碳纖維帶電熱地暖性能的足尺試驗(yàn)研究

朱德舉，馬　拓，劉　賽，李　航，李安令，劉洪彬，劉寶株

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙　410082；2.山東天意機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧　272100)

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碳纖維帶電熱地暖性能的足尺試驗(yàn)研究

朱德舉1?，馬拓1，劉賽1，李航1，李安令1，劉洪彬2，劉寶株2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410082；2.山東天意機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧272100)

設(shè)計(jì)了一套基于碳纖維帶電熱技術(shù)的地暖系統(tǒng)，并對(duì)其供暖性能和經(jīng)濟(jì)適用性進(jìn)行了研究.選取一間保溫隔熱良好的臥室鋪設(shè)該地暖系統(tǒng)，并預(yù)先在地板各層、近地表空間布置多個(gè)溫度傳感器.進(jìn)行24 h供暖試驗(yàn)，通過檢測(cè)和分析設(shè)定位置的溫度變化來研究該系統(tǒng)的性能和能耗.結(jié)果表明：碳纖維帶電熱地暖能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi)，合理布置碳纖維帶可以將各層橫向溫差控制在3 ℃以下.通過與傳統(tǒng)采暖方式間的造價(jià)及運(yùn)行成本的對(duì)比，研究了碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟(jì)適用性，發(fā)現(xiàn)碳纖維帶電熱地暖具有造價(jià)費(fèi)用低、運(yùn)行費(fèi)用適中、總費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì).

碳纖維帶；電地暖；試驗(yàn)研究；經(jīng)濟(jì)分析

目前，我國(guó)需要進(jìn)行室內(nèi)供暖的居民、單位約有3億戶左右[1].同時(shí)，中國(guó)的采暖面積正呈現(xiàn)逐年擴(kuò)大態(tài)勢(shì)，采暖系統(tǒng)市場(chǎng)需求同樣迅猛增長(zhǎng)，顯著地促進(jìn)了采暖行業(yè)的蓬勃發(fā)展.

在我國(guó)北方城市，電熱膜采暖作為一種居民室內(nèi)采暖輔助性手段得到較為廣泛的推廣.研究表明：北京地區(qū)采用電熱膜釆暖的費(fèi)用低于集中供暖，能夠通過間歇性采暖以達(dá)到節(jié)能減排的目的[2].發(fā)熱電纜作為地板采暖系統(tǒng)的應(yīng)用方面，孔祥強(qiáng)等[3]對(duì)適用于列車客車的地面輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了研究，概括出了適用的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.趙志強(qiáng)等[4]對(duì)用戶舒適性以及能源損耗等方面進(jìn)行了研究，同時(shí)依托北京地鐵管道層，進(jìn)行了冬季防凍測(cè)試，研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足工程應(yīng)用中的防凍要求[5].碳晶電熱板是碳晶顆粒材料制成的取熱產(chǎn)品.張明強(qiáng)[6]通過碳晶電熱板與傳統(tǒng)電取暖系統(tǒng)的比較分析，詳細(xì)總結(jié)了碳晶電熱板材料的優(yōu)勢(shì)，并提出間歇供暖這種新型方式來達(dá)到節(jié)能減排的目的.而導(dǎo)電混凝土和采用碳纖維帶的加熱系統(tǒng)被證明在室外除雪融冰方面能夠取得良好效果[7-11]，同時(shí)，碳纖維在水泥基材料中也起到一定的加固作用[12-13].本研究在前期工作[14]的基礎(chǔ)上，對(duì)碳纖維帶電熱板供熱性能進(jìn)行了實(shí)地足尺試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了碳纖維帶電熱地暖的工作性能.并與市面上常見的3種采暖形式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)適用性比較.本研究提出的碳纖維帶電熱地暖資源節(jié)約、環(huán)境友好，將擁有廣闊的應(yīng)用空間和市場(chǎng)前景.

1　試驗(yàn)方案

擬對(duì)碳纖維帶電熱地暖的熱工性能進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試了兩組碳纖維帶電熱地暖在24 h自動(dòng)控制周期內(nèi)的工作時(shí)間和能耗情況，并分析了碳纖維帶電熱地暖的舒適性和可行性.

