發(fā)熱電纜低溫輻射供暖系統(tǒng)研究：以新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)生宿舍樓為例

趙志軍，苑淑雅，王萬(wàn)江，劉 凱

(1. 中國(guó)建筑西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710018；2. 新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830017)

近10 a 來(lái)，我國(guó)北方的“富煤”集中采暖結(jié)構(gòu)致使我國(guó)年均碳排放約占全球1/3，位列榜首，且單位GDP 能耗是世界平均水平的1.77 倍，其中煤炭占比達(dá)57.6%是導(dǎo)致碳排放強(qiáng)度過(guò)高的重要原因[1-2].在碳源分布上，我國(guó)北方集中熱電碳源占比為44.4%，其中烏魯木齊市的集中供暖使得碳源更為集中，碳排放量更大[3-4].因此，推動(dòng)現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)合理化利用、創(chuàng)新能源利用技術(shù)和提高能源利用率是減排控溫的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的有效之舉.在能源消耗大和環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，自2020 年以來(lái)，國(guó)家“十四五”節(jié)能減排的戰(zhàn)略減緩了城鎮(zhèn)化建設(shè)的速率，并倡導(dǎo)我國(guó)北方地區(qū)的采暖應(yīng)“宜氣則氣，宜電則電”[5].如今，新疆已大規(guī)模建成了大容量的風(fēng)電和光伏裝機(jī)配置，推動(dòng)了現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)的合理化利用，為促進(jìn)當(dāng)?shù)販p排控碳提供了硬件支持.然而，新疆2017 年1 季度的新能源累計(jì)棄電量達(dá)到38.96 億kWh，棄電比高達(dá)34.8%[6-7]，且其外網(wǎng)輸配與供應(yīng)不匹配，導(dǎo)致電力棄滯，造成了可再生能源的浪費(fèi)和項(xiàng)目投資回收期的延長(zhǎng)，這與各地拉閘限電極其矛盾.因此，為了就地消納被棄風(fēng)電、光電，需建設(shè)大量的儲(chǔ)能配套設(shè)施和東數(shù)西算等項(xiàng)目，以提高可再生能源的使用率，解決當(dāng)?shù)仉娏墱屯饩W(wǎng)輸配平穩(wěn)供應(yīng)的問(wèn)題.

電采暖已成為新疆地區(qū)現(xiàn)代化樓宇尤其是學(xué)校、醫(yī)院、政府辦公樓等公共大型建筑項(xiàng)目冬季采暖的發(fā)展趨勢(shì)[8-9].基于此，本文借助實(shí)際案例，利用Designbuilder 模擬軟件開(kāi)展了發(fā)熱電纜采暖自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，以期為同類熱工項(xiàng)目施工提供參考.

1 研究對(duì)象及其采暖系統(tǒng)控制原理

1.1 建筑概況及其室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)

本文的研究對(duì)象為新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)某學(xué)生宿舍樓.該樓由新疆建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，2011 年7月竣工，呈東西走向，地上12 層，地下1 層，房間統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)6 人間，高層框架結(jié)構(gòu)；各房間長(zhǎng)為6 m，寬為3.3 m，高為3 m，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)由370 mm 厚磚混非剪力外墻和80 mm 厚保溫苯板構(gòu)成，外窗為雙層low-e 玻璃塑鋼窗；建筑采暖使用發(fā)熱電纜低溫輻射供暖系統(tǒng)，即地面為現(xiàn)澆混凝土加鋪瓷磚作為基板，內(nèi)鋪發(fā)熱電纜進(jìn)行低溫輻射供暖.該建筑供暖總面積約25 158 m2，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)為50.2 W/m2.經(jīng)計(jì)算，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示.

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)暖通設(shè)計(jì)圖紙可知，當(dāng)室外計(jì)算溫度為-22 ℃時(shí)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示.

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 發(fā)熱電纜供暖系統(tǒng)控制原理

該宿舍樓采用雙導(dǎo)發(fā)熱電纜，其內(nèi)芯由冷線和熱線組成，外部由絕緣層、接地、屏蔽層和外護(hù)套組成.發(fā)熱電纜以電力為熱源，通電后其利用合金電阻絲發(fā)熱體發(fā)出7～10 μm 波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線，向人體和室內(nèi)空間熱輻射.熱輻射能通過(guò)地面熱傳導(dǎo)至室內(nèi)空間，引起室內(nèi)空氣熱對(duì)流，達(dá)到采暖或保溫目的.以發(fā)熱電纜作為熱源時(shí)，其溫度在40～60 ℃為宜，過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致自燃；其線功率不宜大于17 W/m，且在布置時(shí)還應(yīng)考慮家具的遮擋影響[8].由于熱傳導(dǎo)受到時(shí)間和空間變化的約束，且材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)與其物理性質(zhì)有關(guān)，因此該宿舍樓地面基板的深度設(shè)為70 mm.

