电热混凝土建筑采暖的功率分析.pdf

全 国中文核心期刊 钎 巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 电热混凝土建筑采暖的功率分析 邓斐， 王瑞燕 ( 重庆 交通 大学 土木建筑学院， 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要 ： 介绍了电热混凝土建筑采暖的基本原理， 在考虑能量守恒定律、 电热效性、 室内外传热过程的基础上， 分析计算了室内 建筑采暖 的最低 功率 需求以及 不同升温 时间与电热混凝 土发热功率的关系， 并提 出了提高室 内升温速率的建议。结果表 明： 电热混 凝土 的发热功率能满足室 内采暖最低功率 的需 求， 电热混凝土 的比热容和密度 是影响室 内升温速率 的 2个重要 因素， 降低其 比热 容和密度 能有效缩短 室内升温 时间。 关键词： 电热混凝土； 室内采暖； 发热功率 中图分 类号 ： T U 8 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 — 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 0 — 0 0 6 1 — 0 4 Po we r a n a l y s i s o f e l e c t r i c h e a ti n g c o n c r e t e a p p l i e d i n c o n s t r u c ti o n h e a tin g s y s t e m DENC Fei ， WANG Ru i y a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ) Abs t r ac t： T he b a s i c p rin c i p l e o f c o l l e c t i n g he a t b y u s i n g e l e c t ric h e a t i n g c o n c r e t e i n c o n s t r u c t i o n he a t i n g s y s t e m wa s i n t r o — - d u c e d ．B y c o n s i d e ri n g t h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n l a w， t h e J o u l e e f f e c t a n d t h e p r o c e s s o f h e a t t r a n s f e r ， w e c a l c u l a t e d t h e l o w e s t p o w e r n e e d e d i n h e a t i n g s y s t e m ， a n d a n a l y z e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d i f f e r e n t h e a t i n g u p t i me a n d h e a t i n g p o we r , a n d p u t f o r wa r d t h e s u g g e s t i o n t o i mp mv e t h e i nd o o r t e mp e r a t u r e h e a t i n g r a t e ． I t t u r n e d o u t t h a t t h e h e a t i n g p o we r o f e l e c t ric he a t i n g c o n c r e t e s a t i s - fl e d t h e l o we s t p o we r ．T h e s p e c i f i c h e a t c a p a c it y a n d d e n s i t y o f e l e c t r i c h e a t i n g c o n c r e t e a f f e c t e d t h e h e a t i n g r a t e s e v e r e l y， a n d t h e h e a t i n g u p t i me wo u l d b e s h o r t e n i f t h e y we r e r e d u c e d ． Ke y wo r ds ： e l e c t r i c h e a t i n g c o n c r e t e， c o n s t r u c t i o n h e ati n g s y s t e m， h e ati n g p o we r 普通混凝土电阻率较高， 在6 4 5 0 1 1 0 0 0 n m ， 属不良 导体。 