文/閆文化

碳纖維電地暖系統(tǒng) 在綠色節(jié)能建筑中的應(yīng)用探討

文/閆文化

幾年來(lái)，“霧霾”成了熱詞，空氣污染對(duì)人造成的傷害成了嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。中科院大氣物理研究所研究員張仁健課題組與同行合作，對(duì)北京地區(qū)2009年至2010年P(guān)M2.5化學(xué)組成及來(lái)源研究發(fā)現(xiàn)，北京PM2.5有6個(gè)重要來(lái)源，其中燃煤占了18%，而冬季燃煤采暖占了相當(dāng)大的比例。在大陸的許多地區(qū)，冬季燃煤、燃?xì)獠膳谋壤h(yuǎn)遠(yuǎn)高出這一數(shù)據(jù)。在這種背景下，碳纖維電地暖系統(tǒng)作為環(huán)保節(jié)能的綠色采暖產(chǎn)品更加受到人們的關(guān)注。

碳纖維電地暖系統(tǒng)性能特點(diǎn)

碳纖維是一種具有導(dǎo)電性、強(qiáng)度大、密度小、耐腐蝕、耐高溫的新型材料。用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料，可以代替鋁合金等金屬制成推力大、噪音小、低耗能的航空飛機(jī)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。用碳纖維或碳纖維增強(qiáng)的塑料、玻璃、陶瓷和金屬等材料具有優(yōu)良的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，用它們代替鋼材和合金，在化工、機(jī)電及航空航天領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

在采暖領(lǐng)域使用的碳纖維電熱轉(zhuǎn)換率高達(dá)98%以上，是一種節(jié)能、環(huán)保、安全的新型加熱材料，被國(guó)家節(jié)能大綱列為推薦的節(jié)能材料之一。作為電熱體，有著金屬、PTC等發(fā)熱體所不可比擬的諸多優(yōu)異性能。同樣，碳纖維電地暖系統(tǒng)也具備以下優(yōu)勢(shì)：升溫迅速；電熱轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)省電能；環(huán)保，整個(gè)加熱過(guò)程中無(wú)聲、無(wú)光、無(wú)任何污染物排放；抗拉強(qiáng)度高，重量輕；化學(xué)性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)；碳纖維加熱時(shí)大量釋放遠(yuǎn)紅外，遠(yuǎn)紅外具有理療保健的作用。

碳纖維電地暖系統(tǒng)工作原理

碳纖維電地暖是大量的碳纖維晶體在電場(chǎng)作用下，能夠相互摩擦、振蕩，晶體在電場(chǎng)作用下作“布朗運(yùn)動(dòng)”，并產(chǎn)生大量的熱量。從而實(shí)現(xiàn)“電能→熱能”的轉(zhuǎn)換。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，碳纖維晶體的電→熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了98%以上，比常用的鎳鉻合金等電熱絲高出20%以上。

碳纖維電地暖系統(tǒng)能效分析

當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速小于0.05 m/s時(shí)，平均輻射溫度變化1℃對(duì)人體熱感覺(jué)的影響基本相同，由于碳纖維電地暖所產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外平均輻射溫度較高，而且室內(nèi)沿高度方向向上溫度分布均勻，溫度梯度小，人處于加熱區(qū)內(nèi)，而散熱器供暖溫度最高區(qū)位于墻體上，使用對(duì)流加熱原理，溫度梯度大，當(dāng)人的感覺(jué)溫度相同時(shí)，碳纖維電地暖供暖房間的室內(nèi)空氣平均溫度要低于對(duì)流供暖房間的空氣溫度，降低房間熱負(fù)荷。在等效熱舒適條件下，碳纖維電地暖輻射采暖的室內(nèi)計(jì)算溫度可比傳統(tǒng)對(duì)流散熱器供暖系統(tǒng)低2～3℃。

傳統(tǒng)的水暖對(duì)流散熱器供暖系統(tǒng)水溫要求在80～95℃，而水地暖低溫地面輻射采暖系統(tǒng)要求在55～65℃，溫度要求較低的熱水在傳輸時(shí)散熱損失小。

碳纖維電地暖系統(tǒng)是把電能直接轉(zhuǎn)換成熱能，采用低溫輻射技術(shù)，整個(gè)地板加熱溫度在25～30℃，采用室內(nèi)地面整體加熱方式，比傳統(tǒng)加熱方式更為節(jié)能，節(jié)能在20%以上，且舒適度更高。

