碳纤维低温供暖系统地板温度控制策略

摘 要：对碳纤维低温供暖系统地板温度进行了模拟研究，得到地板温度随发热体埋地深度、发热体间距、地面层热阻的关系，希望可以对碳纤维低温供暖系统工程实践起到指导作用。

关键词：碳纤维；地板温度；温度均匀性；数值模拟；埋地深度

随着我国城镇化的发展，北方城镇集中供热热力缺口越来越大，城镇供热多元化模式得到迅速发展。在供热多元化模式中，主要的供暖方式可分为热泵模式和电采暖模式。其中热泵供热模式从热源类别可分为地源热泵、水源热泵、空气源热泵、污水源热泵等不同的种类，不过其工作原理大多可以概括为利用高品位能源做功，使热量传递逆向进行。在电采暖供热模式中，从发热材料的不同可分为合金发热线缆和碳纤维发热线缆等。它们的工作原理都是利用电能，转化为热能直接供热。

对于电采暖系统，它具有供热系统简单、初投资费用低、计量收费简单、技术成熟等有点。主要研究对象为碳纤维低温地板辐射采暖系统。由于碳纤维低温辐射地板采暖系统的发热体工作温度在40℃～60℃之间，比传统的暖气片供暖系统的进水温度90℃要低很多，这也就意味着室内温度的均匀性要比传统暖气片系统高很多。对于地板辐射采暖系统，室内温度依赖于地面表面温度，而地面表面温度则依赖与地板层的热阻、发热体埋地深度、发热体间距等因素。所以，本文侧重研究地面表面温度分别与地板层热阻、发热体埋地深度、发热体间距的关系。

1.2 地面结构层的简化

对于碳纤维地板辐射供暖系统的地面结构，我们在数值模拟中做一下几点简化：

（1）碳纤维发热线上的温度分布均匀，且线上的每一处温度都相等。

（2）绝热层内的热流量为零，表示绝热层完全隔绝热量的传递。

（3）本次模拟选用的碳纤维发热线缆直径为6mm。

（4）计算区域内，材料各向同性，不可压缩。

（5）计算区域对称。

简化后的计算模型如图1-2。

在模拟过程中，地面的温度处于42℃～22℃，等温线的条数为20条，所以每相邻的两条等温线之间的温差为1℃。由图2-1～图2-3可以看出，当发热线间距为60mm时，地面的温度分布均匀，地板表面的温度在23℃～24℃，两根发热线中间部分垂直向温度梯度大，温度在32℃～22℃；当发热线间距为80mm时，地面的温度分布均匀，地板表面的温度在21.7℃～22.3℃，两根发热线中间部分垂直向温度梯度较大，温度在29℃～22℃；当发热线间距为100mm时，地面的温度分布均匀，地板表面的温度在21℃～22℃，两根发热线中间部分垂直向温度小，温度在26℃～22℃。由图可以看出，增大发热体的间距，有利于降低地面表面温度，但对于表面温度的均匀性影响较小，不利于地面间的储热。

2.2 第二组模拟结果

图2-4表示水泥砂浆的热阻为0.03m2・K/W温度分布平面示意图，图2-5表示水泥砂浆的热阻为0.05m2・K/W温度分布平面示意图，图2-6表示水泥砂浆的热阻为0.1m2・K/W温度分布平面示意图。

模拟过程中，地面的温度处于42℃～22℃，等温线的条数为20条，所以每相邻的两条等温线之间的温差为1℃。由图2-4～图2-6可以看出，当地面热阻为0.03时，地面的温度分布均匀，地面温度在21℃～21.5℃，发热线中间垂直向温度处于26℃～22℃；当地面热阻为0.05时，地面的温度分布比较均匀，地面温度在21.4℃～21.9℃，发热线中间垂直向温度处于26.5℃～22℃；当地面热阻为0.1时，地面的温度分布不较均匀，地面温度在23℃～24.2℃，发热线中间垂直向温度处于28.6℃～23.2℃。由此可以看出，减小地面层的热阻，有利于地面表面温度的均匀，同时减小了地面的储热。

2.3 第三组模拟结果

图2-7表示水泥砂浆厚度为30mm温度分布平面示意图，图2-8表示水泥砂浆厚度为40mm温度分布平面示意图，图2-9表示水泥砂浆厚度为50mm温度分布平面示意图。

模拟过程中，地面的温度处于42℃～22℃，等温线的条数为20条，所以每相邻的两条等温线之间的温差为1℃。由图2-7～图2-9可以看出，当水泥沙浆厚度为30mm时，地面的温度分布不均匀，地面温度在23℃～21.3℃，发热线中间垂直向温度处于24.6℃～22℃；当水泥沙浆厚度为40mm时，地面的温度分布均匀，地面温度在21.8℃～21.2℃，发热线中间垂直向温度处于26℃～21.2℃；当水泥沙浆厚度为50mm时，地面的温度分布很均匀，地面温度在21.5℃～21.3℃，发热线中间垂直向温度处于27.5℃～21.3℃。由此可以看出，增大地面层厚度，有利于地面表面温度的均匀，同时增加了地面层的储热。

3 结语

（1）地面表面温度的均匀性与发热体间距成正比，与地面层热阻成反比，与地面层厚度成正比；（2）发热体间距对地面表面温度均匀性的影响较小，对地面层储热影响较大；（3）地面层的热阻对地面温度的均匀性影响大，同时增大热阻，地面表面温度也会随着增大，在工程中，应选用热阻较小的材料作为地面层；（4）地面层的厚度的增大有利于地面表面温度的均匀，同时也有利于地面温度的降低，但是地面层厚度的过厚不利于发热体的散热，应综合考虑利弊，选择合适的地面层厚度。

综合发热体间距、地面层厚度、地面层热阻的综合影响，在实际工程中，选用的地面层热阻较小时，可以适当增大地面层厚度，适当减小发热体的间距，反之亦然。

参考文献

[1] 杨建坤.北方小城镇供热模式分析与热网优化控制的研究[D].南京：同济大学，2007.

[2] 章熙民，任泽霈.传热学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.[3] 陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.