變電站地板做法對(duì)直埋式發(fā)熱電纜散熱的影響研究

石 宏，高立江，閆全英

(1.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031;2.北京建筑大學(xué)，北京 100044)

1 概述

目前變電站設(shè)計(jì)大多為智能電站，無人值守且遠(yuǎn)離市區(qū)，冬季難以利用城市熱源實(shí)現(xiàn)供暖，采用發(fā)熱電纜地面輻射采暖系統(tǒng)是一種較好的解決方案。地面輻射采暖具有室內(nèi)溫度均勻、穩(wěn)定，熱容量大，不占使用面積等優(yōu)點(diǎn)。在相同條件下，室內(nèi)計(jì)算溫度一般可比常規(guī)暖氣對(duì)流采暖方式低2 ～3 ℃，總耗熱量可減少10% ～15%，且地板供暖溫度范圍分布是頭涼而腳暖，符合人體工程學(xué)。地面輻射采暖能夠做到每個(gè)房間的溫度可調(diào)，所以能夠避免能源浪費(fèi)，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，還可節(jié)省暖氣占用的空間，增大有效使用面積。因此，從衛(wèi)生、環(huán)境和能源等方面來看，地板輻射供暖是較好的冬季供暖方式。

變電站控制室常用的保溫地板做法為混凝土填充式、水泥砂漿填充式2 種，通常為濕式做法，發(fā)熱電纜直埋入混凝土填充層或水泥砂漿填充層內(nèi)，其地板構(gòu)造層厚度大、荷載大，施工量大、工期長(zhǎng)、不易檢修，且溫度應(yīng)力易引起樓板構(gòu)造層的龜裂和變形，因此制約了地板輻射供暖技術(shù)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。

2 發(fā)熱電纜地面輻射采暖系統(tǒng)原理

發(fā)熱電纜地面輻射供暖系統(tǒng)，是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能且主要通過熱輻射向室內(nèi)提供熱量的一種供暖方式。發(fā)熱電纜也稱恒電阻，是以加熱為目的、通電后能夠散發(fā)熱量的電纜，通常由發(fā)熱導(dǎo)電體、絕緣層、接地屏蔽層和外護(hù)套等部分組成。發(fā)熱電纜的發(fā)熱元件是由銅、鎳合金制成的電阻絲，在一根發(fā)熱電纜內(nèi)，任意同等長(zhǎng)度距離內(nèi)的阻值是相等的。發(fā)熱電纜通過密封防水的接線盒與冷線相連，當(dāng)冷線被加上電壓后，電流在發(fā)熱電纜中通過，由于受到電阻的阻礙，電能轉(zhuǎn)化為熱能并以輻射的形式散發(fā)出來，其熱效率高達(dá)97%以上。熱量首先被水泥層所吸收，再通過傳導(dǎo)和輻射形式加熱房間內(nèi)的密實(shí)物體和空氣，從而得到適宜的冬季室內(nèi)溫度。

3 地板構(gòu)造模型的建立

為了解不同地板構(gòu)造發(fā)熱電纜地板表面的溫度分布、地板表面散熱量和向下熱損失的變化規(guī)律，以下選取混凝土填充式、泥砂漿填充式和預(yù)制溝槽保溫板式3 種地板做法，建立其地板構(gòu)造模型。

3.1 混凝土填充式發(fā)熱電纜供暖地板構(gòu)造

混凝土填充式為濕式做法，分為樓板、發(fā)泡水泥絕熱層、混凝土填充層、水泥砂漿找平層、地磚面層五層結(jié)構(gòu)。其中，發(fā)熱電纜敷設(shè)在厚度40 ～50 mm的混凝土填充層內(nèi)。地板構(gòu)造如圖1所示。

圖1 混凝土填充式地板構(gòu)造(單位:mm)

