蓄热式电暖器在北京农村地区的应用研究
中国建筑科学研究院有限公司 刘宗江，陈 亮，李 忠，冯爱荣，李爱松，李常铃
【摘 要】本文通过建立北京市农宅负荷计算模型，研究了节能建筑和非节能建筑的冬季热负荷特性。研究了蓄热式电暖器的蓄热、放热特性；将蓄热式电暖器放热特性与建筑负荷进行适应性研究，给出了蓄热式电暖器的选型方法，并对该方法的可靠性进行了论证。文章结论对蓄热式电暖器的选型设计具有指导意义。
【关键词】蓄热式电暖器；建筑负荷；蓄热率；放热量
【基金项目】国家科技支撑计划课题“绿色农房气候适应性研究和周边环境营建关键技术研究与示范”资助（2015BAL03B04）。
0 前言
近几年，随着北京煤改电项目的不断进展，全国各地特别是北方地区陆续加入煤改电大军，一时间清洁能源供暖成为时代新宠。目前，北京农村地区清洁取暖主要包括空气源热泵和蓄热式电暖器两大技术方向。空气源热泵产品在选型、系统设计上比较成熟，蓄热式电暖器目前缺乏明确的选型方法。本文从建筑负荷特性和电暖器放热特性两方面考虑，对蓄热式电暖器在北京农村地区的应用进行研究，研究结果对指导蓄热式电暖器的选型，理解产品热工性能具有指导意义。
1 北京农村住宅的负荷特性
据调查，北京市传统民居主要以四合院为主，属中国传统木构架体系的合院式建筑类型，是北方合院式传统民居的典型形式，其组合形式有单进院、二进院、三进院。北京农宅90.4%的外墙没有采取保温措施，但现有传统民居的外墙保温问题已逐步开始重视[1]。《农村居住建筑节能设计标准》规定的寒冷地区外墙传热系为数0.65W/(m2K)，实际上目前达到该水平的很少，广泛采用的370mm实心黏土砖的传热系数为1.61W/(m2K)，远高于节能水平[2]。
图1 北京农宅模型 图2 北京农宅计算trnsys环境
研究者主要针对外墙和外窗的围护结构性能，进行农宅的能耗模拟，在trnsys软件环境下，分别构建不节能建筑和节能建筑模型，进行比较分析。计算模型如下，其中模型参数见表1。
表1 参数对比表
经计算，得到北京市农宅的负荷特点，如图3所示。
图3 节能农宅全年冷热负荷分布
节能农村建筑全年冷热负荷分布如上，其中最大热负荷为4.53kW，计算热负荷设计指标为39.6 W/m2，负荷最大日为1月15日（第368h）如图4所示。
图4 负荷最大周节能农宅全年冷热负荷分布
北京非节能农村建筑全年最大热负荷为10.23kW，计算热负荷设计指标为89.7W/m2，负荷最大日为1月15日。
研究者将包含1月15日的一周负荷数据单独提炼出来，得到本周内建筑供暖负荷分布情况，其中节能建筑和非节能建筑对比分析，如图5所示。
图5 一周内北京农宅负荷分布
按照当前的电采暖散热器测试标准，蓄热8小时，结合北京农村谷电时间，蓄热阶段定为21:00~5:00。重新对1月15日建筑负荷进行统计，对于节能建筑谷电时段建筑总负荷为45.52kW·h，平电时段建筑总负荷为51.17kW·h，平电时段的总负荷占全天负荷的53%，建筑耗热量指标为0.85kW·h/(m2·d)。
对于非节能建筑1月15日谷电时段建筑总负荷为101.83kW·h，平电时段建筑总负荷为128.52kW·h，平电时段的总负荷占全天负荷的55.8%，建筑耗热量指标为2.02kW·h/(m2·d)。由图5可以看出，节能农宅和非节能农宅在建筑负荷的趋势上一致，能耗量值上有所差别。所以在末端设备选型上，两者的差异也仅体现在设备容量上。
2 蓄热式电采暖散热器的技术特点
蓄热式电暖器的加热原件将电能转化为热能，随着温度的升高蓄热导体并储存热量，断电后，在保温层的作用下，蓄热导体按一定的放热曲线放出热量，从而现实了“低谷蓄热、全天供暖”。产品通过温度控制装置，控制对流孔的开度，从而实现散热量的调节。产品的结构与散热原理如图6、7所示。
