一種地熱電纜設計制造方法

曹振鵬

（遠東電纜有限公司，江蘇 宜興 214200）

人與環境的可持續共存是當前人類發展的主要原則之一，既要兼顧發展也要兼顧保持綠色、生態的環境。傳統的供暖系統是以燃燒提供熱能，通過熱源網絡傳輸至各個需要供暖的場所，然而，無論是燃煤、油、氣對環境都產生了嚴重的污染，因此導致很多的疾病的發生，所以，如何改變傳統的供暖系統和工作原理，以減少對環境的破壞是人類需要投入精力去踐行的重要事情，地熱電纜供熱系統應運而生，從根本上解決了環境污染的問題。該文對地熱電纜設計可行性分析，從各個角度來考慮其可行性，是否能夠解決傳統供熱系統的種種弊病。

1 地熱電纜供熱系統可行性分析

1.1 國家電網系統電力量供應問題

我國電力生產基礎設施比較完善，很多設施不斷的升級和興建，每年生產電量增長率約為10%，用電需求在不斷的擴大，目前可以滿足生產和生活的使用，但是部分偏遠地區仍存在電力短缺，電力消耗量較大的主要集中在大中城市。隨著電力生產建設不斷發展，可以滿足人們的正常需求，并且開發了核能、太陽能、水能、風能等轉化為電能，提高了電力生產的效率的同時減少了環境污染。地熱電纜供暖系統是利用電能轉化為熱能，所以電是唯一的熱能轉化來源，有了國家電網系統電力量供應充足的保證，地熱電纜從能量供應方面考慮是可行的，完全可以滿足地熱電纜系統電量的消耗。

1.2 地熱電纜供熱系統與傳統供暖系統對比

傳統的供暖系統首先從環境考慮，去噪聲較大，有明顯的系統水循環噪聲，燃燒時消耗空氣的氧氣，并且排除有害氣體，需要巨大的空間儲藏燃料，燃料也會造成環境污染。其次，傳統供暖系統10 年左右就需要更換設備，而且隨著使用年限增加會影響供暖的效果，系統管線等容易出現故障，可靠性比較低。最后，傳統的供暖系統調整溫度較為困難，誤差較大，消耗自然燃料資源的同時消耗巨量的水資源。反觀，地熱電纜供熱系統消耗電能，做到環保零排放符合國家綠色環保發展的理念。可靠性較高，不需要經常維護或者更換部件，使用壽命可達幾十年，且占地面積較小，能夠實現精準調控溫度[1]。

1.3 地熱電纜具備的特性分析

從安全方面考慮，為了保證系統的安全性，設置地熱電纜最高溫度上限為85℃，并且地熱電纜具備長期的耐熱性，在超過其溫度上限時會自動關閉或者斷開電路，將其長時間運行的安全系數控制在安全范圍內。從供暖方面考慮，地熱電纜能夠高效地傳遞熱量，并且采取比較溫和的方式，傳統方式造成室內溫度難以控制、空氣干燥不利于人體長時間室內作息等情況。地熱電纜采用對空氣加熱，通過熱空氣的流動達到供暖的效果，避免了傳統方式出現的弊病。從使用壽命方面看，地熱電纜使用壽命可達45 年以上，維修時費用較低、操作方便等。這些特性有效地提高了供熱系統的效率，從以上方面具備了推廣和使用的條件，能夠為人們提供一個舒適的公共暖環境。

2 地熱電纜設計

2.1 采用的傳遞熱量原理

其中地熱系統的組成如圖1 所示。從圖1 中可以看出電纜地熱系統中具有重要作用，連接著不同組成部分，最終實現熱量輻射。其中傳熱學中的熱量傳遞是利用了空氣對流，利用溫度差產生空氣對流，主要有3 種方式：對流傳遞、導熱傳遞、熱輻射傳遞。對流是流體各個部分產生運動而達到的傳熱效果，導熱是物體的微粒子進行無規則運動產生的宏觀位移達到傳熱效果，熱輻射是高速從一個物體傳遞另一個物體達到傳熱效果。由于熱輻射傳熱效率方面比較高，我們積極采取熱輻射傳遞熱量的原理，地熱電纜采用電能作為能源，發熱電纜作為發熱體，把電能轉化為熱能，通過地面輻射的方式達到室內供暖的效果。

2.2 地熱電纜的結構設計

發熱電纜作為發熱體在設計時需要從功效上考慮，纖芯采用3 根高阻合金絲右旋束絞組合而成，以提高發熱效率，保證電纜的整體的柔韌性。選材方面考慮到耐高溫、抗氧化、柔韌性、耐磨性、抗腐蝕性等方面，鋁鉻合金、銅鎳合金都能滿足這些需求。其次是內外層絕緣包裹，考慮到耐點度、帶熱度、柔韌性、絕緣性等方面，選取聚乙烯復合式絕緣結構，其分子結構采用交聯結構，可以強化導熱性和柔韌性。接著是接地線，考慮安全因素采用多股鍍銅線，以屏蔽方式接地，防止漏電、電磁干擾等。外層先后是屏蔽線和護套，鋁塑復合材料起到徑向阻水效果，防護套使用高溫改型PVC[2]。以上設計要求按照國標標準執行，方便維修、更換零件等。

