摘要：導(dǎo)電混凝土作為一種新型建筑材料，將其應(yīng)用于建筑采暖工程中，可有效節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境。室內(nèi)空氣溫度是建筑采暖的主要關(guān)注點(diǎn)，針對(duì)導(dǎo)電混凝土作為建筑采暖地面的問題，在考慮電熱效應(yīng)、輻射換熱與對(duì)流換熱等的基礎(chǔ)上，給出了混凝土溫度場(chǎng)、室內(nèi)空氣平均溫度的計(jì)算方法，無需對(duì)空氣建模，簡化了前處理工作量。與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差在1.34%左右，驗(yàn)證了所提出計(jì)算方法的正確性與可用性。針對(duì)室內(nèi)采暖效率，進(jìn)行了不同組合工況的數(shù)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(dǎo)電混凝土的電阻率敏感性較強(qiáng)，是可挖潛的重要影響因素。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電混凝土；建筑采暖；數(shù)值計(jì)算；電阻率

中圖分類號(hào)：TU832.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2013）04-0139-06

當(dāng)今世界能源問題日益緊張，最大限度地節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境是目前土木建筑領(lǐng)域的核心發(fā)展方向。中國大陸屬典型的季風(fēng)性氣候，冬季寒冷，傳統(tǒng)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(fèi)大量煤炭資源，對(duì)環(huán)境也存在著廢氣污染的問題；南方則多采用室內(nèi)空調(diào)采暖，耗電嚴(yán)重，維護(hù)成本較高。對(duì)此，一些學(xué)者展開了針對(duì)建筑采暖工程的改進(jìn)研究，其中，導(dǎo)電混凝土作為一種地面加熱材料的方式也在近年內(nèi)被提出。

作為一種新型混凝土，導(dǎo)電混凝土通過摻入添加材料作為導(dǎo)電相，以降低其自身的電阻率，達(dá)到有效導(dǎo)電的目的。現(xiàn)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(dǎo)體，電阻率較高，在654×103～1.1×104 Ω·m之間^[10-11]。試驗(yàn)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?cè)?0-1～104 Ω·m^[9]，綜合利用鋼渣與碳纖維制成的導(dǎo)電混凝土電阻率達(dá)到了0.78 Ω·m^[7]。

導(dǎo)電介質(zhì)在通電后，可以產(chǎn)生電熱效應(yīng)，亦稱焦耳效應(yīng)，其溫度將升高，并伴隨有熱量的產(chǎn)生與釋放，因此，導(dǎo)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(duì)于導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于建筑采暖工程的研究，現(xiàn)階段主要集中于實(shí)驗(yàn)層次，其計(jì)算方法的相關(guān)研究尚少見。筆者針對(duì)導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于室內(nèi)采暖工程的問題，在考慮電熱效應(yīng)、導(dǎo)熱與換熱等計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，提出了該類問題的計(jì)算方法，并對(duì)不同工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

左正，等：導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于建筑采暖工程的計(jì)算方法

1計(jì)算模型

一般來講，導(dǎo)電混凝土作為建筑內(nèi)部地面加熱材料的應(yīng)用方式如圖1所示，導(dǎo)電混凝土層位于絕熱底層與地面鋪層之間。工作時(shí)，分區(qū)域分單元地對(duì)導(dǎo)電混凝土層通電，以達(dá)到室內(nèi)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(dǎo)電混凝土層中的一個(gè)加熱單元提取出來，抽象計(jì)算模型，如圖2所示，d為導(dǎo)電混凝土層的厚度，L為導(dǎo)電介質(zhì)間的跨度（電壓間跨度），b為導(dǎo)電截面的長度。

導(dǎo)電混凝土層內(nèi)部在考慮電熱效應(yīng)的基礎(chǔ)上，可按照各向同性介質(zhì)的熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱較好，可視導(dǎo)電混凝土上表面與室內(nèi)空氣之間為對(duì)流換熱與輻射換熱邊界條件。

室內(nèi)空氣不考慮由于流動(dòng)形成的不均勻溫度場(chǎng)，等效考慮為相同空間下的均勻溫度介質(zhì)，這樣，數(shù)值模型中無需對(duì)空氣建模，可將其作為一種邊界條件處理，充分簡化了計(jì)算的前處理工作量。室內(nèi)空氣在考慮與導(dǎo)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(chǎng)

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

繪制通電2 h時(shí)的導(dǎo)電混凝土層的豎向溫度變化場(chǎng)分布云圖如圖5所示，層內(nèi)沿豎直方向形成了熱量流動(dòng)，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(yàn)證算例的布置形式與混凝土材料，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)通電2 h內(nèi)不同室內(nèi)外初始溫差ΔT0情況下自然對(duì)流換熱與輻射換熱的換熱量如表4所示，在導(dǎo)電混凝土層與室內(nèi)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(duì)流換熱量=60%∶40%，以室內(nèi)外初始溫差ΔT0=2.0 ℃為例，計(jì)算熱通量歷程如圖6所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同組合工況進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，可得到ρ、ΔU、d的平均敏感性指標(biāo)分別為0.84、2.73、0.16。說明采暖效率對(duì)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(duì)厚度的敏感性較弱，且進(jìn)一步加厚將帶來工程材料增加的額外費(fèi)用，并不值得做太多文章；采暖效率對(duì)導(dǎo)電混凝土的電阻率敏感性較強(qiáng)，且導(dǎo)電材料仍有進(jìn)一步研究挖潛的空間。因此，導(dǎo)電混凝土的導(dǎo)電能力是其應(yīng)用于建筑采暖工程中的主要考慮因素與研究重點(diǎn)。

4結(jié)論

1）在考慮對(duì)流換熱、輻射換熱以及電熱效應(yīng)等計(jì)算原理的基礎(chǔ)上，提出了導(dǎo)電混凝土應(yīng)用于建筑采暖工程中的計(jì)算方法，通過對(duì)已有試驗(yàn)的數(shù)值模擬，證明了計(jì)算方法的正確性與可行性。

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

沒有考慮配制導(dǎo)電混凝土的經(jīng)濟(jì)性是本文的不足，這也將是未來研究工作中的重點(diǎn)。

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（編輯胡英奎）