碳纖維電地暖系統(tǒng)應(yīng)用論述

碳纖維材料進(jìn)入民用采暖領(lǐng)域的時(shí)間很短，因?yàn)槿藗儗?duì)碳纖維材料認(rèn)識(shí)不足，一些不適合用于電采暖的材料的碳纖維短切絲等被用于電采暖產(chǎn)品，導(dǎo)致了碳纖維電采暖市場(chǎng)上的混亂。質(zhì)量過(guò)硬的碳纖維長(zhǎng)絲在電熱轉(zhuǎn)換率、抗強(qiáng)酸堿環(huán)境、耐壓耐折、壽命超長(zhǎng)等方面據(jù)有先天優(yōu)勢(shì)，使用碳纖維長(zhǎng)絲制作的電暖產(chǎn)品采暖費(fèi)用要比傳統(tǒng)的電暖產(chǎn)品低許多，而且無(wú)需后期維護(hù)，是理想的節(jié)能采暖材料。

碳纖維電地暖的廣泛應(yīng)用首先可以大幅度降低政府和社會(huì)及企業(yè)和個(gè)人對(duì)供暖的投入，在減少供暖設(shè)施占用社會(huì)公共資源的同時(shí)，起到明顯的環(huán)境保護(hù)作用。

目前，我國(guó)大部分地區(qū)的采暖方式主要有兩種：集中供暖、個(gè)體燒煤及燃?xì)馊∨?。從能源利用方面?lái)說(shuō)，集中供暖一次性投資的費(fèi)用相當(dāng)大，而且后期的運(yùn)行費(fèi)用也很高，并且因全天供熱，因樓層不同而造成的溫度不均導(dǎo)致許多居民開(kāi)窗降溫浪費(fèi)了寶貴的能源。此外，遍及城市的供暖管網(wǎng)鋪設(shè)和熱力交換站的建設(shè)不僅投資大，而且占用了城市寶貴的土地和地下土地空間等公共資源。而各地的熱力公司本身又是一個(gè)大污染源，用煤、用水消耗巨大，而居民自家燒爐取暖和燃?xì)鉅t的大量應(yīng)用也是冬季大氣污染的一個(gè)重要因素。隨著碳纖維電暖產(chǎn)品的技術(shù)成熟及大量應(yīng)用，以上這些問(wèn)題都可以達(dá)到有效解決。

隨著我國(guó)節(jié)能建筑的普及以及低碳社區(qū)的打造，低能耗的碳纖維電暖產(chǎn)品已經(jīng)完全具備了融入綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)的條件。由于碳纖維電暖產(chǎn)品本身節(jié)能環(huán)保，施工簡(jiǎn)單，加上其分戶、分室控制的特點(diǎn)，免去了政府建設(shè)熱力公司、鋪設(shè)管網(wǎng)的麻煩和巨額投入。而其所消耗的電能本身是清潔能源，加上碳纖維在發(fā)熱過(guò)程中無(wú)音、無(wú)光、無(wú)塵、無(wú)有害電磁輻射等優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)使用過(guò)程中無(wú)任何污染物排放，因而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。而且，碳纖維電暖的普及不受各地區(qū)地形、地理等條件的制約，不管是人口集中的城市還是相對(duì)分散的小城鎮(zhèn)，普及的難易指數(shù)相同，不管城市和小城鎮(zhèn)在怎樣復(fù)雜地理?xiàng)l件下，還是受什么樣的地形制約，都不影響設(shè)計(jì)和建設(shè)；適用于各種樓盤(pán)，尤其在不便使用集中供暖的地區(qū)和區(qū)域應(yīng)用，實(shí)用性更強(qiáng)，更無(wú)需要政府投入任何資金用于熱力供應(yīng)和管網(wǎng)建設(shè)。

碳纖維電地暖系統(tǒng)效益概論

碳纖維電暖供熱技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

減少交換站和管網(wǎng)建設(shè)投入，增加土地使用面積

首先，碳纖維電暖產(chǎn)品直接入戶，不需要小區(qū)建設(shè)交換站，樓盤(pán)建設(shè)中也不需要鋪設(shè)管道、安裝暖氣片。因?yàn)闆](méi)有了交換站及室外管網(wǎng)地溝等設(shè)施，因此，房地產(chǎn)商在設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)，可以最大限度地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，節(jié)約寶貴的土地面積，從而達(dá)到增加建筑面積的目的，節(jié)約出來(lái)的土地面積本身就是一筆財(cái)富。此外，傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)建安成本包括室內(nèi)終端設(shè)備費(fèi)、熱源設(shè)備費(fèi)、內(nèi)外管道網(wǎng)費(fèi)、熱力增容費(fèi)、鍋爐房建設(shè)費(fèi)、占用土地費(fèi)、安裝材料費(fèi)、設(shè)備折舊更新費(fèi)、維護(hù)運(yùn)行人工費(fèi)等等，這些費(fèi)用加在一起比碳纖維電地暖要高15%～30%。

縮短施工周期

碳纖維電暖設(shè)計(jì)和所有發(fā)熱末端在工廠內(nèi)已經(jīng)做好，電暖部分基本上不現(xiàn)場(chǎng)施工，到工地以后僅僅是展開(kāi)鋪好固定即可。而傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)安裝需要開(kāi)挖地溝、建鍋爐房、組裝暖氣片、安裝設(shè)備等，耗費(fèi)大量人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，而碳纖維電地暖只需在樓宇土建快要完成時(shí)，與地面同步施工即可。一棟10000平方米的樓房，10天就可完成安裝施工工作。