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| 图6 蓄热式电暖器的结构 | 图7 蓄热式电暖器的散热原理 |
高密度氧化铁及氧化镁构成，比热1.07~1.21 kJ/kg·℃，工作温度700~750℃ 。具有比较强的热量储存能力。目前蓄热电暖器主要提供1.6kW、2.4kW、3.2kW，三种选择，适用不同房间。每一个蓄热电暖器都可以单独灵活调控，最大限度满足不同用户的不同需要。
目前对蓄热式电暖器的检测标准为《电采暖散热器》（JG/T 236—2008）[3]。本文选择常见的3种型号的实验室检测数据，研究其蓄热、放热特点，并结合上文中的住宅负荷特点，进行蓄热式电暖器在北京农村地区的应用研究。三种样品的基本参数如表2给出。
表2 测试样品关键参数
在通电蓄热测试期间，保持散热器对流风口关闭，蓄热8小时，然后开启风口，散热，直到完成一个测试周期。在打开散热器对流风口时，产生散热量的阶跃，随后保持稳定散热。三种不同样品测试期间的蓄热过程散热量和散热过程散热量曲线如图8所示。
图8 实验室测试样品放热特性曲线
由测试结果可以看出，电暖器在蓄热过程中的散热量随蓄热时间线性变化，其实质是随蓄热介质温度线性变化，放热过程前期几乎线性变化，后期非线性变化。为了研究方便，这两个过程都简单拟合为线性过程，得到蓄热式电暖器启动蓄热后的蓄热过程放热量与放热过程放热量随运行时间的关系，从而可以与建筑负荷进行耦合分析。拟合得到的曲线如表3。
表3 不同类型电暖器放热特性曲线
以上拟合蓄热曲线的时间间隔为1min，蓄热期间放热性能曲线和放热期间放热性能的开始时间皆为0，时间变量为0min、1min、2min、3min……根据目前的产品特点，市场上蓄热式电暖器的普遍连续蓄热时间皆为9h，蓄热结束后，断电放热时间普遍为15h。实际运行时为非连续蓄热工况，不在本研究范围内。
由以上公式，研究者可以计算蓄热开始后，每一个时刻的蓄热式电暖器的供热量，和蓄热结束后，放热开始，每个时刻的供热量。因为实验室测试处于强制对流状态，可以认为以上数据为产品的最大放热能力，这样便可以将其与建筑最大热负荷结合研究蓄热式电暖器的供热特性。
3 蓄热式电暖器放热特性与建筑负荷适应性研究
在以上的研究中，研究者分别得到了北京市典型农宅在节能和非节能条件下的供暖负荷特性，并在实验室条件下研究了蓄热式电暖器的供热特性。本节将两者结合起来研究，主要做以下假设：
（1）蓄热式电暖器蓄热期间对流风口关闭，蓄热结束后对流风口打开；
（2）使用建筑最大热负荷日数据计算；
（3）散热器蓄热总时间为9h，在21:00:00时开启蓄热。
最大负荷日节能建筑与非节能建筑的负荷分布如下，建筑供暖负荷出现最低点对应的当天太阳辐照为最高值。由此可以确定建筑负荷最低点对应的当日时刻为13:00:00。由此类推出其他时刻。
按照理想状态设计，将建筑负荷特性分别与电暖器A， 电暖器B，电暖器C，进行耦合研究，得到的数据分布如图9所示。
图9 按照最大散热能力选型负荷曲线
可以看出，按照蓄热式电暖器的最大供热能力选择散热器时，建筑供热负荷一直高于散热器的散热量，供热效果很差。从散热过程曲线可以看出，选择电功率较小的蓄热式电暖器产品在后期放热过程中趋势比较平缓，供热效果较好。
同时，可知，建筑负荷在负荷最大日变化比较平缓，实验工况下的蓄热式电暖器的散热量的变化幅度较大，与建筑负荷变化不相适应，这就需要产品在实际应用时必须具备调节能力，在选择产品的散热量时可以考虑按照产品的实验工况下的平均散热能力选取，并以此作为产品选型指标。产品的额定电功率与平均散热能力的对应数据如表4所示。
