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上一层 电地暖选型 热负荷计算 房间特性参数 耗热量指标计算 发热电缆应用

建筑用发热电缆的应用研究


   
摘要:随着采暖方式的多样化,建筑用发热电缆应用于采暖系统的案例越来越多。本文介绍了建筑用发热电缆构造及技术要求,讨论了其设计要点并进行了经济分析,最后通过应用Excel计算,给出北方地区发热电缆敷设面积比率,供设计人员参考。
   
关键词:发热电缆 采暖系统 建筑采暖设计

    1.引言
   
发热电缆是一种新型电热材料,由于近年来国家电力政策适时鼓励用电,如明确峰谷电的使用、建设项目电力增容费的减免等,以及采暖计费制度的确立,使得以发热电缆为热源的采暖系统的应用得以出现,其中发热电缆低温地板辐射供暖系统最为舒适。该系统具有以下优势:①属清洁能源,无污染和噪声,利于环保;②发热效率高,设计、施工方便,卫生舒适,无需采暖外线,降低损耗;③可实现分室控制,自动化程度高,可与楼宇控制系统结合;④便于独立计费,维护、管理简单,运行可靠等;此外,发热电缆等电热产品的应用,提高了整个发电系统的资源利用水平,均衡全年用电负荷。以上特点给发热电缆提供了更广阔的生存空间,并成为建筑采暖设计的一种重要补充。
    2.
发热电缆的构成及技术要求
   
发热电缆从内而外由以下几部分组成:金属发热元件即发热体、绝缘材料、接地导线、金属护套、外套。当发热电缆通电后,发热体把电能转化为热能,而热能主要以辐射、对流的方式散发出去,其对流传热的比例约占33%-51%
发热电缆各组成部分的物理特性要满足以下几个方面的要求:发热效率高,寿命长;安全性好,做到不漏电、不短路;无电磁污染;有一定的机械强度;有一定的温控措施,以防表面温度超过安全要求。
   
金属发热元件:由铜或铜镍合金制成,要求其发热效率高、阻值均匀稳定、寿命长。它是发热电缆的核心部分,一般分为单导线和双导线两类,功率范围为100-3100W。按线荷载恒定有1017202830W/m系列产品;按电阻恒定定义有阻抗电缆,其规格0.05-10Ω/m变化不等。还有非金属材料如碳纤维作发热元件,本文不叙及。
   
绝缘材料:保证电缆安全使用,做到不漏电、保障人体安全。电缆的绝缘电阻必须在0.5MΩ以上,另外还要满足:①耐高温、高压。发热电缆工作时正常表面温度范围为40-60℃,极端时会达到80-90℃,其承压区间为220-500V。 柔韧性好,抗蠕变,寿命长。目前市场上营销的产品绝缘材料多为交联聚乙烯、有机硅胶等。
   
金属屏蔽护套:屏蔽电缆工作时产生的磁场。根据欧洲委员会/11/的建议,磁通量的密度不得超过100μT。常见的屏蔽措施为采用铝箔屏蔽、双绞线平衡结构等。较好的产品其磁通量密度不超过0.2μT
   
外套:发热电缆外围护层,具有抗强化学腐蚀、耐老化、标识及美观的特点。一般为PVC材质。
    3.
发热电缆的经济性分析
   
发热电缆用于民用建筑采暖时是否经济,是否符合当前我国居民消费水平,其发展前景如何,这些都是发热电缆推广应用中人们关注的问题。下面将从两方面加以分析。
    3.1.
初投资对比
   