在混凝土中掺入导电材料， 能大幅降低其电阻率。 试验 表明， 混凝土在掺入碳纤维后， 其电阻率可降低至 1 ． 2 0 n m 【引 ； 在掺入钢纤维后， 电阻率可降低至 7 4 3 1 9 Q m ； 钢纤维与 钢渣复掺能使导电混凝土的电阻率下降到 0 ． 7 8 n m 圈 。随着 混凝土电阻率的下降， 其应用范围将得到更大的扩展。其中， 电热混凝土作为一种地面加热材料的方式也被提出嘲 。 电热混凝土作为一种导体，在通电后通过焦耳效应产生 热量， 其温度将升高， 并伴随着能量的释放。将电热混凝土铺 设于建筑楼板表面， 并配以相应的控制系统， 能对室内的温度 进行控制， 从而实现建筑采暖。 目前对于这方面的应用研究还 处于实验层次， 其功率分析的相关研究尚少见报道。 为了分析 基金项 目： 重庆交通大学研究生教育创新基金项 目( 2 0 1 4 0 1 2 1 ) 收稿 曰期： 2 0 1 5 — 0 4 — 1 0 作 者简介 ： 邓 斐， 男， 1 9 9 1年生 ， 重庆人 ， 硕士研究生 ， 研 究方 向： 高性 能混凝土及建筑 节能材料。地址： 重庆市南岸区学府大道 6 6号 重庆 交通大学知园小区 ， E - ma i l ： 3 4 8 7 7 8 8 2 5 @q q ． C O B。 电热混凝土应用于建筑室内 采暖所必需的功率要求，在考虑 焦耳效应及室内外传热过程的基础上，计算了室内采暖所需 最低功率和以升温时间为控制目 标的升温功率，给出了实际 工程中设定电热混凝土发热功率的方法，并提出了提高室内 升温速率的建议。 1 计算模型 ． 电热混凝土作为建筑内部地面加热材料的基本构造， 位 于绝热层与地面铺层之间， 见图1 。 地面铺层选择绝缘并且传 热较好的材料， 绝热底层选择绝缘隔热性能较好的材料。 工作 时， 分区域分单元地对电热混凝土层通电， 以达到室内采暖的 目的。以重庆地区住宅的热环境作为研究对象进行数值模拟 地面铺层 电热混凝土 绝热层 T 5 l 『 + ’ + + + ’ + ’ ，+ + + + ’ + +／ + + + + I l 『 + ’ + ’ + + + ’ + ’ + + + ’ + + 十 +1 图 1 电热混凝土结构层 NE W BUI L DI NG MAT E RI AL S 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓斐， 等： 电热混凝土建筑采暖的功率分析 分析。其中， 建筑楼板为钢筋混凝土， 外墙采用多孔砖砌体并 满足保温隔热要求17 ] 。 模拟计算设定以下假设： ( 1 ) 电热混凝土内部的热传导按 照各向同性介质的传导方式考虑， 底部绝热与楼面无热交换， 上部的地面铺层较薄且导热较好，电热混凝土与室内空气之 间进行对流换热与辐射换热。( 2 ) 室内空间密闭良好， 室内空 气考虑为均匀温度介质阎 。( 3 ) 室内空气通过墙体和门窗与室 外空气进行换热。 ( 4 ) 以重庆地区住宅室内外环境温度作为边 界条件。重庆2 0 0 0 2 0 0 6 年冬季( 当年 1 2月至次年2月) 室 外平均最低气温为6 ． 7 ℃； 室内温度为l 3 ．4 ℃ 。 2 计算原理 利用电热混凝土的电热效应， 采暖时电热混凝土通过焦 耳效应产生的热量将用于加热室内空气和墙体。 根据能量守 恒定律， 单位面积电热混凝土通电所产生的热量( P At ) ， 应等 于电热混凝土升温的蓄热量( Q a ) 、 室内空气升温所需热量( p ) 和热量损失( p ，) 三者之和。其关系可用式( 1 ) 表示。 P A t = Q + p + 9 l ( 1 ) 2 ． 1 电热混凝土升温的蓄热量 计算单位面积电热混凝土升温蓄热量按照式( 2 ) 计算。 Q a = p 。 v 。 C o A ( 2 ) 式中： p 电热混凝土的密度， 取2 4 0 0 k g ／ m ， ； 一 电热混凝土的体积， 根据实际工程电热层尺寸取 值， m 。 ； C 电热混凝土的比热容， 取 8 6 0 J ／ ( ℃ m ) ㈣； △ 一 电热混凝土升高的温度， ℃。 2 ． 2 室内空气升温所需热量 电热混凝土通电之后， 通过焦耳效应产生热量， 以对流换 热和辐射换热_ l 1 】等方式与室内空气进行热量交换， 使室内空 气的温度升高， 从而达到建筑采暖的目的。 以室内空气温度达 到人体适宜温度为控制目 标， 空气升温所需的热量按照式( 3 ) 计 算。 Q t= p v C p A ( 3 ) 式中： p 室内空气的密度， 1 ． 2 9 k g ／ m ， ； 『 _ 一室内空气的体积， 根据住宅使用空间取值， m ， ； C 。