碳纖維帶電熱技術(shù)的試驗研究

朱德舉+馬拓+劉武華

摘 要：提出了一種基于碳纖維帶的新型室內(nèi)地暖電熱系統(tǒng)，并介紹了電熱板的設(shè)計思路、試驗?zāi)Ｐ秃徒ㄔ爝^程，得到了試驗結(jié)果.試驗通過將三條寬度為50 mm，間距為200 mm的碳纖維帶預(yù)埋在水泥砂漿中構(gòu)成電熱板，檢測不同位置溫度隨時間的變化和系統(tǒng)能耗，以獲得系統(tǒng)的電熱性能.結(jié)果表明：電熱系統(tǒng)升溫迅速，平均升溫速率能達到1.83 ℃/min.豎直方向的溫度變化梯度遠大于水平方向溫度變化梯度.碳纖維帶電阻穩(wěn)定性較好，地暖反射膜和保溫板的隔熱效果良好，溫控裝置對減少能耗成效顯著.

關(guān)鍵詞：碳纖維帶；室內(nèi)地暖；電熱板；試驗研究

中圖分類號：TU578.13 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0131-06

Abstract：This paper proposed an innovative design for in-door electrical heating system that uses commercially available carbon fiber tape （CFT）. The design of the heating panel， layout and the construction of a prototype were presented with experiment results. The heating panel was made of three carbon fiber tapes and embedded in cement mortar. Each CFT was 50 mm wide with a spacing of 200 mm. Several experiments were conducted to examine the performance， temperature variation with time and location， and energy consumption of the proposed system. The experiment result has shown that the heating system performs satisfactorily and is heated up quickly with an average speed of 1.83 °C/min. The temperature gradient in the vertical direction is much larger than that in the horizontal direction. The electrical resistance of the CFT is stable， and the reflective membrane and insulation board are effective in reducing the heat transfer towards the bottom. The automatic temperature control device can reduce the energy consumption significantly.

Key words：carbon fiber tape；in-door heating；heating panel；experimental study

隨著生活水平的不斷提高，人們對居住的要求也在改變，由原來解決基本的生活問題，發(fā)展為尋求生活環(huán)境的舒適性和安逸性.研究表明室內(nèi)陰冷潮濕不利于人們的身體健康[1].室內(nèi)供暖是人們抵御寒冷的主要方式，而建筑供暖方式的舒適性也逐漸引起人們的重視；同時，世界各國都十分重視節(jié)能問題，節(jié)約能源、提高能源利用率已經(jīng)成為各行各業(yè)在謀求提高勞動生產(chǎn)率的同時所追求的另一個目標(biāo)[2-3]，這就對室內(nèi)供暖方式提出了更高的要求.傳統(tǒng)的供暖方式，已經(jīng)不符合綠色環(huán)保的要求，且燃燒產(chǎn)生的廢物會對人體健康造成不同程度的危害[4].相比于傳統(tǒng)能源，電能清潔環(huán)保，已在城市供暖領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6].其中，電地暖就是典型的代表.由于地暖可以使室內(nèi)各空間溫度分布均勻，同時豎直方向溫差小，使人們感覺更加舒適；與對流采暖系統(tǒng)相比，節(jié)能效果能達到10%左右，能源利用率高，不會產(chǎn)生噪音，還能改善空氣質(zhì)量，降低室內(nèi)粉塵，較傳統(tǒng)方式更為清潔.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在電熱地暖方面進行了研究.Anthienitis[7]設(shè)計出一種混凝土板蓄熱的地板電供暖系統(tǒng)，并進行了供暖試驗，結(jié)果表明：該系統(tǒng)供暖效果良好.Farid[8]設(shè)計了一種蓄熱的地板電供暖系統(tǒng)，普通住宅中進行供暖試驗，結(jié)果表明：該電熱板可使室內(nèi)溫度迅速升高，且均勻分布.導(dǎo)電混凝土作為一種路面除冰融雪材料已經(jīng)得到了應(yīng)用[9-11]，而作為地暖應(yīng)用，具有造價低，施工方便等優(yōu)點，完全可以達到采暖目的，但其性能尚需進一步研究.同時對于大面積場地，電極如何布置，如何保證導(dǎo)電層施工厚度，均需更多探討.導(dǎo)電混凝土是指由膠凝材料、導(dǎo)電相如導(dǎo)電微粒和導(dǎo)電纖維、介電骨料和水等組分，按照一定配比混合凝結(jié)而成的多相復(fù)合材料.而碳纖維帶水泥基復(fù)合材料是依托導(dǎo)電碳纖維帶形成的一種特殊形式的導(dǎo)電混凝土，導(dǎo)電混凝土可和經(jīng)過特殊布局的電極以及電動裝置一起使用來給馬路、人行道、橋面、飛機跑道除冰除雪[12]以及室內(nèi)地面導(dǎo)熱升溫.目前，Yang[13]將碳纖維帶預(yù)埋在混凝土路面中，設(shè)計和鋪設(shè)了具有除冰加熱層的人行道，經(jīng)過多次試驗，證實其能夠起到良好的除冰作用.徐世烺等[14-15]發(fā)現(xiàn)碳/玻璃纖維混合編織網(wǎng)增強混凝土通電后可以形成良好的導(dǎo)電加熱網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生熱量使混凝土溫度升高，升溫過程中電阻率也較為穩(wěn)定.沈剛[16]研究了電阻率隨交流電壓變化的情況，分析了不同電壓下的電熱效應(yīng)，碳纖維混凝土通電后產(chǎn)生的熱量能夠滿足冬季路面除冰化雪的需要.還有研究表明：碳纖維通電后產(chǎn)生的焦耳熱很容易散發(fā)， 電熱轉(zhuǎn)化效率高達90% 以上，節(jié)能效果十分顯著[17].同時，當(dāng)混凝土中含有1%體積分數(shù)的碳纖維時，其在拉伸和彎曲兩方面的強度均得到了提高[18].由短碳纖維和少量有機粘結(jié)劑制成的碳纖維氈具有良好的耐腐蝕性和穩(wěn)定的電阻率，也被證明是良好的電加熱材料[19].