发热电缆低温地板辐射供暖系统与其他采暖系统初投资比较结果如表1所示。


1 各采暖系统初投资比较


   
由表可见,在环保有要求的地区,针对以上几种常用采暖方式,发热电缆低温地板辐射采暖系统初投资不算很高。
    3.2.
运行费用对比分析
   
运行费用与国家电力政策息息相关。笔者调查了我国北方地区15城市和夏热冬冷地区11个城市的居民生活用电规定,发现通常电价包括电建资金、三峡资金、城市附加及网路维修几部分。因电网供电对象主要为工厂和有关商业项目,居民生活用电包括采暖及空调用电所占份额有限,所以一天内造成用电呈峰谷状态;当天气恶劣时,白天生活用电的瞬间激增,更加剧了这种现象。用电的不均衡造成电力资源配置利用率低、效率不高。基于该情况,在保持原单一电价的基础上,国家电力公司国电财[2000]114号文件明确要求加大峰谷电价推广力度,20034月国家发改委发出的通知中更明确地提出了以“移峰填谷”为目的推行峰谷时段电价,并指出二者价差可在2-5倍间选择,且可实行电价水平更高的尖峰电价。目前,辽宁、吉林、黑龙江、北京、天津、河北、山东、陕西、新疆、青海、甘肃、宁夏、上海、江苏、浙江、安徽、福建、江西、湖北、河南、四川、重庆、云南、广西、贵州、广东等省市纷纷出台了分时电价政策。分时电价实施起来大体如下:一天的电价分为峰时和谷时,峰时一般从上午8点至晚22点,谷时从晚22点至上午8点;峰时电价为单一电价的100%-110%,谷价为单一电价的50%-60%

 

 

1 发热电缆采暖系统运行费用

 


2 夏热冬冷地区发热电缆采暖系统运行费用


   
以上述各城市为对象,根据其耗热量指标及各地电价,进行大量计算的结果绘制成图12。从图1中得知,北方地区各城市应用发热电缆低温地板辐射采暖系统时,单一电价下其每平米每年运行费用范围为20.0-40.0元,峰谷电价下其每平米每年运行费用范围为15.0-35.0元。从图2中可得,夏热冬冷地区各城市应用该系统时,单一电价下其每平米每年运行费用范围为8.0-20.0元,峰谷电价下其每平米每年运行费用范围为7.0-18.0元。
可见实行峰谷电价后每平米年运行费用普遍下降10%左右;此外,该运行费用尚有其他降价空间:
  
1)由于发热电缆便于分室调控,调节灵活度大,与人们的行为节能配合默契,在保证使用时间内热舒适度的前提下,适当降低全供暖期平均室温,这样将降低供暖年耗热量,即降低了运行费用。有资料显示,北京地区上班时间内室温调至10℃,居家时设定为18℃时,全年节能10%还多。
   
2)低温地板辐射采暖系统热舒适度高,可按低2℃设计,同样降低供暖年耗热量和运行费用。
  
3)采用蓄热设施进行谷电储热,与平电制热合理搭配,充分发挥峰谷电价的优势,多利用谷电以减少费用。蓄热设施常见的有混凝土板蓄热、相变材料蓄热等,其构造方式、蓄热设计还有待进一步的研究。
  
4)随着我国电力系统的逐渐完善,水电、核电比例的增加,以及发电及电力输配效率的提高,电价将稳中有降。
    4.
发热电缆低温地板辐射采暖系统有关设计问题
    4.1.
系统敷设方式
发热电缆一般采用直列式敷设方式、等间距布置,在热损失明显不均匀的房间,宜采用疏密结合的布线方式,在房间热损失较大处如外窗下或外墙侧,发热电缆敷设间距小;而在内餐厅、走道及其他近内墙处因房间热损失较小而间距大。
布线间距d与散热是否均匀、是否符合人体温度要求和电缆覆盖率有直接的关系。
    d
由以下因素确定:①安装因素。根据发热电缆的物理特性,其敷设的最小弯曲半径为5倍的电缆直径,而按照厂家提供的样本,电缆直径通常为6-8㎜,则发热电缆最小间距为60-80㎜;②散热效果。据研究表明[2],导线表面的平均温度与最高温度随导线间距的增大而呈上升趋势,导线电流通断时间比亦随导线间距的增大而增大;而经过计算认为[1],间距d增大时,热流密度降低。说明d取值过大,则地面温度分布不均,而且易造成导线表面温度过高。设计时d不宜大于300㎜,下文分析时d取值区间为[80300]
    4.2.
系统设计
   
