列车客车用低温发热电缆
地面辐射供暖系统的实验研究
上海交通大学 孔祥强
m
浙江海洋学院 李 瑛
青岛理工大学 胡松涛
上海交通大学 王如竹
摘要 对不同地板结构和不同导线间距下发热电缆地面辐射供暖系统的热工性能进行了
测试分析, 考察了系统的稳定性和可靠性, 给出了综合比较结果, 分析了影响发热电缆地面辐
射供暖系统热工性能的主要因素及其影响规律。
关键词 发热电缆地面辐射供暖 低温辐射地板 热工性能
E xper i me nt of l ow -t e mper at ur e he at i ng cab l e f l oor r adi ant
he at i ng s ys tem on a pass e nge r tr ai n
B y K on g X i an gq i an g
n
, L i Y in g , H u S on gta o a n d Wa n g R u zh u
Abstr act E xam i n es t h e st ab i l i t y a n d re l i abi l i t y o f t h e s yst em b y t est i n g an d an al yz i n g t h e t h e rma l
pe rf or man ce i n d i f f er en t st r uct u re of f l oo r an d d i st a nce of w i r es. G i v es t h e co mp reh en s i ve c omp ar i s on
res ul t s. A n al yse s t h e ma i n f a ct or s t h a t i n f l ue nce t h e t h er mal pe rf or man ce a nd t h ei r i n f l ue nci n g r egu l a ri t y.
Ke ywor ds h e at i n g cab l e f l o o r r ad i a nt he at i ng , l ow - t emp er at u re r ad i an t f l o or , t h er ma l p er f o rma n c e
n S h a ng ha i J i a o To ng Univ e r s i t y , Sha ng h a i, Ch ina
0 引言
低温地板辐射供暖是当今较为先进的一种供
暖方式, 也是目前国内外暖通界公认的最为理想的
供暖方式之一。低温发热电缆地面辐射供暖系统
是一种以电为能源, 在电热元件中 产生低温辐射
波, 通过辐射、 穿透、 吸收和反射等物理过程, 在房
间墙壁、 顶棚和室内其他物体( 包括人体) 之间进行
能量分配, 直至达到动平衡, 并实现供暖目的的新
型供暖方式。通过配置智能型温控器可以按用户
意愿自主设定温度, 自动运行, 可/ 同时开启, 不同
时关闭 0 , 以达到节能目的
[ 1~ 6]
。
目前, 低温地板辐射供暖系统仍以集中供热、
锅炉房供热或小型燃气炉为主要热源, 但在一些特
殊场合, 例如列车上、 远离市区的别墅等, 上述几种
热源不存在或不易获得, 而这些场合电力又相对比
较充足, 于是以电为能源的低温发热电缆地面辐射
供暖系统便发展起来。该系统也弥补了低温热水
地板辐射供暖系统在自控、 维护等方面的不足。本
文针对列车客车不同地板结构及相应不同电缆间
距的发热电缆地面辐射供暖系统的热工性能进行
实验研究和分析。
本实验研究是与青岛四方机车车辆厂合作完
成的。高速列车客车二等座车在冬季供暖时, 采用
# 10 # 专题研讨 暖通空调 HV& AC 20 0 4 年第 3 4 卷第 1 1 期
y m 孔祥强, 男, 197 6 年 1 0 月生, 博士研究生
20 0030 上海交通大学制冷与低温工程研究所
( 0 21) 5 47199 00 13 1
E - mail: kx q iang @ sjtu. edu . cn
收稿日期: 20 03 01 20
修回日期: 20 03 04 21