根據(jù)發(fā)熱電纜排列形式，在軟件中模擬計(jì)算時(shí)，需考慮室內(nèi)空氣溫度、發(fā)熱電纜埋深為40 mm時(shí)的溫度及其有效電導(dǎo)率等作為邊界條件.利用有限元方法，在二維空間和瞬態(tài)下建立發(fā)熱電纜的傳熱表達(dá)方程，即

其中，Cv為發(fā)熱電纜容積熱容量，J/m3·℃；cT為發(fā)熱電纜表面溫度，℃；T為發(fā)熱時(shí)間，s；{ }L為拉普拉斯變換；Ke為多孔介質(zhì)有效傳熱矩陣，包括熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流；rHs為單位體積混凝土的熱流量，W/m3.

依據(jù)建筑熱負(fù)荷計(jì)算方法[5]，得到采暖房間的總安裝功率，即

其中，Q為采暖房間的總安裝功率，W；α為間歇供暖修正系數(shù)，取1.3；β為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)；f為圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m2；k為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/m2·k；t s為室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，℃；t r為室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度，℃；qh為單位面積戶間傳熱量，取7 W/m2；A為房間實(shí)際供暖面積，m2.

當(dāng)建筑面積確定時(shí)，戶間傳熱量為常數(shù)，用附加系數(shù)修正后可得

其中η為戶間傳熱附加系數(shù).

布線間距與電纜長(zhǎng)度的關(guān)系滿足

其中，S為發(fā)熱電纜布線間距，mm；A' 為敷設(shè)發(fā)熱電纜的地面面積，m2；xP為發(fā)熱電纜額定電阻時(shí)的線功率，W/m；δ為發(fā)熱電纜的向下傳熱量占比，取16%；ζ為發(fā)熱電纜的向上傳熱量占比，取84%；φ為家具遮擋安全系數(shù)，取1；L為所選電纜長(zhǎng)度，m.

電流經(jīng)宿舍分戶電度表通過(guò)電纜進(jìn)入溫控設(shè)備，由電纜合金電阻絲發(fā)熱并給宿舍服務(wù)空間供暖.項(xiàng)目施工時(shí)，發(fā)熱電纜并行鋪設(shè)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 地面基板結(jié)構(gòu)及發(fā)熱電纜布置示意

供暖系統(tǒng)所用設(shè)備及其型號(hào)、參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 系統(tǒng)設(shè)備及其型號(hào)、參數(shù)

整個(gè)采暖房間的室溫通過(guò)離散PID 調(diào)節(jié)算法控制實(shí)現(xiàn).首先，根據(jù)室溫設(shè)定值調(diào)節(jié)發(fā)熱電纜的基礎(chǔ)電熱功率；其次，依據(jù)實(shí)時(shí)室溫與室溫設(shè)定值的偏差確定實(shí)際供熱量，其控制調(diào)節(jié)過(guò)程可參考式(5)～式(6)[10].

其中，Qτ為發(fā)熱電纜τ時(shí)刻的輸出熱量，kW；Qτ-1為發(fā)熱電纜τ- 1時(shí)刻的輸出熱量，kW；K為溫度比例常數(shù)；Δt r,τ為τ時(shí)刻的室內(nèi)溫度t r,τ與室溫設(shè)定值ts的偏差，℃；Δt r,τ-1為τ- 1時(shí)刻的室內(nèi)溫度t r,τ-1與室溫設(shè)定值ts的偏差，℃；Δtr,τ-2為τ-2時(shí)刻的室內(nèi)溫度t r,τ-2與室溫設(shè)定值ts的偏差，℃；Δτ為純時(shí)滯時(shí)間步長(zhǎng)，s；T i為微分時(shí)間常數(shù)；T D為積分時(shí)間常數(shù).