『 _ - 室内空气的比热容， 1 0 0 5 J ／ ( ~ C m ) ； △ 一 室内空气升高的温度，根据室内升温要求取 值， ℃。 2 ． 3热量损 失 由电热混凝土通电产生的热量一方面用于提升电热混凝 土和室内空气的温度，另一方面要弥补室内外空气因温差通 过墙体产生的传热损失。 6 2 新型建筑材料 2 0 1 5 ． 1 0 在冬季，室内温度较高的空气将其热量通过墙壁传给室 外温度较低的空气属于一种典型的传热过程，该过程包括 3 个过程： ( 1 ) 从室内热空气到墙面高温侧的对流传热； ( 2 ) 从墙 面高温侧到墙面低温侧的导热； ( 3 ) 从墙面低温侧到室外冷空 气的对流传热。 将传热损失量均化到每一个加热单元， 则单位 面积电热混凝土所补偿的热量损失可按照式( 4 ) }l 】 1计算。 Q -= K A AT ／ n ( 4 ) 式中： ——墙面总面积， 根据实际住宅使用空间确定， m ； △卜室内外温差， ℃： n——室内加热单元总数； K ——传热系数， W／ ( m ℃) ， 值的计算考虑门窗对传 热损失的影响， 可按式( 5 ) 【1 2 】 计算平均传热系数。 ( 5 ) 式中： A 、 厂窗、 墙的面积， m ， 根据实际住宅套型确定， 其 中窗墙比取0 ． 3 ； 。 、 ——窗、 墙的传热系数， W／ ( m ： ℃) ， 根据现行标 准取值『1 2 1 ， K 1 = 3 ． 2 W ／ ( m 2 " q C ) ， K 2 = 1 ． 0 w／ ( m ℃) 。 2 ． 4 电热混凝土的电阻率 电热混凝土作为一种导体，其发热功率和电阻率满足如 式( 6 ) 所示关系[ 3 1 ： p=簪 (6 ) 式中： p ——电热混凝土的电阻率， Q m ； [ 卜两电极问的电压， 取安全电压3 6 v ： 电极的面积， m ； 发热功率， W； —— 两电极间的距离， m。 3 电热混凝土建筑采暖的功率分析 3 ． 1 采暖最低功率 对图1 所示的电热混凝土地面板结构模型，当电 源连通 后， 电热混凝土产生热量， 温度升高， 并通过表面铺层与室内 空气进行热交换。 室内空气吸收热量后温度逐渐升高， 直到达 到人体适宜的温度。在这一过程中， 其能量关系应满足式( 1 ) 的要求。 因此， 利用电热混凝土的电热效应能否达到建筑采暖 的目的，关键在于电热混凝土通电后在一定时间内产生的热 量是否能够满足建筑采暖的需要。这一方面与电热混凝土或 空气与周围环境之间产生的热量交换有关，另一方面与电热 混凝土通电后发热功率的大小有关。 为便于研究， 本文选取重 庆地区3 类套型住宅作为研究对象，套内使用面积取7 0 m z ， 层高为2 ． 8 m ， 电热混凝土层为2 o m ， 每一个加热单元取 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓斐， 等： 电热混凝土建筑采暖的功率分析 l mxl i n 。 电热混凝土通电发热后， 通过相应的智能控制系统， 可以 调节室内空气的最高温度，根据国家标准对夏热冬冷地区室 内采暖温度的规定【 l =；】 ’ 本文以1 8 ℃为控制目标。当室内温度 达到 l 8 ℃时， 根据式( 4 ) ， 在单位时间内， 室内空气与不同环 境温度的空气之间产生的对流换热损失见图2 。 图2 室内环境1 8 ℃时通过墙体的换热损失功率 换热损失与环境温度和室内温度有关， 环境温度越低， 室 内温度越高， 换热损失越大。由图2 可知， 在环境温度为6 ～ 1 4℃时， 外墙换热损失为 1 5 ～ 4 5 W ／ m 。 室内空气在升温过程中， 一方面吸收热量提高温度， 另一 方面补偿室内外空气因温差产生的传热损失。当温度升高到 设定温度时，电热混凝土所产生的热量不再用于提高室内环 境的温度， 仅仅用于补偿室内外空气因温差产生的换热损失。 很显然，电热混凝土的发热功率必需大于单位时间内墙体与 室外空气传热损失才能使室内空气温度保持在 1 8 c C 。否则， 室内空气温度将下降到 1 8 ℃以下， 才能使换热损失量与电热 混凝土的发热量达到平衡， 这样就达不到室内采暖的目的。 因 此， 1 8 ℃时墙体在单位时间内室内外空气因温差产生的换热 损失的大小即是电热混凝土用于建筑采暖时需要的最低功 率。 3 ． 2 升温功率 将电热混凝土应用于建筑采暖，应考虑室内升温时间这 一 重要的使用要求。 针对重庆地区的热环境， 计算单位面积电 热混凝土板在不同升温时问要求下室内温度由1 3 ℃升至1 8 ℃ 所需要的功率。 在室内温度逐渐上升的过程中， 会不断通过 墙体向室外传热。设升温时问为 ， 以时间为积分变量， 对式 ( 1 ) 积分， 得到升温功率如式( 7 ) ： f r 11 P = ( Q a+ Q 【+J K A — t d t ) ／ T ( 7 ) u nj 计算结果如图3 所示，室内温度在 1 2 0 m i n内从 1 3 ．