表4 额定电功率与平均散热能力对照表
从而可以得出，在以上建筑模型中，节能建筑负荷为4.53kW，需要配置额定电功率为1600W的散热器的理论台数为9台，2400W的为6台，3200W的为5台。需要说明的是，本次模拟计算采用的是连续供暖模式，对厨房和卫生间部分也一并纳入到总建筑负荷统计，得到的建筑负荷偏大。实际上农村住宅实际应用时可以按照非连续供热考虑，部分非起居、卧室功能区域可以不供暖，实际应用时可以按照供暖房间面积热负荷指标核算，对每一间房间单独配置蓄热式电暖器，得到实际需要的散热器数量小于以上值。本文研究时按照所有房间都连续供暖考虑，供暖配置后散热器的散热曲线与建筑负荷曲线的对照关系如图10所示。
图10 按照平均散热能力选型负荷曲线
可以看出此时建筑负荷曲线位于散热器的散热量曲线中部，通过调节散热器的散热量可能实现建筑稳定供热。在这种情况下，验算在北京地区的蓄热量能否满足建筑的供热要求。北京农村要求蓄热9小时，实验室测试时蓄热8小时，实际应用条件优于实验室测试条件。本文以8小时蓄热作为依据进行验算。建筑谷电热负荷为45.52kW·h，平电热负荷51.17kW·h。
表5 不同电采暖散热器蓄热放热阶段总散热量
以上数据表明，在蓄热阶段如果完全蓄热，按照以上选型方法得出的数量配置，负荷总量基本上与建筑负荷一致，总蓄热量远大于不蓄热阶段的建筑供热负荷，带来蓄热量过剩，同时，也导致在谷电蓄热时段，供热量不足。这说明优化调整蓄热式端暖气的蓄热阶段散热量与散热阶段的散热量的比例，对实际工程应用中保证供热的有效性十分重要。对于一个供热产品，虽然蓄热率为衡量其蓄热性能的重要指标，但是不能片面追求蓄热性能忽略产品的供热能力。
4 研究结论
随着北京煤改电进一步推进，蓄热式电暖器产品应用范围逐渐扩大，前期的基础性研究工作相对滞后，本文的研究结果对指导蓄热式电暖器的选型，理解产品热工性能具有指导意义，主要结论如下。
（1）北京节能农宅计算热负荷指标为39.6W/m2。平电时段的总负荷占全天负荷的53%，建筑耗热量指标为0.85kW·h/(m2·d)。北京非节能农村建筑计算热负荷设计指标为89.7W/m2，平电时段建筑总负荷为128.52kW·h，平电时段的总负荷占全天负荷的55.8%，建筑耗热量指标为2.02kW·h/(m2·d)。
（2）通过三种典型蓄热式电暖器的实验室测试结果，拟合给出了该产品在蓄热状态下的散热量和放热状态下的散热量随时间变化曲线，为设计人员动态评价散热设备的散热量提供依据。
（3）本文将蓄热式电暖器放热特性与建筑负荷进行适应性研究，给出了蓄热式电暖器的选型方法，并对该方法的可靠性进行了论证。通过对建筑负荷与电暖器散热特性进行一致性分析，强调了蓄热式电暖器要兼顾蓄热量与散热能力。
参考文献
[1] 邓琴琴,李梦沙,宋波,李德英. 北京农村传统民居墙体节能技术探析[J]. 建筑节能,2014,(10):36-41.
[2] GB/T 50824—2013 农村居住建筑节能设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
[3] JG/T 236—2008 电采暖散热器[S].北京：中国标准出版社，2008.
注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年3月刊总第3期《2017全国供暖技术年会论文集》中。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。