工程设计时,发热电缆低温地板辐射采暖系统与低温热水地板辐射采暖系统有相似之处,即首先必须明确房间的采暖热负荷和有效散热面积,而有效散热面积应给予重视,它等于房间建筑面积减去固定设备和无腿家具等的覆盖面积,这里存在一个遮挡系数的问题。不同的是,发热电缆本身为热源每根电缆为一个独立的系统,规格各异。一般地,一个房间设一根电缆(地面温度允许时,负荷大的可设多根),电缆的一端或两端与温控器相连,温控器内有空气温度和地板中电缆表面温度测温装置。具体的设计过程分两类,计算如下。
    4.2.1
对于阻抗型电缆
 
1)确定房间安装功率(W):考虑电的热效率及行为节能的空间,一般安装功率为房间热负荷的1.1-1.5倍,即p=1.1-1.5Q,其中Q为房间热负荷。
  
2):估算电缆长度L(m):假定安装平均距离d,则L=F1/d,其中F1为有效散热面积(㎡)。
 
3),计算电缆的单位热阻r(Ω)并依据该值选定合适的电缆型号:r=U2/P.L),其中U为电压(V)P为功率(W)。
    4.2.2
对于线型荷载恒定的电缆
 
1)确定房间安装功率:同于4.2.1中的(1)。
  
2)确定电缆长度Lm):L=P/qo,其中qo为所选电缆的线型荷载。
 
3)确定安装平均距离:d=F1/L
   
以上步骤完成后,要进行校核工作,内容有:是否满足散热负荷;根据地表热流密度计算的地板表面温度是否满足人体要求[3];线型荷载是否超标。
   
发热电缆用于建筑采暖时,其线型荷载有如下限制:当采用木质地板时,线型荷载不大于10W/m;直接作用于混凝土地板时,线型荷载为20-30W/m
    4.3
利用典型居室计算覆盖面积率
    
取上述北方城市室外气象参数为计算条件,以典型居室为模型,计算出不同地区同样居室的采暖负荷,根据采暖负荷,按照4.2.2中的步骤进行计算,确定发热电缆的布线间距和实际的有效散热面积,然后取得有效散热面积与建筑面积的比值。其中围护结构传热系数采用当地有关节能标准规定的上限值,发热电缆规格为10W/m17W/m,分别选取木地板和石材两种地面,且布线间距为80-300㎜。计算的房间为次卧、主卧、起居室。计算结果见表2、表3。可知,北方地区采用发热电缆低温地板辐射采暖系统时,发热电缆敷设面积与建筑面积的比率为20%-100%,随着耗热量指标增加下限提高。需要说明的是,当个别房间单位面积的热负荷太大,造成地板表面平均温度过高、不能满足人体舒适度要求时,应增加其他供暖设备,但随着国家节能工作的进一步深入,节能标准值越来越小,这种情形将不会出现。
    5.
结束语
   
发热电缆低温地板辐射采暖作为一种电热直接供暖系统,虽然其能质系数低,对供电形势和政策依赖过多,但由于它独有的特点,如局部改善大气环境、平衡季节性电力资源过剩、调节灵活、节约运行费用、设计施工简单等,在今天多元化供暖方式中必有其一席之地。通过上文的讨论,我们可以看到,随着电力资源的综合开发和系统完善,以及蓄热技术的成熟,发热电缆将有更好的发展前景。

 

北方城市发热电缆敷设面积比率(Ⅰ)

 

3 北方城市发热电缆敷设面积比率(Ⅱ)

 


   
参考文献
    [1].
孙德兴,陈海波,张吉礼,等.地板采暖技术推广中尚需研究解决的若干问题[A].全国暖通空调制冷2002年学术年会论文[C].2002121-125.
    [2].
刘国丹,孔祥强,李峰,等.电地板辐射采暖系统的实测与分析[A].全国暖通空调制冷2002年学术年会论文[C].2002129-133.
    [3].
低温热水地板辐射供暖应用技术规程DBJ/T01-49-2000[S].
    [4].
民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑JGJ26-95[S].
    [5].
夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准JGJ134-2001[S].

高端建筑物室内生态环境的综合解决之道    瑞恒生态建筑系统——享我所想
 
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