減少鋼材的用量，增加樓層設(shè)計(jì)

在當(dāng)前的樓層供暖中，許多用戶采用的是水地暖的鋪設(shè)方式。在設(shè)計(jì)和施工當(dāng)中，暖煌電地暖可比水地暖薄三至四厘米，如果整棟樓都采用暖煌電地暖和水地暖比較，每30層樓房水暖和電暖所形成的厚度差可達(dá)1～1.2米，60層樓房厚度差就可達(dá)到2～2.4米，幾乎錯(cuò)出一層樓的高度，而且水地暖所有的管道加上管道內(nèi)的水，加上混凝土等輔材，每平方米要比碳纖維電地暖重70KG左右，在高層建筑中這些重量要求樓房在設(shè)計(jì)和建設(shè)中必須有較大的鋼材用量來(lái)保障建筑承重，而因承重設(shè)計(jì)可能減少的鋼材用量也可以節(jié)省出來(lái)5%～7%。

免除了供熱系統(tǒng)丟水嚴(yán)重、物業(yè)收費(fèi)難等物業(yè)上的難題。電暖的維護(hù)費(fèi)用幾乎為零。

傳統(tǒng)的供暖系統(tǒng)使用期間需要昂貴的維護(hù)費(fèi)用和人力，并且相關(guān)設(shè)備使用壽命有限，15年整套系統(tǒng)得大修，甚至更換，重復(fù)投資比較多。碳纖維電地暖系統(tǒng)一次投資，無(wú)需維護(hù)，使用壽命與建筑物同壽。系統(tǒng)在安裝完畢后完全封閉，徹底解決了水系統(tǒng)的跑、冒、滴、漏及暖氣片凍裂等令人頭痛的老大難問(wèn)題。傳統(tǒng)集中供暖工作中，最令人頭疼的是丟水嚴(yán)重的問(wèn)題，以三門(mén)峽某小區(qū)為例：供熱面積6萬(wàn)平方米，僅僅12月一個(gè)月就丟水3500噸。如果推行電纖維地暖的話，每年各小區(qū)都會(huì)節(jié)約大量水資源，匯總起來(lái)，在全國(guó)將是一個(gè)龐大的節(jié)水?dāng)?shù)字。此外，用戶以購(gòu)電方式交納取暖費(fèi)，不存在傳統(tǒng)供暖的取暖費(fèi)收繳難問(wèn)題，使物業(yè)管理的工作量大大降低。

房間溫度可控性強(qiáng)，節(jié)能省電，舒適度好

由于碳纖維電暖在達(dá)到人體舒適溫度時(shí)，室內(nèi)平均溫度較傳統(tǒng)采暖平均溫度要低1～2℃，而且沒(méi)有明顯的空氣對(duì)流，可以減少人體的輻射散熱，因而舒適等級(jí)更高。其次是低能耗，碳纖維電地暖系統(tǒng)有一套使用極期方便的智能溫控系統(tǒng)，人們可根據(jù)需要的采暖溫度進(jìn)行分室、分時(shí)段調(diào)節(jié)，使室內(nèi)溫度在用戶的精確控制之中。在外墻保溫良好的綠色建筑中應(yīng)用，室溫18～20℃的情況下，冬季每天平均實(shí)際工作時(shí)間可控制在3-6小時(shí)，非常節(jié)能省電，并且可以利用國(guó)家推行的峰谷電價(jià)優(yōu)惠政策，利用晚間在“谷”價(jià)期間運(yùn)行，把不能儲(chǔ)存的電力轉(zhuǎn)化成熱能在房間儲(chǔ)存起來(lái)，因而可以達(dá)到移峰填谷的作用。用戶可以大量減少使用費(fèi)用。這些對(duì)于國(guó)家、開(kāi)發(fā)商和用戶來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)不錯(cuò)的優(yōu)勢(shì)，并增加樓房賣(mài)點(diǎn)。

小結(jié)

碳纖維電地暖要快速推廣，需要政府部門(mén)的認(rèn)可和支持，在碳纖維電地暖系統(tǒng)使用客戶享受峰谷電價(jià)，需要在更多地區(qū)更多工程進(jìn)行樣板展示。作為清潔能源的配套產(chǎn)品和國(guó)家節(jié)能技術(shù)大綱中推薦的高效節(jié)能材料研發(fā)產(chǎn)品，碳纖維電地暖系統(tǒng)一定可以為國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)、推進(jìn)綠色建筑科技進(jìn)步、打造低碳綠色社區(qū)帶來(lái)行之有效的效果和作用。

（作者單位：濟(jì)源市暖煌電暖有限公司）