碳纖維帶電熱地暖性能的足尺試驗研究

朱德舉 馬拓 劉賽 李航 李安令 劉洪彬++劉寶株

摘要：設計了一套基于碳纖維帶電熱技術的地暖系統(tǒng)，并對其供暖性能和經(jīng)濟適用性進行了研究.選取一間保溫隔熱良好的臥室鋪設該地暖系統(tǒng)，并預先在地板各層、近地表空間布置多個溫度傳感器.進行24 h供暖試驗，通過檢測和分析設定位置的溫度變化來研究該系統(tǒng)的性能和能耗.結果表明：碳纖維帶電熱地暖能夠將室內(nèi)溫度保持在設定范圍內(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)采暖方式間的造價及運行成本的對比，研究了碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟適用性，發(fā)現(xiàn)碳纖維帶電熱地暖具有造價費用低、運行費用適中、總費用低的優(yōu)勢.

關鍵詞：碳纖維帶；電地暖；試驗研究；經(jīng)濟分析

中圖分類號：TU578.13 文獻標識碼：A

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

在我國北方城市，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用低于集中供暖，能夠通過間歇性采暖以達到節(jié)能減排的目的[2].發(fā)熱電纜作為地板采暖系統(tǒng)的應用方面，孔祥強等[3]對適用于列車客車的地面輻射供暖系統(tǒng)進行了研究，概括出了適用的數(shù)學模型并進行了試驗驗證.趙志強等[4]對用戶舒適性以及能源損耗等方面進行了研究，同時依托北京地鐵管道層，進行了冬季防凍測試，研究結果表明：該系統(tǒng)滿足工程應用中的防凍要求[5].碳晶電熱板是碳晶顆粒材料制成的取熱產(chǎn)品.張明強[6]通過碳晶電熱板與傳統(tǒng)電取暖系統(tǒng)的比較分析，詳細總結了碳晶電熱板材料的優(yōu)勢，并提出間歇供暖這種新型方式來達到節(jié)能減排的目的.而導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，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]的基礎上，對碳纖維帶電熱板供熱性能進行了實地足尺試驗，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種采暖形式進行經(jīng)濟適用性比較.本研究提出的碳纖維帶電熱地暖資源節(jié)約、環(huán)境友好，將擁有廣闊的應用空間和市場前景.

1試驗方案

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

2試驗條件

2.1試驗方案

試驗場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，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）.每塊電熱板由27條碳纖維帶（50 mm寬，3 600 mm長），相互間隔50 mm組成.每塊碳纖維帶電熱板電阻約為0.4 Ω.試驗采用同樣規(guī)格的T300B3K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)和計算機用于溫度數(shù)據(jù)的實時采集和顯示如圖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號溫度傳感器，如圖2所示.接著鋪設第一層水泥砂漿.水泥砂漿終凝后，鋪設碳纖維帶電熱板，布置好7～16號溫度傳感器，并鋪設玻纖網(wǎng)格布以固定電熱板；再次鋪設水泥砂漿，待水泥砂漿終凝后，布置17～26號溫度傳感器；最后鋪設木地板，并布置27～32號溫度傳感器，以及近地表的33～36號及檢測室外溫度的37號溫度傳感器，并將溫度傳感器接入計算機實時記錄溫度數(shù)據(jù).

本溫控試驗初始溫度為16 ℃，試驗時間從上午8點開始，進行共計24 h測試.測試中對該試驗臥室采取密封處理，防止室外冷空氣侵入影響試驗結果.溫控儀預設溫度為22～23 ℃.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集預埋溫度傳感器溫度，溫控儀通過預設溫度自動控制接觸器從而控制整體電路閉開.

3結果分析

溫控試驗共進行了兩組，室內(nèi)初始溫度分別為16 ℃和20 ℃，室外溫度為13 ℃，預設溫度為22～23 ℃，兩組試驗均從上午8∶00進行到次日的8∶00共24 h.兩組試驗結果如圖3所示.