2.3 地熱電阻的結構符合性計算

通過計算測算電阻線芯的材質和阻值在不同電阻率、電纜長度下的合理的區間。電纜的各種參數決定電纜傳遞熱的性能，傳遞過程中損耗熱量、傳遞效率、最高溫度的影響。參數包括電阻系數、介電常數、磁導系數、電纜結構等，單位長度電纜線芯在一定溫度下的直流電阻，在導體電阻的溫度系數影響下，線芯材料的組織變化，根據不同的功率要求，計算出電流量和有效電阻，一次驗證材料的符合性。結構中的熱阻是能夠影響熱量傳遞的，需要逐個計算熱阻的值，以找到科學、合理的提高熱量傳遞的有效值。電纜的傳熱計算、損耗計算等都是決定熱量傳遞效果好壞的重要因素，通過計算找到地熱電纜最大工作效率的范圍值，在保證安全的前提下，將傳遞熱量的效率最大化。其中在電纜設計中，可選擇WJN-18/2R 電纜，線性負荷為18 W/m，在鋪設過程中可以結合工程實際面積合理確定鋪設間距。其中相關技術指標詳情見表1。

表1 電纜鋪設相關技術指標詳情

2.4 地熱電纜制作工藝流程設計

熱電纜制作工藝流程設計如圖2 所示。線芯采用3 根高阻合金絲右旋絞組成，并制成有節距的。按照由內到外，采用絕緣抗張強度、斷裂伸長率、熱收縮率在符合性范圍內的材料，進行內外雙層復合絕緣的擠包，保證材料的柔韌性和使用壽命，有效地減少了絕緣材料工作過程中的電量損失。再外一層的金屬接地屏蔽包層為鋁制，并完成接地線阻水層熱合縱包，防止電力外泄造成的損失和避免不安全因素[3]。最外層是聚乙烯復合絕緣結構包裹在外層，以保證內芯完好。地熱電纜的工藝及流程要結合材料的特點進行編制，按照由內到外的順序，使各個組成結構發揮正常作用，并綜合以上計算符合性閾值進行合理設計，達到預期的地熱電纜效果。

圖2 熱電纜制作工藝流程設計

3 地熱電纜的傳熱原理模型建設

3.1 傳遞熱學與電纜組合模型理論分析

在地熱電纜設計階段、結構符合性計算可以確定實際散熱溫度的分布以及電量和熱量的流失。從預期作用來分析，計算的溫度提升是閾值，可以適用于實際的應用，在閾值范圍內合理取值可以保證地熱電纜的正常和安全工作。電纜通過電能轉化為熱能，借助電纜的結構特征最大效率發揮熱量傳遞，從中心的線芯傳遞到空氣中，符合傳遞熱學與電纜組合發揮作用的，符合散熱的原理。熱量從線芯發出，傳遞到絕緣層、屏蔽層、外護套和空氣等媒介，達到提高、保持室內溫度的效果。

3.2 傳遞熱物理模型建設

電纜作為發熱的源頭，切面外圈小于電纜的一個單位長度，傳熱的效率與周圍璧面的關系。任意2 根纜線的溫差較小，視為同等溫度，且纜線柱面溫度分布相同，纜線之間有絕熱面，不存在熱量互相傳遞。按照熱量向外傳遞的順序建立模型，纜線內到外按照順序，再水泥、地板、空氣、其他，達到熱量傳遞的過程提高室內的溫度，實現電纜傳遞熱量的物理模型建設。建立模型的好處是可以利用現代數學計算方法實現求解熱傳遞的點塊溫度，并且能夠更加精確的計算[4]。

3.3 傳遞熱數學方法模型建設

我們建設了物理模型，接下來需要采用數學的方法進行模型建設，計算出穩態溫度場的單位元的溫度，計算出熱流的密度，在能量守恒的理論支撐下，計算發熱源的發熱效率，進而計算出溫度場的閾值。溫度場離散計算到各個單元上，計算單元的發熱和散熱、流量、溫度分布等，計算出精確的閾值。不同材料的地熱電纜溫度場分布是不同的，通過精確的計算確定出材料的符合性，并確定材料是否可以適用于電纜的設計和制造，給予電纜設計和制造的理論支持基礎[5]。

4 結語

地熱電纜供暖系統設計需要合理的設計電纜的結構、正確的運用熱傳遞原理，電纜的結構組成材料選取要結合計算的值來確定符合性，熱傳遞要結合電能轉化為熱能后向外高效的傳遞，期間減少損失的熱量，并達到可控制溫度變化的效果，最終完成提升和保持室溫的目的。再通過模型建設，驗證計算出地熱電纜設計到應用的合理性。