空调加低温发热电缆地面辐射供暖系统。室外计
算温度为 - 20 e , 室内计算温度为 1 8 e 。在此
供暖系统中, 要求低温发热电缆地面辐射供暖系统
承担的供暖负荷为 8 k W, 地板上表面平均热流密
度要求为 160 W/ m
2
左右, 这也限制了实验中发热
电缆间距范围的选择。
1 实验条件
本实验在温控小室内进行, 其尺寸( 长 @ 宽 @
高) 为 1 . 8 m @ 1. 3 m @ 1. 8 m 。小室设有保温墙壁
及保温空间与外界隔绝, 室内装有 空调器和加热
器, 用以控制室内温度, 控制精度为 ? 1 e 。实验
小室内配有热电偶, 用于测试温度。图 1 为实验小
室简图。
1 温控小室 2 保温隔间 3 实验地板
4 温控器 5 空调器 6 热流计片
7 外接电源导线 8 外接变压器导线
9 热电偶 10 小室门
图 1 实验小室简图
采用三种不同表面结构的地板, 各实验地板结
构如图 2 所示。三种不同地板结构对应的保温层、
1 木地板层( 3 mm) 2 导线层( 6 mm) 3 木板层( 2 0 mm)
4 纤维棉层( 56 mm) 5 地板布层( 4 mm) 6 地毯层( 8 mm)
图 2 实验地板结构图
木地板层、 地板布层及地毯层的结构和材料都分别
相同。实验所用导线为法国原装进口特制某型号
发热电缆, 此发热电缆表面的最高允许 温度为 8 0
e , 发热功率为 30 W/ m。采用普通型专用发热电
缆地板供暖温控器控制发热电缆表面温度。发热
电缆等间距均匀布置。实验电源由 22 0 V 交流电
经变压器转换成所需电压提供。
实验过程中测量了电缆表面温度、 感温探头表
面温度、 地板各层表面温度、 壁面温度及室内温度
梯度、 地板上表面各层热流密度、 室内风速、 电缆电
流电压及电缆电流通断时间等。测点具体布置可
参见文献[ 7] 。
温 度探头 均为 铜 康 铜热 电偶, 二 次仪 表为
U J36 型电位差计; 实验地板各层热流密度由各层
热阻式热流计片测得; 室内风速由 Q DF - 3 型热球
式电风速仪测试, 其测量范围为 0. 05 ~ 3 0 m/ s; 通
过电缆的电流 I 及电缆两端的电压 U 分别由量程
为 1 0 A 的电流表和量程为 75 V 的电压表测量; 实
验中用秒表测试电缆电流通断时间。
值得一提的是, 在实际工程应用中, 低温发热电
缆地面辐射供暖系统采取的温度控制方法主要是室
温和电缆表面温度双重控制, 且以室温控制为主, 电
缆温控作为附加的安全措施。但由于本文主要目的
是研究定工况下电缆间距及地板结构对该系统热工
性能的影响, 故在整个实验测试过程中, 实验小室温
度始终控制在( 22 ? 1) e 范围内, 电缆表面温度采用
普通型专用电地板供暖温控器控制。即在维持室温
一定的条件下, 实验装置的控制( 电缆电流的通断)
是根据电缆表面温度来完成的, 使得电缆表面温度
不超出允许范围。
2 实验结果分析
为方便起见, 本文分别将裸木地板( 图 2a) 、 铺
地板布( 图 2b) 和加地毯( 图 2c ) 三种地板结构工况
依次称为工况 1 、 工况 2 和工况 3 。
2 . 1 电缆表面平均温度与最高温度
实验中发现, 各测点温度随时间不断变化, 故
而采用时间加权法处理温度实验数据, 并将时间加
权温度作为测点在这几个周期内的平均温度。
# 11 # 暖通空调 HV& AC 2 0 0 4 年第 3 4 卷第 11 期 专题研讨
假定某一段时间 s n 内所测测点温度为 t n , 实
验中测试的几个 周期内共包括 k 段时间, 则这几
个周 期 内 的 平 均 温 度, 也 即 时 间 加 权 温 度 为
t =
E
k
n= 1
s nt n E
k
n= 1
s n 。
图 3 和图 4 显示了电缆间距 D和地板结构对
图 3 电缆表面平均温度随电缆间距
和地板结构变化曲线
图 4 电缆表面最高温度随电缆间距
和地板结构变化曲线
电缆表面平均温度与最高温度的影响。从图中可
以看出, 在同一地板结构条件下, 电缆表面平均温
度与最高温度随电缆间距增大而升高。对于同样
的电缆间距, 地板上表面热阻越大, 其向外散热能
力越弱, 温控器感温探头处温度越高, 对应电缆表