本研究設(shè)計出一套采用碳纖維帶的新型電加熱裝置，進行了通電升溫試驗和溫度智能控制試驗，測量了溫度變化過程和耗電量等關(guān)鍵數(shù)據(jù).

1 試件制備

試驗采用T300B-3K單向編織碳纖維帶，規(guī)格為600 mm × 50 mm × 0.2 mm.基本物理力學(xué)性能如表1所示，外觀如圖1（a）所示.選用普通硅酸鹽水泥，河砂（最大粒徑1.2 mm），為滿足鋪設(shè)地暖以及地板要求，按照水泥與河砂體積比1∶3制備砂漿.砂漿具有較好的流動性和保水性，使用過程中沒有出現(xiàn)泌水和流漿現(xiàn)象.

碳纖維電熱裝置的組成（圖1（b）），包括基底、保溫隔熱板、水泥砂漿、反射膜、碳纖維加熱膜、水泥砂漿和地板磚.碳纖維帶預(yù)埋在水泥砂漿中，選取導(dǎo)電性能優(yōu)良的黃銅條作為電極（長×寬×厚的尺寸為：800 mm × 30 mm × 0.8 mm）.碳纖維地暖加熱裝置（長×寬的尺寸為：800 mm × 600 mm）的平面布置如圖1（c）所示，兩端銅條與導(dǎo)線固定連接，經(jīng)變壓器（24 V，1 000 W）與電源（220 V）連接.在滿足變壓器額定功率的前提下，為了使碳纖維加熱均勻，布置了3條50 mm寬的碳纖維帶，間隔為200 mm，外側(cè)碳纖維帶與邊緣的距離為125 mm.碳纖維帶和銅條的總電阻為1.9 Ω，整個電熱裝置的功率為300 W.剖面方向上（圖1（d）），底層鋪設(shè)30 mm厚的保溫隔熱板和5 mm厚的反射膜，碳纖維帶埋置于40 mm厚的水泥砂漿的中間位置.

溫度傳感器的位置布置如圖2所示.1#和2#傳感器位于第1層和第2層的中間位置，以便測試保溫隔熱板和反射膜的效果.3#～8#與9#～12#傳感器位于第3層和第4層相同水平平面位置，其中第3層的3#，5#，7#傳感器和第4層的8#，10#，12#傳感器位于兩條碳纖維帶的中間位置，能夠記錄溫度在平面方向是否均勻.而第3層的4#，6#傳感器和第4層的9#，11#傳感器位于碳纖維帶的中間位置，能夠記錄碳纖維帶的升溫效率和熱源的最高溫度.