2　試驗(yàn)條件

2.1試驗(yàn)方案

試驗(yàn)場(chǎng)地位于一棟擁有良好保溫隔熱效果的別墅建筑內(nèi)，如圖1(a)所示.選取別墅二樓主臥(5.4 m長(zhǎng),3.6m寬)，并聯(lián)布置兩塊碳纖維帶電熱板(2.7 m寬，

3.6 m長(zhǎng)).每塊電熱板由27條碳纖維帶(50 mm寬，3 600 mm長(zhǎng))，相互間隔50 mm組成.每塊碳纖維帶電熱板電阻約為0.4 Ω.試驗(yàn)采用同樣規(guī)格的T300B-3K單向編織碳纖維帶，規(guī)格為3 600 mm × 50 mm × 0.2 mm，如圖1(b)所示.在樓面毛坯層上依次布置地暖保溫反射膜、水泥砂漿層、碳纖維帶、玻纖網(wǎng)格布、水泥砂漿層、木地板.地暖保溫反射膜能保證系統(tǒng)熱量向上傳遞，減少損失，水泥砂漿層起阻燃和膠合系統(tǒng)作用，玻纖網(wǎng)格布可以保證碳纖維帶的平整，便于施工.在布置上，電流經(jīng)過電表和接觸器后接入溫控儀，溫控儀用于控制整個(gè)電路的開閉.通過變壓器調(diào)節(jié)電路電壓.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)用于溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和顯示如圖1(c)所示.

為了讓碳纖維帶與銅條之間有較為良好的連接，使兩者之間不產(chǎn)生滑移，在銅條處鉆孔，并用螺絲螺母和墊片連接固定.

2.2溫度傳感器布置

首先將樓板毛坯層清理干凈，用水泥砂漿抹平樓板間縫隙，防止地暖熱量向下耗散.然后布置保溫隔熱板，并布置好1～6號(hào)溫度傳感器，如圖2所示.接著鋪設(shè)第一層水泥砂漿.水泥砂漿終凝后，鋪設(shè)碳纖維帶電熱板，布置好7～16號(hào)溫度傳感器，并鋪設(shè)玻纖網(wǎng)格布以固定電熱板；再次鋪設(shè)水泥砂漿，待水泥砂漿終凝后，布置17～26號(hào)溫度傳感器；最后鋪設(shè)木地板，并布置27～32號(hào)溫度傳感器，以及近地表的33～36號(hào)及檢測(cè)室外溫度的37號(hào)溫度傳感器，并將溫度傳感器接入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù).

本溫控試驗(yàn)初始溫度為16 ℃，試驗(yàn)時(shí)間從上午8點(diǎn)開始，進(jìn)行共計(jì)24 h測(cè)試.測(cè)試中對(duì)該試驗(yàn)臥室采取密封處理，防止室外冷空氣侵入影響試驗(yàn)結(jié)果.溫控儀預(yù)設(shè)溫度為22～23 ℃.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集預(yù)埋溫度傳感器溫度，溫控儀通過預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)控制接觸器從而控制整體電路閉開.

3　結(jié)果分析

溫控試驗(yàn)共進(jìn)行了兩組，室內(nèi)初始溫度分別為16 ℃和20 ℃，室外溫度為13 ℃，預(yù)設(shè)溫度為22～23 ℃，兩組試驗(yàn)均從上午8∶00進(jìn)行到次日的8∶00共24 h.兩組試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖1　試驗(yàn)場(chǎng)地及試驗(yàn)平面布置圖

圖2　碳纖維帶電熱板

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3.1初始溫度影響

從圖3可以得到兩組各層在24 h內(nèi)的溫度變化趨勢(shì).a組室外溫度從11～19 ℃，變化區(qū)間較小且溫度普遍較高；b組室外溫度從5～16 ℃，變化區(qū)間較大且溫度普遍較低.通過觀察室內(nèi)溫度可以得到兩組在不同室內(nèi)初始溫度及室外溫度的情況下，都能通過導(dǎo)熱升溫使室內(nèi)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度并持續(xù)保持.