面温度与最高温度越低。并且地板上表面热阻越
小, 电缆间距的变化对电缆表面平均温度与最高温
度的影响越大, 这是由于地板上表面的热阻越大,
向外散热能力越弱, 热量随时间变化就越小。
2 . 2 地板某一测点温度随时间、 电缆间距和地板
结构的变化
实验地板内各测点温度随时间、 电缆间距和地
板结构变化规律基本相似, 本文仅以地板保温层上
表面的某一测点为例加以分析。
图 5 和图 6 给出了该测点温度随电缆间距和
地板结构的变化规律。从图中可以看出, 该测点温
度呈周期性变化, 这主要是由于温控器控制电缆表
面温度在允许范围内变化。并且地板上表面热阻
及电缆间距越大, 温度变化周期越长, 测点温度变
化幅度越小。在同一地板结构条件下, 电缆间距越
图 5 电缆间距为 30 mm时地板保温层上表面
某测点温度随时间和地板结构变化曲线
图 6 电缆间距为 50 mm时地板保温层上表面
某测点温度随时间和地板结构变化曲线
大, 电缆间距变化对测点温度变化幅度的影响程度
越小, 这可以由测点温度变化幅度降低率( 测点温
度变化幅度与电缆间距变化的比值) 表示。假设两
电缆间距分别为 l 1 和 l 2, 对应的测点温度变化幅
度分别为 $t 1 和 $ t 2, 测点温度变化幅度降低率以
p 表示, 则 p = ( $t 1- $ t 2) / ( t 1- t 2) 。
2 . 3 热流密度
地板上表面热流密度在一个周期内是不断变
化的, 为减小实验误差, 采用时间加权法处理热流
密度实验数据, 将几个周期内时间加权热流密度作
为这几个周期内的平均热流密度。假定某一时段
s n 内所测的测点热流密度为 qn , 实验中 测试的几
个周期内共包括 k 个时段, 则这几个周 期内的平
均热 流密 度, 也 即 时间 加 权热 流密 度 计算 式 为
q = E
k
n= 1
s nq n E
k
n= 1
s n 。又因不便测量, 地板下表面
热流密度可由计算得到, 即由电缆平均散热量减去
地板上表面散热量而求得。
不同电缆间距及三种不同地板结构所对应的
热流密度实验数据及处理结果见表 1。
由表 1 可知, 在同一电缆间距条件下, 地板上
表 面平均热流密度随地板上表面热阻的增加而减
# 12 # 专题研讨 暖通空调 HV& AC 20 0 4 年第 3 4 卷第 1 1 期
表 1 不同电缆间距及不同地板结构所对应的平均热流密度
电缆间距/ mm
30 50 100 150
工况 1 地板上表面热流密度
/ ( W / m
2
)
171 . 782 1 89. 5 12 1 54. 3 87
1 20.238
地板下表面热流密度
/ ( W / m
2
)
19 . 389 20. 9 86 18. 0 23
14.000
地板上下表面总热流
密度/ ( W / m
2
)
191 . 171 2 10. 4 98 1 72. 4 10
1 34.238
下表面热流密度占总
热流密度比值/ %
10 . 14 9. 9 7 10. 4 5
10.43
工况2 地板上表面热流密度
/ ( W / m
2
)
132 . 532 1 45. 0 24 1 17. 9 23
94.035
地板下表面热流密度
/ ( W / m
2
)
16 . 979 18. 0 23 16. 2 10
15.990
地板上下表面总热流
密度/ ( W / m
2
)
149 . 511 1 63. 0 47 1 34. 1 33
1 10.025
下表面热流密度占总
热流密度比值/ %
11 . 36 11. 0 5 12. 0 9
14.53
工况3 地板上表面热流密度
/ ( W / m
2
)
86 . 254 92. 0 00 78. 5 35
63.231
地板下表面热流密度
/ ( W / m
2
)
18 . 252 19. 2 00 18. 4 60
15.610
地板上下表面总热流
密度/ ( W / m
2
)
104 . 506 1 11. 2 00 96. 9 95
78.841
下表面热流密度占总
热流密度比值/ %
17 . 47 17. 2 7 19. 0 3 19.79
小 , 并 且使 地 板保 温 层上 下 表面 的温 差增 大, 也就 导致了