將式(3)代入式(5)，可得

其中，ts,τ為τ時(shí)刻的室內(nèi)溫度設(shè)定值，℃；t s,τ-1為τ-1 時(shí)刻的室內(nèi)溫度設(shè)定值，℃；tr.τ為τ時(shí)刻的室內(nèi)實(shí)時(shí)溫度，℃.

相對(duì)于室內(nèi)溫度的緩慢調(diào)節(jié)過(guò)程，發(fā)熱電纜對(duì)地面基板的溫度調(diào)節(jié)則非?？?，且進(jìn)入基板的熱流在調(diào)節(jié)過(guò)程中可被看作常數(shù)參量，因此可以采用電級(jí)調(diào)節(jié)，即把調(diào)節(jié)過(guò)程分解為2 個(gè)相互影響很小的進(jìn)程，以便更好地實(shí)現(xiàn)調(diào)控.

在采暖過(guò)程中，室內(nèi)的相對(duì)濕度也需要被控制在適當(dāng)范圍內(nèi).但是，相對(duì)濕度與溫度并非相互獨(dú)立的物理參數(shù)，二者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)相互影響：當(dāng)室內(nèi)空氣中的水分含量不變時(shí)，溫度升高可以導(dǎo)致相對(duì)濕度降低；反之，溫度降低又可導(dǎo)致相對(duì)濕度增加.真正反映空氣含水量的是空氣的絕對(duì)濕度，即當(dāng)溫度不變時(shí)，絕對(duì)濕度的變化會(huì)導(dǎo)致相對(duì)濕度變化.若能準(zhǔn)確控制空氣的溫度和絕對(duì)濕度，也就控制了空氣的相對(duì)濕度.室內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度變化可以被描述為

其中，V為房間空氣體積，m3；ρ為房間空氣密度，kg/m3；G為空氣流量，kg/s；Cs為滲漏風(fēng)的絕對(duì)濕度，kg/m3；C為空氣絕對(duì)濕度，kg/m3；W為人體等產(chǎn)生的水蒸氣量，kg/s.

當(dāng)室內(nèi)空氣質(zhì)量不變時(shí)，可將滲漏風(fēng)的絕對(duì)濕度作為房間濕度的調(diào)節(jié)手段，并將室內(nèi)溫度設(shè)定值作為調(diào)節(jié)量來(lái)具體分析室溫的調(diào)節(jié)過(guò)程.由于室內(nèi)各類物體表面的吸濕能力一般都很小，故可忽略因室內(nèi)濕度變化所導(dǎo)致的表面吸濕或放濕的變化量.濕度調(diào)節(jié)時(shí)間參數(shù)為T(mén)n=V ρ/G，即房間換氣次數(shù)的倒數(shù).室內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度調(diào)節(jié)與溫度調(diào)節(jié)一樣，可通過(guò)串級(jí)調(diào)節(jié)進(jìn)行控制.房間滲漏風(fēng)的熱量消耗為

其中Qlk為滲漏風(fēng)的熱量調(diào)節(jié)量，kW.

采暖系統(tǒng)的溫、濕度控制系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2.

圖2 發(fā)熱電纜供暖系統(tǒng)控制原理

本系統(tǒng)采用分層控制.首先，在無(wú)干擾量的情況下，計(jì)算機(jī)接收到被放置在基板不同位置(見(jiàn)圖1)的溫、濕度探頭的測(cè)試反饋信號(hào)，與溫控器設(shè)定的室內(nèi)溫、濕度參考值對(duì)比；其次，若對(duì)比結(jié)果有偏差，計(jì)算機(jī)則利用數(shù)字信號(hào)通過(guò)溫控器控制發(fā)熱電纜的熱功率輸出及其電加熱程序的啟停，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫、濕度控制；最后，溫、濕度探頭將監(jiān)測(cè)到的室內(nèi)溫、濕度變化數(shù)據(jù)以1 min為間隔進(jìn)行采集并輸出反饋數(shù)字信號(hào)，其平均值通過(guò)可編程數(shù)據(jù)記錄儀以15 min為間隔進(jìn)行存儲(chǔ)，并與計(jì)算機(jī)共享該數(shù)據(jù).

2 研究方法與結(jié)果分析

2.1 實(shí)測(cè)研究與分析

研究選定于北京時(shí)間2021 年2 月2 日00:00至2 月12 日00:00 進(jìn)行實(shí)地測(cè)試.實(shí)驗(yàn)選取新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)北校區(qū)的13#宿舍樓5 個(gè)房間作為測(cè)試對(duì)象，其中3 樓陽(yáng)面中間房間為實(shí)驗(yàn)房間，其上下左右均為參考房間，且在各房間幾何中心處均布設(shè)溫、濕度記錄儀，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔設(shè)為15 min.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，定期用紅外測(cè)溫儀測(cè)量墻體壁面溫度和房間地面溫度，并記錄實(shí)驗(yàn)小組成員(5 人)的舒適度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù).