2 試件測試

2.1 加熱測試

在完成碳纖維電熱裝置后，開始通電進行加熱測試.為了檢測升溫過程中是否具有良好的重復(fù)性，進行了3組測試，每組測試通電時間為35 min.由于部分溫度傳感器所處位置類似，將3#，5#，7#；4#，6#；8#，10#，12#；9，11#傳感器放在一起對比，溫度變化如圖3所示.

所有溫度傳感器的數(shù)據(jù)重復(fù)性較好，表明該碳纖維加熱裝置具有較好的穩(wěn)定性.4#和6#溫度傳感器的數(shù)據(jù)有較大的差異，這可能是由于4#傳感器在埋置過程中發(fā)生了偏移，其他各組位于類似位置的傳感器的測試數(shù)據(jù)基本相同.

為了更加明確地反映不同鋪設(shè)深度內(nèi)溫度變化趨勢的情況，本文給出了不同位置溫度傳感器的數(shù)據(jù).結(jié)果表明：位于碳纖維帶上、下方的傳感器（2#，4#，6#，9#，11#）升溫較快，位于碳纖維帶中間位置的傳感器（3#，5#，7#，8#，10#，12#）升溫較慢.其中碳纖維下方2#溫度傳感器升溫過程（從25～62 ℃）基本滿足線性變化，平均升溫速率為1.03 ℃/min；而由于保溫隔熱層的作用，位于下方1#溫度傳感器溫度從25～27.5 ℃變化不大；位于第3層碳纖維上方位置的6#溫度傳感器和第4層砂漿處位置的9#，11#溫度傳感器在實驗剛開始的時間內(nèi)溫度變化很快，之后升溫速率逐步降低.第4層的溫度變化滯后于第3層，升溫過程中兩層相同位置的溫度傳感器平均溫度變化分別為25～91 ℃和25～75 ℃，升溫速率分別為1.83 ℃/min和1.39 ℃/min；位于第3層碳纖維之間位置的3#，5#，7#溫度傳感器和第4層砂漿處位置的8#，10#，12#溫度傳感器在實驗剛開始的時間內(nèi)溫度變化很慢，之后升溫速率逐步提高，升溫過程中兩層相同位置的溫度傳感器平均溫度變化分別為25～33 ℃和25～31 ℃，升溫速率分別為0.22 ℃/min和0.17 ℃/min.該碳纖維帶電熱系統(tǒng)升溫迅速，1 h升高10 ℃，相對于傳統(tǒng)取暖方式屬于較高效率，直接把電能轉(zhuǎn)換為熱能，熱效率高達 98%以上[20].

2.2 自動溫控試驗

為了模擬室內(nèi)環(huán)境中地暖加熱以及溫度智能控制等現(xiàn)實條件，本文還對碳纖維加熱裝置添加了自動溫控儀以及電流表，進行了連續(xù)6 h的溫控實驗（圖4（a））.為了模擬實際應(yīng)用情況，在碳纖維地暖加熱裝置上加蓋一個底面積與地板磚相同，高度為50 cm的多層瓦楞紙板箱，保溫隔熱效果良好，模擬溫控試驗裝置如圖4（b）所示.該裝置高度50 cm，空間范圍較小，且用于搭建的瓦楞紙板箱保溫隔熱作用好，是較為理想的室內(nèi)模型.同時，外接的電流表用于測定整個裝置的耗電量.環(huán)境初始溫度為13 ℃，設(shè)定溫控儀溫度范圍為26～27 ℃，則當(dāng)溫度高于27 ℃時，溫控儀自動斷電，待溫度降至26 ℃以下時，溫控儀自動聯(lián)通，在升溫和降溫過程中，溫控儀的溫度傳感器放置于地板磚和瓦楞紙板箱中心處，即離地板磚25 cm處檢測溫度，溫控儀根據(jù)自動斷、連電控制溫度始終在該預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，滿足舒適性的要求.溫控試驗的溫度變化如圖4（c）所示.其中6#，9#溫度傳感器，分別代表碳纖維上和砂漿表層的溫度，溫控儀自帶溫度傳感器顯示環(huán)境溫度（即紙箱內(nèi)中心位置的氣溫）.