3.2 水泥砂漿填充式發(fā)熱電纜供暖地板構(gòu)造

水泥砂漿填充式與混凝土填充式相似，只是將其中的混凝土填充層改為水泥砂漿填充層。地板構(gòu)造如圖2所示。

圖2 水泥砂漿填充式地板構(gòu)造(單位:mm)

3.3 預(yù)制溝槽保溫板式發(fā)熱電纜供暖地板構(gòu)造

預(yù)制溝槽保溫板式為干式做法，分為樓板、預(yù)制溝槽保溫板層(通常采用聚苯乙烯類泡沫塑料板或發(fā)泡水泥保溫板)、上下金屬導(dǎo)熱層、地磚面層四層結(jié)構(gòu)。其中，發(fā)熱電纜敷設(shè)在厚度為30 mm 的保溫板預(yù)制溝槽層內(nèi)，并且電纜上下均鋪設(shè)一層金屬導(dǎo)熱膜(通常采用鋁箔膜)。地板構(gòu)造如圖3所示。

4 實(shí)例分析

圖3 預(yù)制溝槽保溫板式地板構(gòu)造(單位:mm)

以下采用有限單元法，應(yīng)用ANSYS 軟件，將預(yù)制溝槽保溫板式與混凝土填充式、水泥砂漿填充式發(fā)熱電纜地板做法的地板表面溫度分布、地板表面向上散熱量和向下熱損失的變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比其熱工性能。計(jì)算環(huán)境為某變電站綜合配電樓的北向標(biāo)準(zhǔn)層房間，室外溫度為－9 ℃，室內(nèi)空氣溫度為18 ℃，房間尺寸為6 000 mm×3 000 mm×2 600 mm，房間分別有一面外墻和外窗，其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.6 W/(m2·K)和2.8 W/(m2·K)，外窗尺寸為1 500 mm×1 500 mm，內(nèi)墻表面18 ℃，發(fā)熱電纜間距為100 mm，輸入線功率為10 W/m。3 種構(gòu)造地板表面溫度分布見圖4。

圖4 地磚面層的地表面溫度分布示意

采用ANSYS 軟件，模擬數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 ANSYS 模擬數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

從圖4和表1中可以看出:

a.地磚面層混凝土填充式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度最小(27.34 ℃)，地板表面最大溫差最小(0.20 ℃)，即溫度分布均勻性最好，向上散熱量最小(82.63 W/m2)，向下傳熱損失最大(17.13 W/m2);

b.地磚面層水泥砂漿填充式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度最高(28.08 ℃)，地板表面最大溫差最大(1.59 ℃)，即溫度分布均勻性最差，向上散熱量居中(86.25 W/m2)，向下傳熱損失居中(14.51 W/m2);

c.地磚面層預(yù)制溝槽保溫板式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度居中(27.35 ℃)，地板表面最大溫差居中(1.34 ℃)，即溫度分布均勻性較好，向上散熱量最大(86.75 W/m2)，向下傳熱損失最小(12.32 W/m2)。

5 結(jié)論

預(yù)制溝槽保溫板式地板構(gòu)造是新型的地板構(gòu)造，是針對(duì)發(fā)熱電纜地面輻射采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，與常規(guī)混凝土填充式和水泥砂漿填充式地板相比，具有無需混凝土填充層，有效降低樓板墊層厚度(≥33 mm)，明顯減小樓板荷載，施工簡(jiǎn)單、維修方便、工期短、傳熱損失小，無地板表面及構(gòu)造層內(nèi)龜裂變形問題且具有節(jié)能降耗等優(yōu)越特性。在我國(guó)大力提倡節(jié)能減排、綠色能源的今天，在遠(yuǎn)離城市熱源的電力變壓站、風(fēng)力發(fā)電站、光伏發(fā)電站等可以作為一種新型的冬季供暖地板做法加以推廣應(yīng)用。

［1］劉 敏.淺談節(jié)能建筑的潛力［J］.新疆有色金屬，2007，30(4):72-74.

［2］于慧俐，茅清希.低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2002，21(2):8-10.