整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分3 種運(yùn)行模式.第1 種運(yùn)行模式是在保證參考房間不受凍的條件下，將供暖系統(tǒng)設(shè)置為12 ℃最低溫運(yùn)行，且將實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)溫度上限設(shè)定為22 ℃，同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)房間的溫度變化情況[8,12]；第2 種運(yùn)行模式是預(yù)先將5個(gè)房間的室內(nèi)溫度均設(shè)為22 ℃，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)房間的溫度上升情況及室內(nèi)熱體驗(yàn)效果；第3 種運(yùn)行模式是將實(shí)驗(yàn)房間的供暖溫度設(shè)置為不受凍溫度即12 ℃運(yùn)行，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)房間的溫度下降情況及室內(nèi)熱體驗(yàn)效果.各模式實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4 所示.

表4 實(shí)驗(yàn)參數(shù) ℃

在第1 種運(yùn)行模式下，實(shí)驗(yàn)房間與參考房間的室內(nèi)溫度變化情況如圖3 所示.

圖3 實(shí)驗(yàn)房間與參考房間溫度變化

由圖3 可知，實(shí)驗(yàn)房間與參考房間的室內(nèi)溫度在2 月2 日00:00～4 日09:00 由13.3 ℃持續(xù)升至18.7 ℃，并在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始29 h 后穩(wěn)定維持在18～20.5 ℃.由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)房間的采暖符合室內(nèi)環(huán)境溫度要求，這表明電采暖完全可以滿足室內(nèi)的熱舒適需求，且比傳統(tǒng)熱水供暖(至穩(wěn)定供暖需72 h)縮短43 h[8].

由于戶間傳熱，參考房間也有溫升，約升至19 ℃左右.在系統(tǒng)運(yùn)行40 h 后，即2 月3 日下午16:00 左右，實(shí)驗(yàn)房間的室內(nèi)溫度達(dá)到最高值20.76 ℃，此時(shí)室外溫度為-18.5 ℃.這說(shuō)明當(dāng)室外溫度較低時(shí)，參考房間的室內(nèi)溫度也可保證房間內(nèi)人員不受凍.實(shí)驗(yàn)房間室內(nèi)與室外溫、濕度變化情況如圖4 所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)房間與室外溫濕度變化

由4 圖可知，在2 月2 日11:00～4 日00:00，當(dāng)?shù)氐氖彝鉁囟纫恢碧幱? ℃以下，最低達(dá)-18.9 ℃.烏魯木齊市一年四季的相對(duì)濕度從大到小依次為冬季、秋季、春季和夏季，其冬季室外平均相對(duì)濕度為67%，這與我國(guó)內(nèi)地大部分地區(qū)不同.當(dāng)室內(nèi)的溫度穩(wěn)定后，其相對(duì)濕度為12%～18%，實(shí)驗(yàn)小組成員的熱感標(biāo)度均為暖.

在第2 種運(yùn)行模式下，5 個(gè)房間的供暖溫度均被預(yù)設(shè)為22 ℃.當(dāng)供暖系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)，其室內(nèi)和室外溫、濕度變化情況如圖5 所示.

圖5 實(shí)驗(yàn)房間與室外溫濕度變化

由圖5 可知，在2 月5 日00:00～7 日10:00，當(dāng)?shù)厥彝鉁囟纫恢碧幱?10 ℃以下，最低達(dá)-19.2 ℃.繼第1 種運(yùn)行模式后，此時(shí)室外溫度雖低，但實(shí)驗(yàn)房間和參考房間的室內(nèi)溫度均達(dá)到熱舒適要求，且實(shí)驗(yàn)房間的室內(nèi)溫度穩(wěn)定維持在18～20.5 ℃，系統(tǒng)溫度響應(yīng)時(shí)間僅為6.5 h.當(dāng)室內(nèi)的溫度穩(wěn)定后，其相對(duì)濕度為5%～15%，空氣較干燥，未達(dá)到濕舒適性要求.這說(shuō)明冬季室外的相對(duì)濕度雖大，但當(dāng)采暖系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)仍需采取措施加濕.

