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    石墨烯電熱膜實際應用中的分析
    發布時間:2021-06-16 16:36:00| 瀏覽次數:

    電熱膜電地暖系統的熱負荷計算應遵循國家規范和相關規定,但是電地暖系統電功率的配置應結合電地暖的特點,尤其應滿足用戶在低溫下啟動系統時快速升溫的供暖需求要求。電地暖系統的運行測試數據表明圍護結構是決定系統運行成本的主要因素,在保證供暖效果的前提下與單位電功率沒有直接的線性關系。


     關于供暖系統的熱負荷計算,暖通空調專業的教科書以及相關的國家標準、多種出版物均有介紹,既有經過嚴格理論推導而得的計算公式,也有通過建立函數關系,在大量模擬實驗和檢測數據的基礎上回歸的經驗公式。熱負荷求解所必需的各種參數的選取以及為消除偏差的各種修正系數、補償系數等也分別有所介紹。更為簡單的熱負荷確定方法還有針對我國三北供暖區域不同建筑物類型給出了單位供暖面積的推薦熱負荷指標。針對新型的地面輻射供暖方式,《地面輻射供暖技術規程》在參考傳統的供暖熱負荷計算的同時結合地面輻射供暖特點,給出了水地暖和電地暖熱負荷計算方法和一系列相應的規定、修正系數、推薦值等等。

     

    這些確定供暖系統熱負荷的方法和計算公式同樣可用作電熱膜電地暖系統設計的參考。但是,電地暖系統熱負荷和鋪設電功率的最終確定除了應遵循相關政策法規和參考上述計算公式的結果外,更要充分考慮電地暖系統特點和適應不同用戶的供暖需求等多種因素。電地暖系統的最突出特點是便于分戶、分室控制,與其他供暖形式相比可最大限度地實現“我的能耗為我所用、我的費用由我做主”,即在同樣圍護結構情況下戶間傳熱可降低到最小。正因為如此,電地暖系統的熱負荷設計除了應滿足達到供熱平衡時失熱熱量的補充,還應考慮用戶在實際運行時經常會發生的低溫啟動狀況,即快速升溫的問題。此外,伴隨著供暖需求的南移,“濕度”也必然應該成為熱負荷計算中的影響因素,這是因為潮濕空氣不僅需要消耗大量的汽化潛熱,濕度對人體的舒適感也有較大的影響,因此在我國南方和沿海濕度較大地區確定電地暖熱負荷時也應考慮在內。


     本篇給出盛烯石墨烯電熱膜電地暖系統在河北省唐山市的兩個測試樣板間的熱負荷確定和實際運行效果分析的兩個案例。

    一、熱負荷計算和鋪設功率確定

    案例一:河北唐山市特陶廠測試樣板間


    1、基本情況

     位于唐山市特陶廠辦公樓的一層中部,房間為南北向。戶門為木制,東、西各一個,開在北側正對辦公樓的門廳,其中東側的門停用。戶門尺寸為0.9*2.4m。外墻:南墻為37磚墻,后做50mm聚苯板外墻內保溫。其余墻體為24磚墻,后做50mm聚苯板墻體內保溫。北墻為無采暖樓梯間(門廳)隔墻,西墻為間斷采暖房間的隔墻,東墻為無采暖房間的隔墻,并開有一個內門,有時開。外窗為雙層玻璃窗戶開在南墻,東西側各一個,尺寸為1.8*1.5m。頂棚未做聚苯板內保溫,其上層辦公室為間斷采暖房間。室內尺寸為:6.32*4.7m(套內面積:29.7m2),圍護結構尺寸取值為:東西長:6.62m,南北寬:5.25m(建筑面積34.8m2),層高:3.0m。


    2、熱負荷計算

    1)總熱負荷計算公式

    為了簡化計算,本樣板間按下式計算熱負荷:

     QH=QH?T+ QINF-QI?H-                       

    (1)式中:QH--熱負荷(W),供暖期間為維持供暖房間保持一定溫度所需要的熱量;

    QH?T--失熱量(W),指建筑物通過圍護結構向室外傳熱消耗的熱量,此計算不考慮通過地面向下的失熱量;

    QINF--冷風滲透耗熱量(W);

    QI?H--內部得熱(W),住宅建筑取3.80W/m2。

    2)失熱量

    QH?T=(ti-teΣε?K?F                  

    (2)式中:

    ti--室內計算溫度,按設計溫度16℃計算;

    te--采暖期間室外平均溫度,唐山地區采暖期計算用室外平均溫度-2.9℃;

    另外,西側辦公室和頂棚辦公室屬于間歇采暖,假定其室內平均溫度為8℃。

    ε--圍護結構傳熱的修正系數,取值見表1;

    K--圍護結構的傳熱系數(W/m2?K),計算取值見表1;

    F--圍護結構的面積(m2)。

    圖片1.png

    3)建筑物空氣滲透耗熱量

     QINF=(ti-te)(Cρ?ρ?N?V)   

    (3)式中:

    Cρ--空氣比熱容,取0.28W?h/(kg)?K;

    ρ--空氣密度,取te條件下的值3.0 kg/m3;

    N--換氣次數,住宅建筑取0.51/h;

    V--換氣體積,61.6m3。

    計算,得:QINF=219.5W

    4)內部得熱量

    建筑物內部得熱,包括炊事、照明、家電和人體散熱,住宅建筑取3.80W/m2,即:

    QI?H=3.8×6.62×5.25=132.1 (W)