其中，由于b組初始溫度較高，離預(yù)設(shè)溫度差距較小，所以b組經(jīng)歷更短的升溫階段，較早達(dá)到預(yù)設(shè)溫度范圍而進(jìn)入保溫階段.但由于b組室外環(huán)境溫度更低，b組在達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，經(jīng)歷短暫的保溫階段后便進(jìn)入經(jīng)溫控儀控制后的自動(dòng)斷續(xù)工作狀態(tài).而a組由于室外溫度較高，在達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，能經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的保溫階段.b組的升溫階段明顯比a組長(zhǎng)，這表明：從長(zhǎng)時(shí)間的溫控階段來看，相對(duì)于初始溫度，室外溫度更能影響升降溫控階段工作時(shí)間及能耗.通過兩組試驗(yàn)的前后電表數(shù)字分析，得到該碳纖維帶電熱地暖總功率4 000 W，碳纖維帶電熱板加熱區(qū)域功率為200 W/m2，整體臥室房間(30 m2)加熱功率為133 W/m2.

3.2升溫縱向分析

各層相應(yīng)位置溫度傳感器升溫結(jié)果如圖4～圖8所示.上述圖中各層相似位置溫度傳感器中，圖4和圖5組是位于碳纖維帶上位置，圖4和圖6組是位于兩條碳纖維帶中間位置,圖4和圖8組是地表以上不同高度位置.從曲線圖中可得出三組溫度傳感器檢測(cè)到的升溫曲線基本重疊，表明溫控儀埋置位置良好準(zhǔn)確，在埋置以及施工過程中未發(fā)生位置偏移.而S18，S26和S32由于與整體數(shù)據(jù)離散性較大，在后續(xù)分析中剔除.地表以上50 mm到200 mm處溫度梯度較小，溫度變化基本一致，溫度從地表由近到遠(yuǎn)稍有遞減，但不同高度之間溫度相差不大，不會(huì)導(dǎo)致空調(diào)取暖式的“透熱腳冷”，也不會(huì)導(dǎo)致因地表快速升溫而形成的“腳熱頭冷”，各個(gè)高度采暖均勻，舒適性好.

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分析測(cè)試房間在24 h內(nèi)各個(gè)埋置深度的溫度變化趨勢(shì)得到，埋置整體溫度首先逐漸升高，然后緩慢下降，最后斷續(xù)地升高下降.而室溫在從初始溫度逐漸升高到預(yù)設(shè)溫度后，一直保持恒溫狀態(tài).對(duì)比圖4～圖8中5組升溫曲線可以得到，溫度逐漸從碳纖維帶層向上下層遞減，說明熱量向上下擴(kuò)散，水泥砂漿和木地板都擁有良好的導(dǎo)熱性.而上下層曲線波峰位置的逐漸后移也顯示出熱量是逐層傳導(dǎo)，均勻擴(kuò)散的.

3.3升溫橫向分析

由于采暖均勻性與舒適性與碳纖維帶橫向布置有關(guān)[7]，本試驗(yàn)針對(duì)該方面進(jìn)行了優(yōu)化，以保證橫向上升溫的均勻性與舒適性.擬在同一功率條件下，布置更窄的碳纖維帶以及減小碳纖維帶之間布置距離，采用了寬50 mm碳纖維帶等距離分布.在同一橫截面方向上，為了減少測(cè)量誤差，在碳纖維電熱板寬度方向，于碳纖維帶上(波峰)和兩條碳纖維帶之間(波谷)布置了多個(gè)溫度傳感器，可以采集到橫向上的波峰和波谷溫度.而在碳纖維電熱板長(zhǎng)度方向，采集L/2處和L/4處溫度(L為碳纖維帶橫向長(zhǎng)度).現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)作如下處理：

波峰T=(∑TL/2+∑TL/4)/n

波谷t=(∑tL/2+∑tL/4)/n

式中:n是所有相應(yīng)位置溫度傳感器的個(gè)數(shù).

圖9縱坐標(biāo)為各層所得波峰-波谷差值(溫度梯度)，橫坐標(biāo)為時(shí)間，得到各層溫度梯度隨時(shí)間的變化，從而了解各層的溫度均勻性.可以看出各層的溫度梯度整體變化較小，溫度梯度在碳纖維帶層、木地板層變化稍大(分別為3.2 ℃和3 ℃),在保溫隔熱層變化較小(1.5 ℃),都在3.5 ℃以內(nèi).溫度梯度各層變化趨勢(shì)基本相同，都是在整個(gè)階段不斷增減.這表明碳纖維電熱板的性能，通過減少碳纖維帶的寬度并縮短碳纖維帶之間布置距離的方法得到了較為明顯的改善，取得較好舒適性的用戶體驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期效果.

