用经过标定的铜-康铜热电偶，测试共采用18个热电偶进行测量。辐射温度测试中采用黑球温度计测量室内空气温度；辐射衰减规律实验采用红外热成像仪得到吸热板表面的温度分布情况。
2 实验结果分析
2.1 空气温度测试
2.1.1 对空气的加热效果分析
升温过程中，采用两种不同的电暖器时，室内不同高度测点温度、室内空气温度随时间的变化见图3和4。由图3可知，在小室内无其他内外热源且围护结构近似绝热条件下，辐射式电暖器用时58分钟，对流式电暖器用时53分钟，使室内空气温度升高到指定温度19℃，均能满足室内采暖效果的需求。
由图4可知，两次实验中室内温度均出现了上高下低的温度分层现象，是由于热空气受到热浮力影响而上浮造成的。采用辐射式电暖器的房间上下温差为1.5℃左右，采用对流式电暖器的房间上下温差则为1.9℃左右。
结合图3和图4可知，两种电暖器开启10min，室内空气温度均达到13℃，10min以后使用对流式电暖器的房间温升加快，室内空气温度总是比使用辐射式电暖器的房间高0.5℃左右。根据传热学基础理论，对流式电暖器加热空气主要利用的是自然对流原理，通过室内空气的循环流动进行热量交换，把热量传递到房间各处，而采用辐射式电暖器的房间上下温差小，室内空气循环流动慢于使用对流式电暖器的房间。空气在室内温度范围内，实际上并没有发射或吸收辐射能量的能力，所以房间内空气温度的升高都是由对流换热造成的。因此当加热功率相同时，以对流换热方式为主的对流式电暖器对空气的加热效果要优于辐射式电暖器，升温更快，能更快达到室内采暖效果要求。
图3 升温过程中室内温度随时间的变化
（a）辐射式电暖器（b）对流式电暖器
图4 升温过程中室内不同高度温度随时间的变化
2.1.2 响应时间分析
由于电暖器采用间歇运行，在二者均可以满足采暖需求的情况下，室内空气温度上升的快慢则成为评判不同传热方式电暖器采暖效果的重要因素之一。室内各高度处由初始温度达到18℃所需的时间如表1所示，以此作为衡量标准定量对比采用两种采暖方式时房间热响应的快慢。由表1可知采用电暖器采暖，房间上部温度先达到18℃，随高度的降低达到18℃所需的响应时间越长。通过对比发现，对流式电暖器采暖达到18℃所需的时间均短于辐射式电暖器。因此，对流式电暖器采暖在响应时间上更占优势，能够更快达到室内采暖温度的要求。
表1 室内各高度处达到18℃所需时间
分析空气温度测试结果可以发现，当加热功率相同时，对流式电暖器对空气的加热效果要优于辐射式电暖器。在均能达到指定温度19℃的前提下，对流式电暖器的响应速度更快、效果更佳，且采用对流式电暖器对房间整体的加热效果要优于辐射式电暖器。
2.2 辐射温度测试
2.2.1 固体壁面表面辐射温度
距离电暖器1.0m处的黑色固体壁面接收电暖器的辐射射线，升温过程中测试其表面温度，即辐射温度。固体壁面上不同高度测点的温度随时间的变化曲线如图5所示；使用两种不同的电暖器时，固体壁面表面平均温度随时间变化的对比曲线如图6所示。
（a）辐射式电暖器（b）对流式电暖器
图5 升温过程中固体壁面不同高度处温度随时间的变化
图6 辐射和对流电暖器测试中固体表面温度随时间的变化
由图5可知，固体壁面上的测点温度随高度的增加而降低，这是由于电暖器布置在地面上，而辐射效果受距离影响，会以电暖器散热面为中心，随着半径距离的增大而降低。由图6可知，采用辐射式电暖器时壁面辐射温度要比对流式电暖器高5℃，即固体壁面所接收到的辐射射线热量更多。
根据传热学原理，对流式电暖器通过自然对流与其周围的空气进行换热，空气循环流动传递热量，整个过程以对流传热方式为主，辐射换热所占比例很小，所以能够直接被载体吸收的辐射热量较小。而辐射式电暖器则是表面发射热射线，通过热射线传递辐射热能。辐射式电暖器发出热射线投射到四周的围护结构内表面上，投射来的热射线一部分被内表面吸收，获得辐射热能，温度升高，再与空气进行对流换热；另外的大部分热射线遵循光的反射定律，被围护结构内表面反射回去，连续反射的热射线在室内呈漫射状。同时电暖器表面也与周围空气进行自然对流换热。整个过程以辐射换热方式为主，对流换热所占比例很小。人员或物体处于室内，其表面会吸收直接投射到其上的那部分热射线和一部分漫射来的射线的辐射能。