地 板 下 表面 热 损失 占 地板 上 下表 面 总散 热量 的比 值 i 增
大 , 其 变 化幅度也随之增大 ; 在电缆间距从 50 mm 升至
1 5 0 mm 过 程 中, 地板上表 面热阻越大 , 电缆间距变化对
地 板 上 表面 平均热 流密度 影响越小 。此外 , 在同一地板
结 构 下, 比 值 i 以 5 0 mm 电缆间 距为 中心呈 抛物 线趋势
变 化 。
在实验工况下, 地板表面温度略高于文献[ 8 ]
和[ 9 ] 所规定的辐射面表面温度。例如电缆间距为
100 mm 时, 对应于工况 2 和工况 3 的地板表面温
度分别为 37 e 和 31 e 。但这并不影响本文对低
温发热电缆地面辐射供暖系统规律性的分析结果,
并且此温度还随地面装饰物热阻的增大及传热过
程热损失的增大而降低。
2 . 4 对流换热与辐射换热
低温发热电缆地面辐射供暖系统表面换热属
于复合换热, 包括对流换热和辐射换热。综合换热
量可以近似由辐射和对流两部分换热量相加而得
出。由于条件及实验手段的限制, 无法分别测量辐
射换热量与对流换热量的比例, 通过理论计算, 将
两种方式的换热量分离出来。辐射地板与四周墙
壁及顶棚的辐射换热量以及辐射地板上表面与室
内空气对流换热量均采用传统的计算方法进行计
算
[ 10~ 12]
。
图 7 ~ 10 分别给出了对流换热量 qc 、 辐射换
热量 q r 、 辐射折合换热系数 A r 及辐射换热量占总
换热量比值 m 随电缆间距和地板结构变化的曲线。
可以看出, 四幅图中曲线形状非常相似, 说明上述四
变量随电缆间距和地板结构变化的规律基本相
图 7 对流换热量随电缆间距和地板结构变化曲线
图 8 辐射换热量随电缆间距和地板结构变化曲线
图 9 辐射折合换热系数随电缆间距
和地板结构变化曲线
图 10 辐射换热量占总换热量比值
随电缆间距和地板结构变化曲线
# 13 # 暖通空调 HV& AC 2 0 0 4 年第 3 4 卷第 11 期 专题研讨
同。在同一电缆间距条件下, 它们均随地板上表面
热阻的增加而降低; 在同一地板结构条件下, 它们
在电缆间距为 50 mm 时最大, 呈抛物线趋势。计
算得 出 的 辐 射 换 热 量 占 总 换 热 量 的 比 值 在
50 1 9 2% ~ 56. 0 2% 范围内。
计算换热量与实测换热量比较见表 2。其中,
对流换热量、 辐射换热量和总换热量是针对实验地
板上表面而言的。计算总换热量为计算对流换热
量与计算辐射换热量之和, 实测总换热量由实验地
板上表面热流计片测得。
表 2 计算换热量与实测换热量
电缆间距
/ mm
地板
类型
对流
换热量
/ ( W/ m
2
)
辐射
换热量
/ ( W/ m
2
)
计算总
换热量
/ ( W/ m
2
)
实测总
换热量
/ ( W/ m
2
)
相对误差
/ %
30 工况 1 73. 08 90. 535 163. 615 171. 782 4. 75
工况 2 60. 06 70. 112 130. 172 132. 521 1. 77
工况 3 39. 48 44. 137 83. 617 86. 254 3. 06
50 工况 1 79. 38 101. 120 180. 500 189. 512 4. 76
工况 2 62. 58 76. 465 139. 045 145. 024 4. 12
工况 3 40. 74 46. 882 87. 622 92. 000 4. 76
100 工况 1 67. 62 82. 043 149. 663 154. 387 3. 06
工况 2 53. 76 62. 071 115. 831 117. 923 1. 77
工况 3 36. 12 40. 005 76. 125 78. 535 3. 07
由表 2 可以看出, 实测总换热量与计算总换热
量的相对误差均在工程允许误差 5% 之内。
2 . 5 通断时间比
电缆电流通断时间比是指在低温发热电缆地
面辐射供暖系统中, 在一个电缆电流通断周期内,
电缆通电时间与断电时间之比, 记为 n , 即
n =
S
T
S
D
=
S
T
S- S
T
( 1 )
