石 宏，高立江，闫全英

(1.河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031;2.北京建筑大学，北京 100044)

1 概述

目前变电站设计大多为智能电站，无人值守且远离市区，冬季难以利用城市热源实现供暖，采用发热电缆地面辐射采暖系统是一种较好的解决方案。地面辐射采暖具有室内温度均匀、稳定，热容量大，不占使用面积等优点。在相同条件下，室内计算温度一般可比常规暖气对流采暖方式低2 ～3 ℃，总耗热量可减少10% ～15%，且地板供暖温度范围分布是头凉而脚暖，符合人体工程学。地面辐射采暖能够做到每个房间的温度可调，所以能够避免能源浪费，具有节能环保的优点，还可节省暖气占用的空间，增大有效使用面积。因此，从卫生、环境和能源等方面来看，地板辐射供暖是较好的冬季供暖方式。

变电站控制室常用的保温地板做法为混凝土填充式、水泥砂浆填充式2 种，通常为湿式做法，发热电缆直埋入混凝土填充层或水泥砂浆填充层内，其地板构造层厚度大、荷载大，施工量大、工期长、不易检修，且温度应力易引起楼板构造层的龟裂和变形，因此制约了地板辐射供暖技术在实际工程中的广泛应用。

2 发热电缆地面辐射采暖系统原理

发热电缆地面辐射供暖系统，是利用电能转换为热能且主要通过热辐射向室内提供热量的一种供暖方式。发热电缆也称恒电阻，是以加热为目的、通电后能够散发热量的电缆，通常由发热导电体、绝缘层、接地屏蔽层和外护套等部分组成。发热电缆的发热元件是由铜、镍合金制成的电阻丝，在一根发热电缆内，任意同等长度距离内的阻值是相等的。发热电缆通过密封防水的接线盒与冷线相连，当冷线被加上电压后，电流在发热电缆中通过，由于受到电阻的阻碍，电能转化为热能并以辐射的形式散发出来，其热效率高达97%以上。热量首先被水泥层所吸收，再通过传导和辐射形式加热房间内的密实物体和空气，从而得到适宜的冬季室内温度。

3 地板构造模型的建立

为了解不同地板构造发热电缆地板表面的温度分布、地板表面散热量和向下热损失的变化规律，以下选取混凝土填充式、泥砂浆填充式和预制沟槽保温板式3 种地板做法，建立其地板构造模型。

3.1 混凝土填充式发热电缆供暖地板构造

混凝土填充式为湿式做法，分为楼板、发泡水泥绝热层、混凝土填充层、水泥砂浆找平层、地砖面层五层结构。其中，发热电缆敷设在厚度40 ～50 mm的混凝土填充层内。地板构造如图1所示。

图1 混凝土填充式地板构造(单位:mm)

3.2 水泥砂浆填充式发热电缆供暖地板构造

水泥砂浆填充式与混凝土填充式相似，只是将其中的混凝土填充层改为水泥砂浆填充层。地板构造如图2所示。

图2 水泥砂浆填充式地板构造(单位:mm)

3.3 预制沟槽保温板式发热电缆供暖地板构造

预制沟槽保温板式为干式做法，分为楼板、预制沟槽保温板层(通常采用聚苯乙烯类泡沫塑料板或发泡水泥保温板)、上下金属导热层、地砖面层四层结构。其中，发热电缆敷设在厚度为30 mm 的保温板预制沟槽层内，并且电缆上下均铺设一层金属导热膜(通常采用铝箔膜)。地板构造如图3所示。

4 实例分析

图3 预制沟槽保温板式地板构造(单位:mm)

以下采用有限单元法，应用ANSYS 软件，将预制沟槽保温板式与混凝土填充式、水泥砂浆填充式发热电缆地板做法的地板表面温度分布、地板表面向上散热量和向下热损失的变化规律进行数值模拟，对比其热工性能。计算环境为某变电站综合配电楼的北向标准层房间，室外温度为－9 ℃，室内空气温度为18 ℃，房间尺寸为6 000 mm×3 000 mm×2 600 mm，房间分别有一面外墙和外窗，其导热系数分别为0.6 W/(m2·K)和2.8 W/(m2·K)，外窗尺寸为1 500 mm×1 500 mm，内墙表面18 ℃，发热电缆间距为100 mm，输入线功率为10 W/m。3 种构造地板表面温度分布见图4。

图4 地砖面层的地表面温度分布示意

采用ANSYS 软件，模拟数据计算结果见表1。

表1 ANSYS 模拟数据计算结果

从图4和表1中可以看出:

a.地砖面层混凝土填充式电缆辐射供暖地板上表面平均温度最小(27.34 ℃)，地板表面最大温差最小(0.20 ℃)，即温度分布均匀性最好，向上散热量最小(82.63 W/m2)，向下传热损失最大(17.13 W/m2);

b.地砖面层水泥砂浆填充式电缆辐射供暖地板上表面平均温度最高(28.08 ℃)，地板表面最大温差最大(1.59 ℃)，即温度分布均匀性最差，向上散热量居中(86.25 W/m2)，向下传热损失居中(14.51 W/m2);

c.地砖面层预制沟槽保温板式电缆辐射供暖地板上表面平均温度居中(27.35 ℃)，地板表面最大温差居中(1.34 ℃)，即温度分布均匀性较好，向上散热量最大(86.75 W/m2)，向下传热损失最小(12.32 W/m2)。

5 结论

预制沟槽保温板式地板构造是新型的地板构造，是针对发热电缆地面辐射采暖系统设计的，与常规混凝土填充式和水泥砂浆填充式地板相比，具有无需混凝土填充层，有效降低楼板垫层厚度(≥33 mm)，明显减小楼板荷载，施工简单、维修方便、工期短、传热损失小，无地板表面及构造层内龟裂变形问题且具有节能降耗等优越特性。在我国大力提倡节能减排、绿色能源的今天，在远离城市热源的电力变压站、风力发电站、光伏发电站等可以作为一种新型的冬季供暖地板做法加以推广应用。

［1］刘 敏.浅谈节能建筑的潜力［J］.新疆有色金属，2007，30(4):72-74.

［2］于慧俐，茅清希.低温地板辐射采暖系统的经济性分析［J］.建筑热能通风空调，2002，21(2):8-10.