在第3 種運(yùn)行模式下，各房間的室內(nèi)溫度變化情況如圖6 所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)房間與參考房間溫度變化

由圖6 可知，在2 月8 日11:00～12 日00:00，參考房間的室內(nèi)溫度維持在17.7～21.5 ℃，實(shí)驗(yàn)房間的室內(nèi)溫度從19.8 ℃降至18 ℃.實(shí)驗(yàn)房間內(nèi)人員對(duì)室內(nèi)動(dòng)態(tài)熱環(huán)境的熱感為暖，說(shuō)明此時(shí)滿足室內(nèi)供暖溫度要求[11-12].5 個(gè)房間的相對(duì)濕度為12%～14%，實(shí)驗(yàn)小組成員均覺(jué)得空氣干燥，這說(shuō)明此時(shí)未達(dá)到濕舒適性要求.

根據(jù)峰谷值電價(jià)時(shí)段分布，將人員在室活動(dòng)時(shí)間與峰谷值電價(jià)時(shí)段錯(cuò)開(kāi)，并利用控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控以降低用電成本.經(jīng)測(cè)試，所得峰谷值時(shí)段的運(yùn)行成本占比情況如圖7 所示.

圖7 峰谷值時(shí)段運(yùn)行成本占比

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)供暖季(每年10 月10 日至次年4 月10 日)該建筑電采暖的平均成本為16.63 元/m2，比烏魯木齊市的市政供暖成本(22 元/m2)節(jié)約了5.37 元/m2.實(shí)驗(yàn)所得其耗熱量指標(biāo)為14.17 W/m2，相對(duì)于烏魯木齊市城市居住建筑的采暖耗熱量指標(biāo)(21.8 W/m2)，節(jié)能達(dá)32.5%.發(fā)熱電纜控制靈活、響應(yīng)快，能快速達(dá)到熱舒適溫度，對(duì)于集體宿舍這類間歇供暖建筑其節(jié)能效果更為顯著.

2.2 Designbuilder 軟件模擬研究與分析

基于文獻(xiàn)[13-14]所提方法，利用Designbuilder軟件構(gòu)建建筑模型(見(jiàn)圖8)，調(diào)用EnergyPlus 進(jìn)行能源消耗、碳排放、室內(nèi)熱擾和供暖空氣調(diào)節(jié)等分項(xiàng)性能模擬.以烏魯木齊市典型氣象年的室外逐時(shí)天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱模擬，同時(shí)考慮室外氣候、室內(nèi)熱擾和供暖系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)域內(nèi)溫度、風(fēng)速、氣壓等數(shù)值的影響，進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，得出達(dá)到并維持房間設(shè)定溫度值所需的供熱量，并根據(jù)室內(nèi)空氣溫、濕度評(píng)估其舒適性.

圖8 建筑模型

瞬態(tài)分析的邊界條件包括室內(nèi)空氣溫度、地面基板的表面溫度和熱流，以及加熱元件所發(fā)出的熱流.本文以實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果作為初始邊界條件，對(duì)建筑模型進(jìn)行模擬分析，并核定了其溫度分布的邊界條件.發(fā)熱電纜的模擬定位為200 mm 間距，40 mm 深度，并利用電纜發(fā)出的熱流替換發(fā)熱電纜的測(cè)量溫度.

由圖9 可知，電熱輻射采暖房間的溫度分布均勻，地面溫度相對(duì)較高(靠近地面輻射熱源處的空氣溫度最高達(dá)31.2 ℃)，且空氣的對(duì)流換熱系數(shù)較大，熱流密度較高；臨近地面0.3 m 以內(nèi)，溫度梯度較大，其波動(dòng)范圍為27～30 ℃，發(fā)熱電纜散熱量為212.44 W.

圖9 電熱輻射采暖房間溫度分布云圖/℃

在圖10 中，側(cè)墻、頂棚和墻角非人員主要活動(dòng)區(qū)域的等溫線比較密集，其對(duì)應(yīng)的空氣溫度梯度大；人員活動(dòng)區(qū)域的熱中心的范圍大，人的頭部溫度為25.5～26.5 ℃，氣流在人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)上升，熱空氣遇冷壁面下沉，造成的頭腳溫差約為4 ℃.此溫度分布對(duì)人體而言，腳熱頭冷，符合人體的舒適性要求.電熱輻射采暖房間受熱均勻，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員良好的熱舒適評(píng)價(jià)契合.