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.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，都能通過導熱升溫使室內(nèi)溫度達到預設溫度并持續(xù)保持.

其中，由于b組初始溫度較高，離預設溫度差距較小，所以b組經(jīng)歷更短的升溫階段，較早達到預設溫度范圍而進入保溫階段.但由于b組室外環(huán)境溫度更低，b組在達到預設溫度后，經(jīng)歷短暫的保溫階段后便進入經(jīng)溫控儀控制后的自動斷續(xù)工作狀態(tài).而a組由于室外溫度較高，在達到預設溫度后，能經(jīng)過較長時間的保溫階段.b組的升溫階段明顯比a組長，這表明：從長時間的溫控階段來看，相對于初始溫度，室外溫度更能影響升降溫控階段工作時間及能耗.通過兩組試驗的前后電表數(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

各層相應位置溫度傳感器升溫結果如圖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到的升溫曲線基本重疊，表明溫控儀埋置位置良好準確，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稍有遞減，但不同高度之間溫度相差不大，不會導致空調(diào)取暖式的“透熱腳冷”，也不會導致因地表快速升溫而形成的“腳熱頭冷”，各個高度采暖均勻，舒適性好.

分析測試房間在24 h內(nèi)各個埋置深度的溫度變化趨勢得到，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設溫度后，一直保持恒溫狀態(tài).對比圖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，說明熱量向上下擴散，水泥砂漿和木地板都擁有良好的導熱性.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，均勻擴散的.

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[7]，本試驗針對該方面進行了優(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度方向，采集L/2處和L/4處溫度（L為碳纖維帶橫向長度）.現(xiàn)對采集到的數(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是所有相應位置溫度傳感器的個數(shù).

圖9縱坐標為各層所得波峰波谷差值（溫度梯度），橫坐標為時間，得到各層溫度梯度隨時間的變化，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?。?.5 ℃），都在3.5 ℃以內(nèi).溫度梯度各層變化趨勢基本相同，都是在整個階段不斷增減.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，達到預期效果.

4經(jīng)濟適用性分析

采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟費用主要由造價費用和運行費用構成.為了分析碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟適用性，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供暖期（90 d）的造價費用和運行費用，并與暖氣片水暖、水地暖、電地暖3種傳統(tǒng)采暖方式的相關費用進行了對比分析.4種取暖方式費用如表1所示.

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)運行成本較高，碳纖維帶電熱地暖運行費用稍高于暖氣片和水地暖；水地暖和電地暖總費用較高，碳纖維帶電熱地暖和暖氣片總費用較低.

從造價方面可以看出，碳纖維帶電熱地暖價格低廉，易于接受.考慮到暖氣片維修困難，且需要后續(xù)運檢、維修費用（本文沒有考慮此費用），所以在總費用方面，碳纖維帶電熱地暖擁有明顯優(yōu)勢.碳纖維帶電熱地暖設備簡單、運行便捷，使用壽命長的特點，使其擁有良好的應用前景.

5結論

通過進行24 h供暖試驗，考察了碳纖維帶電熱地暖的工作性能.通過對比其與傳統(tǒng)采暖方式的造價及運行成本，研究了碳纖維帶電熱地暖的經(jīng)濟適用性.碳纖維帶電熱地暖能夠正常且長時間工作，將室內(nèi)溫度保持在設定范圍內(nèi).

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

水泥砂漿和木質地板均擁有良好的導熱性，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費用低，運行費用適中，總費用遠低于傳統(tǒng)水、電地暖，擁有廣闊的應用范圍和市場前景.

參考文獻

[1]黃世斌.我國冬季室內(nèi)取暖設備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國住宅設施，2003（8）：34-35.

HUANG Shibin. The current situation and development trend of indoor heating facilities in winter of China[J]. China Housing Facilities， 2003（8）：34-35. （In Chinese）

[2]殷昊.采暖用電熱膜的研究與室內(nèi)熱工性能分析[D].北京：北京化工大學化學工程學院，2013：1-85.