由于溫控儀可以根據(jù)環(huán)境溫度自動斷開和連接電源，整個試驗經(jīng)歷t1，t2，t3，t4和t5 5個階段.t1，t3，t5為升溫階段，t2，t4為降溫階段.在t1階段，6#，9#溫度傳感器迅速升溫，分別從初始溫度13 ℃升高到92.2 ℃和75.3 ℃；由于9#溫度傳感器位于第4層，所以溫度變化滯后于6#溫度傳感器；室內(nèi)溫度也逐漸升高，當(dāng)達到t1（112 min）時，環(huán)境溫度從初始溫度13 ℃升高到27 ℃，溫控儀自動斷開電源，裝置進入降溫階段t2.這時，6#，9#溫度傳感器溫度迅速降低，但由于熱量向上傳導(dǎo)，溫控儀傳感器處的溫度仍有所上升，一直上升到30 ℃才逐漸降低，且后階段下降速率變慢.當(dāng)達到t2（210 min）時，環(huán)境溫度降到26 ℃，溫控儀自動連接電源，裝置再次進入升溫階段t3.當(dāng)達到 t3（233 min）時，環(huán)境溫度升高到27 ℃，溫控儀自動斷開電源，裝置又進入降溫狀態(tài)t4.當(dāng)達到t4（310 min）時，環(huán)境溫度再次降低到26 ℃，溫控儀自動連接電源，裝置又進入升溫階段t5.當(dāng)達到t5（330 min）時，環(huán)境溫度升高到27 ℃，溫控儀自動斷開電源，裝置又進入下一個降溫階段.可以看出，裝置可以進行循環(huán)往復(fù)的加熱降溫再加熱的過程.在該過程中，裝置需要經(jīng)過一定時間的t1階段用來預(yù)熱和升溫以達到預(yù)設(shè)溫度，在溫度穩(wěn)定（26～27 ℃）之后，裝置實際上只需經(jīng)過短時間加熱階段，又可以進入較長時間的降溫階段.

該加熱裝置在360 min的試驗時間內(nèi)，經(jīng)歷了一個預(yù)加熱階段（t1）和兩個完整的升降溫階段（t2，t3和t4，t5），實際通電時間為t1+t3+t5=155 min， 耗電0.783 kW·h.在預(yù)加熱階段完成后，通電與斷電的時間比（t3+t5）/（t2+t4）=0.25，表明該裝置實際通電時間較短，具有很好的節(jié)能效果.同時，預(yù)加熱階段完成后，溫控儀傳感器處的溫度不斷上升，實際地暖加熱時，可以把溫控儀預(yù)設(shè)停止溫度調(diào)整到稍低于預(yù)期溫度，以便充分利用余熱，節(jié)約能源.同時經(jīng)過6 h加熱后，測得碳纖維地暖裝置電阻為1.92 Ω，基本無變化，表明該裝置的穩(wěn)定性較好.另外，對比2.2節(jié)的加熱溫度測試，該自動溫控裝置測試的平均升溫速率（0.7 ℃/min）較低，可能與系統(tǒng)從較低初始溫度升溫需要更多的熱量有關(guān).該裝置節(jié)能效果明顯，比傳統(tǒng)電熱制品節(jié)能約 30%.這種取暖方式充分利用了熱傳導(dǎo)、對流和輻射3種傳播方式.碳纖維帶地暖直接消耗電能，可以避免消耗煤、油等不可再生資源，減少二氧化碳和大氣污染物的排放.碳纖維帶地暖便于個人家庭安裝，相比傳統(tǒng)地暖發(fā)熱迅速，由于其配有控溫系統(tǒng)，室內(nèi)溫度便于調(diào)節(jié)，適合于我國南北方取暖.