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4　經(jīng)濟(jì)適用性分析

采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用主要由造價(jià)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用構(gòu)成.為了分析碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟(jì)適用性，本文核算了30 m2供暖面積的房間利用碳纖維帶電熱地暖在整個(gè)供暖期(90 d)的造價(jià)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，并與暖氣片水暖、水地暖、電地暖3種傳統(tǒng)采暖方式的相關(guān)費(fèi)用進(jìn)行了對(duì)比分析.4種取暖方式費(fèi)用如表1所示.

表1　4種取暖方式費(fèi)用 (單位：元)[14]

從表1可知：水地暖和電地暖初期投資較高，碳纖維帶電熱地暖投資與暖氣片持平，處于較低水平；電地暖系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，碳纖維帶電熱地暖運(yùn)行費(fèi)用稍高于暖氣片和水地暖；水地暖和電地暖總費(fèi)用較高，碳纖維帶電熱地暖和暖氣片總費(fèi)用較低.

從造價(jià)方面可以看出，碳纖維帶電熱地暖價(jià)格低廉，易于接受.考慮到暖氣片維修困難，且需要后續(xù)運(yùn)檢、維修費(fèi)用(本文沒有考慮此費(fèi)用)，所以在總費(fèi)用方面，碳纖維帶電熱地暖擁有明顯優(yōu)勢(shì).碳纖維帶電熱地暖設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行便捷，使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其擁有良好的應(yīng)用前景.

5　結(jié)　論

通過進(jìn)行24 h供暖試驗(yàn)，考察了碳纖維帶電熱地暖的工作性能.通過對(duì)比其與傳統(tǒng)采暖方式的造價(jià)及運(yùn)行成本，研究了碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟(jì)適用性.碳纖維帶電熱地暖能夠正常且長(zhǎng)時(shí)間工作，將室內(nèi)溫度保持在設(shè)定范圍內(nèi).

在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下，相對(duì)于室內(nèi)初始溫度，室外溫度是影響升降溫控階段工作時(shí)間及能耗方面的主要因素.當(dāng)室外溫度較高時(shí)，系統(tǒng)保溫時(shí)間較長(zhǎng)，工作時(shí)間較短；當(dāng)室外溫度較低時(shí)，系統(tǒng)保溫時(shí)間較短，工作時(shí)間較長(zhǎng).

水泥砂漿和木質(zhì)地板均擁有良好的導(dǎo)熱性，可用于組建碳纖維帶電熱地暖.合理布置碳纖維帶可以將各層橫向溫差控制在3 ℃以下.碳纖維帶電熱地暖造價(jià)費(fèi)用低，運(yùn)行費(fèi)用適中，總費(fèi)用遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水、電地暖，擁有廣闊的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)前景.

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Full-scale Experimental Study on the Performance of Electrical Floor Heating Utilizing Carbon Fiber Tapes

ZHU De-ju1?,MA Tuo1,LIU Sai1,LI Hang1,LI An-ling1,LIU Hong-bin2,LIU Bao-zhu2

(1.College of Civil Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan410082,China; 2.Shandong Tianyi Machinery Co,Ltd,Jining，Shandong272100,China)

An electrical floor heating system was designed by using carbon fiber tapes (CFT).The heating performance and economic applicability of the heating system were also analyzed.The heating system was constructed in a bedroom with good heat insulation,and the temperature sensors were arranged at the layers of the floor and near the floor for 24 h duration tests.Temperatures at specified locations were monitored and analyzed to study the performance and the energy consumption of the heating system.The results showed that the CFT electrical heating system could keep the indoor temperature constant within the preset range; the temperature gradient in lateral direction was within 3 °C when the carbon fiber tapes were reasonably arranged in the floor.Meanwhile,compared with that of the traditional heating methods,the economic applicability of the proposed heating system was also studied.The results show this CFT electrical heating system has the advantages of less construction cost,medium operation cost and less overall cost.

carbon fiber tape; electrical floor heating; experimental study; economic analysis

1674-2974(2016)09-0144-07

2015-08-03

湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2014WK2026)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB026200)

朱德舉(1978-)，男，山東濟(jì)寧人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師(青年千人計(jì)劃)

?通訊聯(lián)系人，E-mail:dzhu@hnu.edu.cn

TU578.13

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