4 q C 升至l 8 ℃至少需要4 9 w。 升温时间要求越短， 电热混凝土所 需要提供的发热功率越大。在升温过程中， Q 、 Q 、 Q 。 分别占 升温功率P的4 0 ． 7 ％ ～ 5 4 ． 4 ％、 4 ． 8 ％ ～ 6 ． 7 ％、 2 3 ． 5 ％ ～ 4 4 ． 4 ％。因 此， 室内升温速率受电热混凝土自身升温速率的影响较大。 其中， 由式( 3 ) 可知， 当电热混凝土的尺寸和室内温度变化 量无法改变时，电热混凝土的比热容和密度是主要影响因 素。比热容和密度越小， 加热室内地板所需的功率越小， 电热 混凝土的发热功率将更多用于加热室内空气，室内升温速率 将提高。 图 3 室 内不 同升温时 间要求所需功率 需要指出的是， 室内升温速率受诸多因素影响， 要提高室 内升温速率， 从混凝土自 身的角度分析， 一方面要提高电热混 凝土自身的发热功率， 另一方面要降低自身升温所需的热量。 对于前者， 结合式( 6 ) ， 电热混凝土的发热功率受电极布置方 案和自身电阻率综合作用。当室内环境的电极布置方案已确 定时， 电热混凝土的电阻率越小， 其发热功率越大。 对于后者， 可通过优化电热混凝土原材料的选择及配合比，降低其比热 容和密度， 从而降低自身升温所需的热量， 使室内升温速率提 高。 另外， 电热混凝土层的厚度、 地板铺层厚度越小、 墙体保温 性能越好， 升温时间越短。 4 电热混凝土实测发热功率 文献[ 1 5 】 采用 1 0 m m的短切碳纤维制各电热混凝土， 碳 纤维掺量占水泥质量的4 ． 5 ％， 所用配合比为m( 水) ： m( 水泥) ： m( 砂) ： m( 石) - 0 ．6 2 ： 1 ： 1 ： 1 ， 试模尺寸为4 0 0 ra m ~ 4 0 0 m in x 4 0 m m， 养护2 8 d 后用 3 6 V电压测其发热功率。 测试结果显示发热 功率达到1 0 2 5 W／ m ， 远远大于电热混凝土用于建筑采暖时 需要的最低功率且能应用于室内升温速率要求较高的环 境。 文献『 5 ] 采用8 m m长聚丙烯腈基碳纤维与0 ． 1 6 - 0 ． 3 1 5 m m 粒级水淬钢渣( I ) 及5 1 0 m m粒级水淬钢渣( I I ) 复合制备电 热混凝土。其配合比为m( 水泥) ： m( 钢渣 I ) ： m( 水) ： m( 砂) ： m ( 钢渣I I ) = 1 ： 0 ． 8 ： 0 ． 4 5 ： 1 ． 7 5 ： 1 ． 5 ，碳纤维的体积掺量为 1 ． 2 ％。 搅拌后浇筑于 1 0 0 0 m m x 4 2 0 m m x 5 0 m m的木模， 4 8 h 后拆 模养护。 养护结束后， 用 3 6 v交流电压测试该混凝土的导电 性和电热性能， 结果表明： 该混凝土的电阻率为0 ． 7 8 Q m ， 且单位面积的发热功率达到了4 9 4 ． 2 W／ m ， 大于室内采暖所 N E W BUI L DI NG MATE RI AI_ S 63 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ O 专褂 赠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 邓斐， 等： 电热混凝土建筑采暖的功率分析 需最低功率， 该电热混凝土可应用于夏热冬冷地区建筑采 暖。 5 结论 ( 1 ) 室内采暖需要的最低功率与室内外空气因温差通过 墙体产生的传热损失有关，电热混凝土的发热功率能满足室 内采暖最低功率的需求，电热混凝能用于重庆等夏热冬冷地 区冬季室内采暖。 ( 2 ) 升温功率的计算可指导实际工程中设定电热混凝土 发热功率。 ( 3 ) 室内升温速率受电热混凝土自身升温速率的影响较 大。 降低电热混凝土自 身的比热容和密度， 能有效提高自 身升 温速率， 从而缩短室内升温时间。 参考文献： Ⅲ 1 Wh i t t i n g t o n H W， Mc C a r t e r J ， F o r d e M C ． T h e c o n d u c t i o n o f e l e c t r i c i t y t h r o n g h c o n c r e t e 【 J 1 ． Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 81 ， 3 3( 1 4 )： 4 8 — 6 O． [ 2 ] T u a n C Y， Ye h i a S ．E v alu m i o n o f e l e c t r i c a l l y c o n d u c t i v e c o n - 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