    所以,樣板間在供暖期間平均總熱負荷QH和單位熱負荷qH分別為:

    QH=QH?T+QINF-QI?H=1445.8+219.5-132.1=1533.2(W)

    qH=QH/A建筑=1533.2/34.8≈44(W/m2建筑面積)

    該計算熱負荷高出唐山地區65%節能建筑熱負荷標準20.8W/m2的一倍還多。考慮到極端天氣情況下,如:室外溫度為-15℃,保持室內溫度為20℃,其他所有參數不變,可計算得最大熱負荷為2836(W),單位最大熱負荷達到81.5W/m2。


    案例二:唐山技工學校測試樣板間

     該樣板間位于技工學校門衛室西側的房間,單層,墻體原為37磚墻,后做50mm聚苯板外墻內保溫,套內尺寸為:3.3m*3.02m(套內面積10m2),圍護結構尺寸取值為:東西長:3.62m,南北寬:4.10m(建筑面積14.8m2),層高:2.80m;房間南北各有一個1.2*1.5m的雙層玻璃窗戶;戶門為雙層開在北側尺寸為0.9*2.4m;屋頂后做50mm聚苯板內保溫。南、北、西墻為外墻,東墻為有采暖房間的隔墻。

     表2所示為該樣板間的圍護結構和查表計算出的傳熱系數。表3系與表1同等設計條件下(室內設計溫度16℃,室外平均溫度-2.9℃)的各傳熱面的失熱量、占比以及總熱負荷和單位熱負荷。

     同樣考慮極端條件下(環境溫度:-15℃,室內溫度:20℃),其他所有參數不變,計算得總熱負荷1130W,單位熱負荷67.6W/m2。

    圖片2.png

    以上兩個案例的熱負荷計算結果表明:

    1)通過南北墻(含窗)向戶外的散熱量不足總熱負荷的1/3;

    2)即使頂棚做了保溫,通過頂棚散熱量仍然占有相當的比例(案例二為失熱量的26.6%),不做頂棚保溫時的散熱量則可高達總失熱量的一半以上(案例一為59.8%)(圖1);

    3)另依據電熱膜電地暖模擬測試數據,以2cm擠塑聚苯板為保溫層的電地暖通過地面結構層向下的散熱量在10~20%(電熱膜功率密度180W/m2以內),其中地面結構為“瓷磚+水泥結合層+電熱膜”時,較“木地板+電熱膜”向下的熱散失??;

    4)極端低溫天氣條件下的熱負荷接近甚至超過供暖季平均熱負荷的1倍以上,因此對于在實際的使用過程中經常會出現室內溫度較低的情況下開始啟動電熱膜電地暖系統的用戶,在熱負荷設計時應充分考慮。

    圖片3.png


    二、運行測試及結果分析

     綜合各種因素后決定兩測試樣板間的實際設計負荷均為90W/m2,采用的是盛烯石墨烯電熱膜。其中案例一的高分子電熱膜功率密度為150W/m2,規格50cm*580cm(寬*長),共7條,總功率3045W,折合單位建筑面積88W/m2。案例二的石墨烯電熱膜功率密度為180W/m2,規格50cm*270cm)(寬*長),共5條,總功率1215W,折合82W/m2。

     兩案例按照盛烯石墨烯電熱膜電地暖設計施工驗收規范工藝規范”設計、選材、施工、調試、驗收。地面結構均為復合木地板下直接鋪設電熱膜,下鋪2cm擠塑聚苯板,雙溫雙控液晶顯示溫控器,單獨安裝計量電表,設置漏電保護等電氣安全保護措施、過熱保護措施等,于2008年1月30日完成驗收,進入運行測試。


    1、運行記錄

    案例一之唐山市特陶廠測試樣板間運行記錄見表4,案例二原始記錄略。兩案例的運行記錄數據匯總見表5。

    圖片4.png


    2、能耗分析

    1)依據幾年來連續跟蹤測試“新宇陽高分子電熱膜電地暖系統”在北京地區冬季供暖應用的統計分析資料(見表6),將上述測試期間的實際能耗進行換算,可分別得到案例一、案例二兩樣板間在供暖期間的平均能耗分別為0.48kWh/m20.40kWh/m2,按唐山市居民用電0.5元/kWh計算,運行費用成本分別為28.8元/m224.0元/m2建筑面積;

    圖片5.png


    2)如果達到唐山地區65%節能建筑標準20.8W/m2,上述運行費用分別降低到15元/m2以內。如果用戶在實際運行過程中通過智能化溫度控制即行為節能,運行費用仍有降低的余地(見圖2)。
           圖片6.png


    3)本案例的熱負荷計算和實測的運行數據說明,建筑物圍護結構是決定熱負荷和實際運行效果和運行成本的主要因素。大型居民建筑的頂層、底層和邊部、北墻多的戶型等同比熱負荷和能耗會較多,入住率低、新建建筑等也會增加能耗。


    4)其他測試結果表明,在有溫度控制措施的前提下,鋪設功率大并不會增加運行費用(圖3),相反鋪設功率過小,不僅在環境和室內溫度較低時升溫速度慢、甚至達不到供暖效果,同時能耗也會因為系統工作時間長而大大增加。因此,在系統設計和實際鋪設安裝時應綜合所有關聯條件,保證建筑物中的所有需要供暖的房間,在用戶可能出現的極端條件下都能滿足供暖的要求。

    圖片7.png


     
     
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