Fanger教授提议用有效温度来测量局部热舒适性[7]。有效温度是平均辐射温度和空气温度的近似平均值，因此对于人体的热舒适而言，需要同时考虑室内的空气温度和电暖器附近的平均辐射温度。在室内空气温度相同时，人体的舒适度取决于平均辐射温度。据测试结果可知，辐射式电暖器附近的平均辐射温度要高于对流式电暖器，即人体在辐射式电暖器附近的得热量更大。所以人体在辐射式电暖器附近的热感觉更强，能够快速感知到温度的上升，比对流式电暖器更快达到热舒适。
综上所述，对于电暖器间歇式运行，若要满足人体提高局部热舒适度的需求，辐射式电暖器效果更好。
2.2.2 辐射温度衰减规律
在密闭的测试小室内开启辐射式电暖器，在吸热平板表面涂黑体辐射涂料，其发射率和吸收率可达到0.996。将吸热平板距加热器0.2m处放置，并在每次板面温度达到稳定后，用红外热成像仪拍摄得到吸热板面的平均温度，并将吸热板向远离电暖器方向移动0.1m再次重复实验过程。对数据进行整理，得到吸热板表面的辐射温度随距离的衰减曲线如图7所示。由图7可知，辐射效果的大小和与电暖器的距离有关，吸热板距离电暖器最近时，辐射温度最高，随着与电暖器距离的增大，吸热板的辐射温度迅速降低。对于人体采暖而言，根据测试结果可以看出，距离辐射式电暖器越近，辐射温度越高，所以人体距离辐射式电暖器越近，热感觉越强。
图7 辐射温度随距离的衰减曲线
3 结论
1）在加热功率相同时，对流式电暖器对空气的加热效果要优于辐射式电暖器，响应速度上也更占优势，使室内空气温度升高到指定温度19℃的时间较辐射式电暖器少5分钟。
2）在加热功率相同时，辐射式电加热器附近人体所能接收到的辐射传热量要大于对流式电加热器相同位置处，人体的热舒适度更高。此外，随着与辐射板的距离的增大，辐射强度衰减非常迅速。
综合两个实验结果来看，基于电采暖间歇运行的特点，两种电加热器均能满足采暖效果的目的，但是两者的采暖效果表现出了明显的差别，为电采暖加热器的选择提供了参考。如果考虑房间整体采暖效果，对流式电加热器可以较快提高室内空气平均温度，响应速度快，是较优的选择；当人体需要局部采暖、提升局部热舒适感，或需要直接获得较高强度的热量时，辐射式电加热器是更好的选择，能够有效提升热舒适性。
参考文献
[1] 贺孟春，刘东，庄江婷，et al. 对流式和辐射板式电加热器的实验研究[J]. 建筑热能通风空调，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] 国丽荣. 两种采暖方式室内温度稳定性分析[D]. 哈尔滨工业大学，2006.
[4] 张耘，李万勇，陈江平. 平面辐射式制热在室内采暖领域的应用[J]. 建筑热能通风空调， 2019，038(005)：74-79，88.
[5] 杨强，路宾，戴立生，et al. 对流与辐射散热器对空气加热效果的实验研究[J]. 建筑科学，2009，025(010)：60-64.
[6] 采暖散热器散热量测定方法（GB/T 13754-2017）[S]. 北京：中国计划出版社，2017
[7] P. O. Fanger. Calculation of Thermal Comfort: Introduction of a Basic Comfort Equation. ASHRAE Transactions. 1976，73(2):1-20
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
