變電站地板做法對直埋式發熱電纜散熱的影響研究

石 宏，高立江，閆全英

(1.河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031;2.北京建筑大學，北京 100044)

1 概述

目前變電站設計大多為智能電站，無人值守且遠離市區，冬季難以利用城市熱源實現供暖，采用發熱電纜地面輻射采暖系統是一種較好的解決方案。地面輻射采暖具有室內溫度均勻、穩定，熱容量大，不占使用面積等優點。在相同條件下，室內計算溫度一般可比常規暖氣對流采暖方式低2 ～3 ℃，總耗熱量可減少10% ～15%，且地板供暖溫度范圍分布是頭涼而腳暖，符合人體工程學。地面輻射采暖能夠做到每個房間的溫度可調，所以能夠避免能源浪費，具有節能環保的優點，還可節省暖氣占用的空間，增大有效使用面積。因此，從衛生、環境和能源等方面來看，地板輻射供暖是較好的冬季供暖方式。

變電站控制室常用的保溫地板做法為混凝土填充式、水泥砂漿填充式2 種，通常為濕式做法，發熱電纜直埋入混凝土填充層或水泥砂漿填充層內，其地板構造層厚度大、荷載大，施工量大、工期長、不易檢修，且溫度應力易引起樓板構造層的龜裂和變形，因此制約了地板輻射供暖技術在實際工程中的廣泛應用。

2 發熱電纜地面輻射采暖系統原理

發熱電纜地面輻射供暖系統，是利用電能轉換為熱能且主要通過熱輻射向室內提供熱量的一種供暖方式。發熱電纜也稱恒電阻，是以加熱為目的、通電后能夠散發熱量的電纜，通常由發熱導電體、絕緣層、接地屏蔽層和外護套等部分組成。發熱電纜的發熱元件是由銅、鎳合金制成的電阻絲，在一根發熱電纜內，任意同等長度距離內的阻值是相等的。發熱電纜通過密封防水的接線盒與冷線相連，當冷線被加上電壓后，電流在發熱電纜中通過，由于受到電阻的阻礙，電能轉化為熱能并以輻射的形式散發出來，其熱效率高達97%以上。熱量首先被水泥層所吸收，再通過傳導和輻射形式加熱房間內的密實物體和空氣，從而得到適宜的冬季室內溫度。

3 地板構造模型的建立

為了解不同地板構造發熱電纜地板表面的溫度分布、地板表面散熱量和向下熱損失的變化規律，以下選取混凝土填充式、泥砂漿填充式和預制溝槽保溫板式3 種地板做法，建立其地板構造模型。

3.1 混凝土填充式發熱電纜供暖地板構造

混凝土填充式為濕式做法，分為樓板、發泡水泥絕熱層、混凝土填充層、水泥砂漿找平層、地磚面層五層結構。其中，發熱電纜敷設在厚度40 ～50 mm的混凝土填充層內。地板構造如圖1所示。

圖1 混凝土填充式地板構造(單位:mm)

3.2 水泥砂漿填充式發熱電纜供暖地板構造

水泥砂漿填充式與混凝土填充式相似，只是將其中的混凝土填充層改為水泥砂漿填充層。地板構造如圖2所示。

圖2 水泥砂漿填充式地板構造(單位:mm)

3.3 預制溝槽保溫板式發熱電纜供暖地板構造

預制溝槽保溫板式為干式做法，分為樓板、預制溝槽保溫板層(通常采用聚苯乙烯類泡沫塑料板或發泡水泥保溫板)、上下金屬導熱層、地磚面層四層結構。其中，發熱電纜敷設在厚度為30 mm 的保溫板預制溝槽層內，并且電纜上下均鋪設一層金屬導熱膜(通常采用鋁箔膜)。地板構造如圖3所示。

4 實例分析

圖3 預制溝槽保溫板式地板構造(單位:mm)

以下采用有限單元法，應用ANSYS 軟件，將預制溝槽保溫板式與混凝土填充式、水泥砂漿填充式發熱電纜地板做法的地板表面溫度分布、地板表面向上散熱量和向下熱損失的變化規律進行數值模擬，對比其熱工性能。計算環境為某變電站綜合配電樓的北向標準層房間，室外溫度為－9 ℃，室內空氣溫度為18 ℃，房間尺寸為6 000 mm×3 000 mm×2 600 mm，房間分別有一面外墻和外窗，其導熱系數分別為0.6 W/(m2·K)和2.8 W/(m2·K)，外窗尺寸為1 500 mm×1 500 mm，內墻表面18 ℃，發熱電纜間距為100 mm，輸入線功率為10 W/m。3 種構造地板表面溫度分布見圖4。

圖4 地磚面層的地表面溫度分布示意

采用ANSYS 軟件，模擬數據計算結果見表1。

表1 ANSYS 模擬數據計算結果

從圖4和表1中可以看出:

a.地磚面層混凝土填充式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度最小(27.34 ℃)，地板表面最大溫差最小(0.20 ℃)，即溫度分布均勻性最好，向上散熱量最小(82.63 W/m2)，向下傳熱損失最大(17.13 W/m2);

b.地磚面層水泥砂漿填充式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度最高(28.08 ℃)，地板表面最大溫差最大(1.59 ℃)，即溫度分布均勻性最差，向上散熱量居中(86.25 W/m2)，向下傳熱損失居中(14.51 W/m2);

c.地磚面層預制溝槽保溫板式電纜輻射供暖地板上表面平均溫度居中(27.35 ℃)，地板表面最大溫差居中(1.34 ℃)，即溫度分布均勻性較好，向上散熱量最大(86.75 W/m2)，向下傳熱損失最小(12.32 W/m2)。

5 結論

預制溝槽保溫板式地板構造是新型的地板構造，是針對發熱電纜地面輻射采暖系統設計的，與常規混凝土填充式和水泥砂漿填充式地板相比，具有無需混凝土填充層，有效降低樓板墊層厚度(≥33 mm)，明顯減小樓板荷載，施工簡單、維修方便、工期短、傳熱損失小，無地板表面及構造層內龜裂變形問題且具有節能降耗等優越特性。在我國大力提倡節能減排、綠色能源的今天，在遠離城市熱源的電力變壓站、風力發電站、光伏發電站等可以作為一種新型的冬季供暖地板做法加以推廣應用。

［1］劉 敏.淺談節能建筑的潛力［J］.新疆有色金屬，2007，30(4):72-74.

［2］于慧俐，茅清希.低溫地板輻射采暖系統的經濟性分析［J］.建筑熱能通風空調，2002，21(2):8-10.