YIN Hao. Research and indoor thermal performance analysis of electrothermal film used in heating[D]. Beijing： School of Chemical Engineering， Beijing University of Chemical Technology， 2013：1-85. （In Chinese）

[3]孔祥強，李瑛.列車客車用低溫發(fā)熱電纜地面輻射供暖系統(tǒng)的實驗研究[J].暖通空調(diào)， 2004，34（11）： 10-14.

KONG Xiangqiang， LI Ying. Experiment of lowtemperature heating cable floor radiant heating system on a passenger train[J]. HV&AC，2004，34（11）： 10-14. （In Chinese）

[4]趙志強，李炎鋒.露天水管電纜伴熱防凍試驗研究[J]. 暖通空調(diào)， 2003，33（1）： 20-23.

ZHAO Zhiqiang. LI Yanfeng. Experimental study of freezeproof for open piping by electric heat tracing cable[J]. HV&AC， 2003，33（1）： 20-23. （In Chinese）

[5]李炎鋒， 賈衡， 李俊梅. 露天管道絕熱保溫加電伴熱防凍方案及其經(jīng)濟分析[J].暖通空調(diào)，2002，32（6）： 112-114.

LI Yanfeng， JIA Heng， LI Junmei. Freezing prevention for outdoor pipes with insulation layer and heating wire and its economic analysis[J]. HV&AC， 2002，32（6）： 112-114. （In Chinese）

[6]張明強. 碳晶電熱板間歇供暖的熱工性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院，2012：1-76.

ZHANG Mingqiang. Thermodynamic performance research on intermittent heating of carbon crystal panel[D]. Harbin： School of Municipal and Environmental Engineering， Harbin Institute of Technology， 2012：1-76. （In Chinese）

[7]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.

[8]YEHIA S A， TUAN C Y. Thin conductive concrete overlay for bridge deck deicing and antiicing[J]. Transportation Research Record： Journal of the Transportation Research Board， 2000，1698：45-53.

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

TANG Zuquan， LI Zhuoqiu， QIAN Jueshi. Application of carbon fiber reinforced conductive concrete for melting ice and snow on road surface[J].Journal of Building Materials，2004，7（2）：215-220. （In Chinese）

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

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

SHEN Gang， DONG Faqin. Performance research on carbon fiber conductive concrete[J]. Highway， 2004，12：178-181. （In Chinese）

[12]卜良桃，宋力，施楚賢.鋼筋混凝土梁的抗彎加固中碳纖維板用量研究[J].湖南大學學報：自然科學版， 2006， 33（6）：16-20.

BU Liangtao， SONG LI，SHI Chuxian. Study on the consumption of carbon fiber plates in the RC beams strengthened with carbon fiber plates（CFP） [J].Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2006，33（6）：16-20. （In Chinese）

[13]尚守平，李知兵，彭暉.碳纖維板混凝土界面黏結性能的試驗研究與有限元分析[J].湖南大學學報：自然科學版， 2014，41（6）：43-51.

SHANG Shouping. LI Zhibin. PENG Hui. Experimental research and finite element analysis of the interfacial bonding behavior of CFRPconcrete interface[J].Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2014，41（6）：43-51. （In Chinese）

[14]朱德舉，馬拓，劉武華.碳纖維帶電熱技術的試驗研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2016，43（5）：131-136.

ZHU Deju， MA Tuo， LIU Wuhua. Experimental study on electrical heating technology utilizing carbon fiber tape[J].Journal of Hunan University： Natural Sciences，2016，43（5）：131-136. （In Chinese）

[15]馬拓. 水泥基碳纖維地暖電熱技術的試驗研究[D].長沙：湖南大學土木工程學院，2015：1-67.

MA Tuo. Experimental study on electrical heating technology of cementbased flooring heating system utilizing carbon fiber tape[D]. Changsha： College of Civil Engineering， Hunan University，2015：1-67. （In Chinese）