式中 S
T
及 S
D
分别为一个电缆电流通断周期内
电缆通电时间和断电时间; S 为一个电缆电流通断
周期, S = S
T
+ S
D
。
电缆电流通断时间比是低温发热电缆地面辐
射供暖系统区别于低温热水地板辐射供暖系统的
特有的性能参数。低温发热电缆地面辐射供暖系
统节能也部分体现在通断时间比这一影响因素上。
在本实验中, 当电缆间距 D [ 100 m m 时, 温
控器感温探头放在相邻电缆中间点处; 当电缆间距
D > 10 0 mm 时, 温控器感温探头放在相邻电缆之
间距离某一电缆约 35 mm 处。电缆电流通断时间
比随电缆间距及地板结构变化曲线如图 11 所示。
从图中可以看出, 同一种地板结构条件下, 电缆间
距越大, 在一个电缆电流通断周期内, 热流密度变
图 11 电流通断时间比随电缆间距和地板结构的变化
化越小, 也即热流密度越均匀; 并且从后续的温控
器感温探头位置对发热电缆地面辐射供暖系统影
响的实验中可以看到, 随电缆与探头间距的增加,
通电时的电缆表面温度越高, 上升越缓慢, 从而使
得探头表面温度上升也越缓慢, 导致电流通断时间
比越大。在同一电缆间距条件下, 地板上表面热阻
越大, 地板上表面散热能力越小, 温控器感温探头
处温度越高, 电流通断时间比越小。
由图 1 1 还可以看出, 电缆电流通断时间比变
化幅度随地板上表面热阻的增大而减小; 在同一种
电缆间距和地板上表面热阻变化相同的条件下, 电
缆电流通断时间比因地板上表面热阻增加( 降低)
而降低( 增加) 的幅度随着电缆间距的增加而增加。
3 结论
在采用电缆表面温度控制其电流通断时, 低温
发热电缆地面辐射供暖系统有如下规律。
3 . 1 电缆表面平均温度及最高温度、 地板内各点
温度变化幅度、 地板表面热流密度、 辐射换热量占
总换热量的比值、 电缆电流通断时间比等参数与地
板上表面热阻成反比; 电缆电流通断时间比与电缆
间距成正比。
3 . 2 在地板结构及感温探头所处位置类似并使电
缆表面温度不超出其承受范围的条件下, 存在最佳
电缆间距, 此时地板上表面热流密度、 对流换热量、
辐射换热量、 辐射换热量占总换热量的比值最大。
本实验工况下所对应的最佳电缆间距为 50 mm。
3 . 3 辐射换热量占总换热量比值较大, 在 5 0% ~
60% 之间。
3 . 4 电缆间距在一定范围内变化时, 地板上表面
热阻越小, 电缆间距变化对电缆表面平均温度与最
高温度的影响越大, 对地板上表面平均热流密度影
( 下转第 13 0 页)
# 14 # 专题研讨 暖通空调 HV& AC 20 0 4 年第 3 4 卷第 1 1 期
e) 对典型工况的优化结果作实测或模型实验
验证, 并与传统设计手段的结果作相关性研究, 验
证所设计优化方法的正确性。
上述方法思路明确, 将多因素影响下的室内空
气环境参数优化这一复杂问题得以简化, 尤其是目
标函数的直接确定; 充分发挥了各种计算机分析方
法的优越性, 使得室内空气环境参数优化分析技术
经济性得以改善。但上述方法在室内空气环境参
数适应度的确定、 CFD 模拟结果的精度和计算机
优化方法的效率等方面还需做更深入的工作。
3 结语
以室内或工作区设计参数与标准值的均方根
差作为适应度评价设计方案的优劣, 而适应度的大
小依照室内或工作区对空气环境参数的不同要求
程度来确定, 这样就使得多点、 多参数的室内空气
环境优化得以简化。这种以区域性参数优化替代
局部满足标准值的设计方法, 无论在操作上和工程
实践中均更符合实际情况, 并更加容易实现。
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( 上接第 1 4 页)
响也越大, 而对地板下表面热损失占地板上下表面
总散热量的比值影响越小。
3 . 5 地板各点温度呈周期性变化, 每个周期均包
括电缆电流通、 断两状态。电缆电流通断周期与电
缆间距成正比, 与地板上表面热阻成反比。
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# 130 # 技术交流 暖通空调 HV& AC 20 0 4 年第 3 4 卷第 1 1 期