圖10 電熱輻射采暖房間等溫線/℃

利用熱水散熱器采暖的房間的室內(nèi)溫度分布云圖如圖11 所示.

圖11 熱水散熱采暖房間溫度分布云圖/℃

由圖11 可知，散熱器供暖為點(diǎn)熱源，其附近的等溫線比較密集，熱流沿墻面上升，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)局部受熱，房間上部溫度為31 ℃左右.人員活動(dòng)區(qū)域在1.8 m 范圍內(nèi)，占據(jù)房間的空間比例小，供暖熱量主要消耗在非人員活動(dòng)區(qū)，只有少部分的因熱傳導(dǎo)對(duì)流并加熱了附近空氣.人員活動(dòng)區(qū)域大部分均為溫度梯度較小(變化范圍為0.05～0.1 ℃)的低溫區(qū)，尤其是僅有15 ℃甚至更低溫度的地面，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)房間等溫線的水平維度分布以點(diǎn)熱源(散熱器)為中心呈半球形外輻射，其梯度分布和輻射空間相對(duì)較小.因此，遠(yuǎn)離散熱器的圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度較低.

熱水散熱器和基板電熱輻射2 種采暖方式的室內(nèi)溫度豎向分布如圖12 所示.

圖12 熱水散熱器和電熱輻射采暖房間溫度豎向分布

由圖12 可知，熱水散熱器采暖房間內(nèi)人的腳部溫度為15～20 ℃，頭部溫度為23～24 ℃，靠近屋頂處為24～27 ℃；整個(gè)房間上熱下冷，熱量主要集中在靠近布置散熱器的墻體一側(cè)的中上方，這導(dǎo)致人員活動(dòng)區(qū)域的熱舒適性差.基板電熱輻射采暖房間內(nèi)人的腳部溫度為27～30 ℃，頭部溫度為26～27 ℃，靠近屋頂處為23～24 ℃；房間垂直方向?yàn)樯侠湎聼?，熱量主要集中在靠近地面基板處的發(fā)熱電纜附近，且其溫度梯度降低了2～3 ℃，減少了溫差傳熱損耗.

隨著我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)新建與節(jié)能改造建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的提高，其整體采暖效果得到了良好的保證.由Designbuilder 軟件的模擬結(jié)果可知，發(fā)熱電纜低溫輻射供暖與熱水散熱器供暖有所不同，其將熱輻射和熱對(duì)流有效結(jié)合，使得建筑的室內(nèi)采暖效率更高.

3 結(jié)論

本文以新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)某學(xué)生宿舍樓為例，研究了當(dāng)?shù)亟ㄖ膳墓?jié)能減排技術(shù)，風(fēng)光電力的棄滯，以及化石供暖的碳排放問(wèn)題.研究結(jié)果表明：電采暖使房間室溫初次穩(wěn)定在18～20.5 ℃需要29 h，此時(shí)室內(nèi)相對(duì)濕度為40%～44%，供暖效果良好；當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)供熱時(shí)，房間耗熱量指標(biāo)為14.17 W/m2，其平均相對(duì)濕度為12%～14%，空氣干燥，達(dá)不到濕舒適性要求；電采暖相對(duì)于傳統(tǒng)的熱水采暖(因管網(wǎng)熱損失和水力失調(diào)等原因產(chǎn)生了大量能耗)節(jié)能65%，在整個(gè)供暖季比市政供暖節(jié)省5.37 元/m2.基于Designbuilder 軟件的模擬計(jì)算結(jié)果還顯示：電采暖為面熱源，靠近地面處的空氣溫度較高，房間內(nèi)高溫?zé)嶂行牡姆秶^大；外墻、地面基板和頂棚附近的等溫線比較密集，溫度梯度大，但室內(nèi)溫度分布均勻；熱水供暖由于其溫度分布和人員活動(dòng)區(qū)域不匹配，使得其濕舒適性較差.

以發(fā)熱電纜低溫輻射的方式為建筑供暖，可及時(shí)消納所棄滯的風(fēng)電和光電，進(jìn)一步結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分室控溫計(jì)量，實(shí)時(shí)、便捷地快速調(diào)控.其有利于緩解化石能源供暖的碳排放問(wèn)題，是一種綠色、高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的采暖形式，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的途徑之一，可在烏魯木齊市及其周邊地區(qū)大力推廣.