3 結(jié) 論

提出了一種基于碳纖維帶的新型室內(nèi)地暖電熱系統(tǒng)，介紹了電熱板的設(shè)計，進行了加熱和自動溫控試驗，得到了各處溫度隨時間和位置的變化趨勢、能量消耗等數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明：電熱系統(tǒng)升溫迅速，平均升溫速率能達到1.83 ℃/min，比傳統(tǒng)的地暖取暖方式效率更高.豎直方向的溫度變化梯度遠大于水平方向溫度變化梯度.碳纖維帶電阻穩(wěn)定性較好，地暖反射膜和保溫隔熱板效果良好.在溫控儀控制下，電熱系統(tǒng)往復(fù)升溫和降溫，其中實際通電時間約為斷電時間的25 %，溫控裝置對減少能耗成效顯著.本系統(tǒng)仍存在一些需要改進的地方，比如優(yōu)化加熱功率，提高溫度分布的均勻性；在長時間反復(fù)升溫降溫過程中，該系統(tǒng)的碳纖維帶的電阻是否會發(fā)生較大變化；以及不同初始溫度對升溫速率的影響仍有待于進一步研究.

參考文獻

[1] GEMMELL I. Indoor heating， house conditions， and health[J]. Journal of Epidemiology and Community Health，2001，55（12）：928-937.

[2] LI Z， ZHANG G， LI D， et al. Application and development of solar energy in building industry and its prospects in China[J]. Energy Policy， 2007，35（8）：4121-4128.

[3] XU J， SUI J， LI B， et al. Research， development and the prospect of combined cooling[J].Heating and Power Systems Energy，2010，35（11）：4361-4368.

[4] 滕恩江， 胡偉， 吳國平， 等.室內(nèi)燃煤取暖與煙霧程度對呼吸道健康的影響研究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測中心， 2001，17（7）：5-32.

[5] LIN K， ZHANG Y， XU X， et al. Experimental study of under-floor electric heating system with shape-stabilized PCM plates[J]. Energy and Buildings， 2005，37（3）：215-235.

[6] OLESEN B W. Radiant floor heating in theory and practice[J].Ashrae Journal， 2002，44（7）：19-26.

[7] ATHIENITIS A， CHEN T. Experimental and theoretical investigation of floor heating with thermal storage[C]//The 1993 Winter Meeting of Ashrae Transactions. Chicago：Ashrae Transactions， 1993，99（1）： 1049-1057.

[8] FARID M， KONG W. Underfloor heating with latent heat storage[J]. Journal of Power and Energy， 2001，215（5）：601-610.

[9] YEHIA S A， TUAN C Y， FERDON D， et al. Conductive concrete overlay for bridge deck deicing： mixture proportioning， optimization， and properties[J]. ACI Materials Journal，2000，97（2）：363-378.

[10]YEHIA S A， TUAN C Y. Thin conductive concrete overlay for bridge deck deicing and anti-icing. transportation research record[J].Journal of the Transportation Research Board， 2000，1698（1）：45-53.

[11]唐祖全， 李卓球， 錢覺時. 碳纖維導(dǎo)電混凝土在路面除冰雪中的應(yīng)用研究[J]. 建筑材料學(xué)報，2004，7（2）：215-220.

[12]侯作富，李卓球， 胡勝良.導(dǎo)電混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分析的電熱有限元法[J].實驗力學(xué)，2002，17（4）：464-469.

[13]YANG T， YANG Z， SINGLA M， et al. Experimental study on carbon fiber tape-based deicing technology[J]. Journal of Cold Regions Engineering， 2011，26（2）：55-70.

[14]徐世烺， 尉文婷， 宋世德.碳/玻璃纖維混合編織網(wǎng)增強混凝土電熱性能的數(shù)值模擬與試驗研究[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2011，41（9）：1271-1278.

[15]張滇軍， 徐世烺， 孫進. 碳纖維砂漿與碳纖維混凝土導(dǎo)電性能實驗研究[J].建筑材料學(xué)報， 2006，9（3）：347-352.

[16]沈剛. 董發(fā)勤.碳纖維導(dǎo)電混凝土的性能研究[J].公路，2004，12：178-181.

[17]賀福. 碳纖維的電熱性能及其應(yīng)用[J]. 化工新型材料，2005，6：7-8.

[18]CHEN B， WU K， YAO W. Conductivity of carbon fiber reinforced cement-based composites[J]. Cement and Concrete Composites，2004，26（4）：291-7.

[19]CHUNG D. Electrical applications of carbon materials[J]. Journal of Materials Science， 2004，39（8）：2645-61.

[20]趙登科.碳纖維電熱地暖板熱工性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院， 2008：1-82.