導電混凝土應用于建筑采暖工程的計算方法

摘要：導電混凝土作為一種新型建筑材料，將其應用于建筑采暖工程中，可有效節約資源、保護環境。室內空氣溫度是建筑采暖的主要關注點，針對導電混凝土作為建筑采暖地面的問題，在考慮電熱效應、輻射換熱與對流換熱等的基礎上，給出了混凝土溫度場、室內空氣平均溫度的計算方法，無需對空氣建模，簡化了前處理工作量。與室內試驗結果對比分析表明，計算結果與試驗結果相對偏差在1.34%左右，驗證了所提出計算方法的正確性與可用性。針對室內采暖效率，進行了不同組合工況的數值模擬分析，說明了通電電壓、混凝土厚度的可挖潛能力較弱，導電混凝土的電阻率敏感性較強，是可挖潛的重要影響因素。

關鍵詞：導電混凝土；建筑采暖；數值計算；電阻率

中圖分類號：TU832.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2013）04-0139-06

當今世界能源問題日益緊張，最大限度地節約能源、保護環境是目前土木建筑領域的核心發展方向。中國大陸屬典型的季風性氣候，冬季寒冷，傳統模式的建筑采暖具有鮮明的南北方特色，北方多采用鍋爐供熱并配以分布式金屬散熱片，一次性投資大，且耗費大量煤炭資源，對環境也存在著廢氣污染的問題；南方則多采用室內空調采暖，耗電嚴重，維護成本較高。對此，一些學者展開了針對建筑采暖工程的改進研究，其中，導電混凝土作為一種地面加熱材料的方式也在近年內被提出。

作為一種新型混凝土，導電混凝土通過摻入添加材料作為導電相，以降低其自身的電阻率，達到有效導電的目的?，F階段，主要的添加材料包括鋼纖維^[1-3]、鋼絲絨^[4-5]、碳纖維^[6-8]以及石墨^{[5， 9]}等。一般來說，普通混凝土屬于不良導體，電阻率較高，在654×103～1.1×104 Ω·m之間^[10-11]。試驗表明，混凝土在摻入少量鋼纖維后電阻率可在早期有效降低至74～319 Ω·m^[3]，在摻入石墨后可改變在10-1～104 Ω·m^[9]，綜合利用鋼渣與碳纖維制成的導電混凝土電阻率達到了0.78 Ω·m^[7]。

導電介質在通電后，可以產生電熱效應，亦稱焦耳效應，其溫度將升高，并伴隨有熱量的產生與釋放，因此，導電混凝土可用于公路融雪化冰^{[6， 12-13]}、建筑采暖工程^{[7， 14]}等。其中，對于導電混凝土應用于建筑采暖工程的研究，現階段主要集中于實驗層次，其計算方法的相關研究尚少見。筆者針對導電混凝土應用于室內采暖工程的問題，在考慮電熱效應、導熱與換熱等計算原理的基礎上，提出了該類問題的計算方法，并對不同工況進行了數值模擬分析。

左正，等：導電混凝土應用于建筑采暖工程的計算方法

1計算模型

一般來講，導電混凝土作為建筑內部地面加熱材料的應用方式如圖1所示，導電混凝土層位于絕熱底層與地面鋪層之間。工作時，分區域分單元地對導電混凝土層通電，以達到室內采暖的目的。地面鋪層一般選擇絕緣并且傳熱較好的材料，絕熱底層一般選擇隔熱性能較好的材料。

將導電混凝土層中的一個加熱單元提取出來，抽象計算模型，如圖2所示，d為導電混凝土層的厚度，L為導電介質間的跨度（電壓間跨度），b為導電截面的長度。

導電混凝土層內部在考慮電熱效應的基礎上，可按照各向同性介質的熱傳導問題求解，底部屬于絕熱邊界條件，上部的地面鋪層較薄且導熱較好，可視導電混凝土上表面與室內空氣之間為對流換熱與輻射換熱邊界條件。

室內空氣不考慮由于流動形成的不均勻溫度場，等效考慮為相同空間下的均勻溫度介質，這樣，數值模型中無需對空氣建模，可將其作為一種邊界條件處理，充分簡化了計算的前處理工作量。室內空氣在考慮與導電混凝土層的換熱外，仍需考慮與室外空氣通過墻體的換熱。

3.3溫度場

采取驗證算例的布置形式與混凝土材料，調整直流通電電壓為35.0 V，以室內外初始溫差2.0 ℃為例，計算溫度歷程如圖4所示，由于墻體換熱的存在，室內空氣溫度的上升斜率在后期要小于導電混凝土層表面。

繪制通電2 h時的導電混凝土層的豎向溫度變化場分布云圖如圖5所示，層內沿豎直方向形成了熱量流動，在上表面附近溫度梯度較大，上下表面溫差在2 ℃左右。

3.4換熱量

采取驗證算例的布置形式與混凝土材料，計算并統計通電2 h內不同室內外初始溫差ΔT0情況下自然對流換熱與輻射換熱的換熱量如表4所示，在導電混凝土層與室內空氣的換熱過程中，輻射換熱所占的比重較大，總量上有輻射換熱量∶對流換熱量=60%∶40%，以室內外初始溫差ΔT0=2.0 ℃為例，計算熱通量歷程如圖6所示。

根據計算結果，對不同組合工況進行參數敏感性分析，可得到ρ、ΔU、d的平均敏感性指標分別為0.84、2.73、0.16。說明采暖效率對輸入電壓非常敏感，但是由于安全電壓的限制，直流35.0 V已是極限，沒有挖潛的余地；采暖效率對厚度的敏感性較弱，且進一步加厚將帶來工程材料增加的額外費用，并不值得做太多文章；采暖效率對導電混凝土的電阻率敏感性較強，且導電材料仍有進一步研究挖潛的空間。因此，導電混凝土的導電能力是其應用于建筑采暖工程中的主要考慮因素與研究重點。

4結論

1）在考慮對流換熱、輻射換熱以及電熱效應等計算原理的基礎上，提出了導電混凝土應用于建筑采暖工程中的計算方法，通過對已有試驗的數值模擬，證明了計算方法的正確性與可行性。

2）通過數值試驗證明了摻入添加材料后混凝土的導電性能是建筑采暖工程中應用的重要考察因素。

沒有考慮配制導電混凝土的經濟性是本文的不足，這也將是未來研究工作中的重點。

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（編輯胡英奎）