导电混凝土应用于建筑采暖工程的计算方法

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摘要：导电混凝土作为一种新型建筑材料，将其应用于建筑采暖工程中，可有效节约资源、保护环境。室内空气温度是建筑采暖的主要关注点，针对导电混凝土作为建筑采暖地面的问题，在考虑电热效应、辐射换热与对流换热等的基础上，给出了混凝土温度场、室内空气平均温度的计算方法，无需对空气建模，简化了前处理工作量。与室内试验结果对比分析表明，计算结果与试验结果相对偏差在1.34%左右，验证了所提出计算方法的正确性与可用性。针对室内采暖效率，进行了不同组合工况的数值模拟分析，说明了通电电压、混凝土厚度的可挖潜能力较弱，导电混凝土的电阻率敏感性较强，是可挖潜的重要影响因素。

关键词：导电混凝土；建筑采暖；数值计算；电阻率

中图分类号：TU832.1

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2013）04-0139-06

当今世界能源问题日益紧张，最大限度地节约能源、保护环境是目前土木建筑领域的核心发展方向。中国大陆属典型的季风性气候，冬季寒冷，传统模式的建筑采暖具有鲜明的南北方特色，北方多采用锅炉供热并配以分布式金属散热片，一次性投资大，且耗费大量煤炭资源，对环境也存在着废气污染的问题；南方则多采用室内空调采暖，耗电严重，维护成本较高。对此，一些学者展开了针对建筑采暖工程的改进研究，其中，导电混凝土作为一种地面加热材料的方式也在近年内被提出。

作为一种新型混凝土，导电混凝土通过掺入添加材料作为导电相，以降低其自身的电阻率，达到有效导电的目的。现阶段，主要的添加材料包括钢纤维[1-3]、钢丝绒[4-5]、碳纤维[6-8]以及石墨[5， 9]等。一般来说，普通混凝土属于不良导体，电阻率较高，在654×103～1.1×104 Ω·m之间[10-11]。试验表明，混凝土在掺入少量钢纤维后电阻率可在早期有效降低至74～319 Ω·m[3]，在掺入石墨后可改变在10-1～104 Ω·m[9]，综合利用钢渣与碳纤维制成的导电混凝土电阻率达到了0.78 Ω·m[7]。

导电介质在通电后，可以产生电热效应，亦称焦耳效应，其温度将升高，并伴随有热量的产生与释放，因此，导电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，对于导电混凝土应用于建筑采暖工程的研究，现阶段主要集中于实验层次，其计算方法的相关研究尚少见。笔者针对导电混凝土应用于室内采暖工程的问题，在考虑电热效应、导热与换热等计算原理的基础上，提出了该类问题的计算方法，并对不同工况进行了数值模拟分析。

左正，等：导电混凝土应用于建筑采暖工程的计算方法

1计算模型

一般来讲，导电混凝土作为建筑内部地面加热材料的应用方式如图1所示，导电混凝土层位于绝热底层与地面铺层之间。工作时，分区域分单元地对导电混凝土层通电，以达到室内采暖的目的。地面铺层一般选择绝缘并且传热较好的材料，绝热底层一般选择隔热性能较好的材料。

将导电混凝土层中的一个加热单元提取出来，抽象计算模型，如图2所示，d为导电混凝土层的厚度，L为导电介质间的跨度（电压间跨度），b为导电截面的长度。

导电混凝土层内部在考虑电热效应的基础上，可按照各向同性介质的热传导问题求解，底部属于绝热边界条件，上部的地面铺层较薄且导热较好，可视导电混凝土上表面与室内空气之间为对流换热与辐射换热边界条件。

室内空气不考虑由于流动形成的不均匀温度场，等效考虑为相同空间下的均匀温度介质，这样，数值模型中无需对空气建模，可将其作为一种边界条件处理，充分简化了计算的前处理工作量。室内空气在考虑与导电混凝土层的换热外，仍需考虑与室外空气通过墙体的换热。

3.3温度场

采取验证算例的布置形式与混凝土材料，调整直流通电电压为35.0 V，以室内外初始温差2.0 ℃为例，计算温度历程如图4所示，由于墙体换热的存在，室内空气温度的上升斜率在后期要小于导电混凝土层表面。

绘制通电2 h时的导电混凝土层的竖向温度变化场分布云图如图5所示，层内沿竖直方向形成了热量流动，在上表面附近温度梯度较大，上下表面温差在2 ℃左右。

3.4换热量

采取验证算例的布置形式与混凝土材料，计算并统计通电2 h内不同室内外初始温差ΔT0情况下自然对流换热与辐射换热的换热量如表4所示，在导电混凝土层与室内空气的换热过程中，辐射换热所占的比重较大，总量上有辐射换热量∶对流换热量=60%∶40%，以室内外初始温差ΔT0=2.0 ℃为例，计算热通量历程如图6所示。

根据计算结果，对不同组合工况进行参数敏感性分析，可得到ρ、ΔU、d的平均敏感性指标分别为0.84、2.73、0.16。说明采暖效率对输入电压非常敏感，但是由于安全电压的限制，直流35.0 V已是极限，没有挖潜的余地；采暖效率对厚度的敏感性较弱，且进一步加厚将带来工程材料增加的额外费用，并不值得做太多文章；采暖效率对导电混凝土的电阻率敏感性较强，且导电材料仍有进一步研究挖潜的空间。因此，导电混凝土的导电能力是其应用于建筑采暖工程中的主要考虑因素与研究重点。

4结论

1）在考虑对流换热、辐射换热以及电热效应等计算原理的基础上，提出了导电混凝土应用于建筑采暖工程中的计算方法，通过对已有试验的数值模拟，证明了计算方法的正确性与可行性。

2）通过数值试验证明了掺入添加材料后混凝土的导电性能是建筑采暖工程中应用的重要考察因素。

没有考虑配制导电混凝土的经济性是本文的不足，这也将是未来研究工作中的重点。

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